جهان مکان بزرگی است، اما از ذرات کوچکی تشکیل شده است. جدول تناوبی شامل عناصری مثل اکسیژن، کربن و عناصر سازندۀ دیگری است که ستارگان، گربه‌ها یا فنجان‌های قهوه را تشکیل می‌دهند. اما از شروع قرن بیستم، دانشمندان به دنبال ذرات بنیادی کوچکتری بودند، ذراتی کوچکتر از اتم‌ها که در جهان پُر هستند. بنابراین، کدامیک از این ذرات بنیادی کوچکترین است؟ و بالعکس، کدامیک بزرگترین است؟
به گزارش بیگ بنگ، “دان لینکلن”، دانشمند ارشد در «آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی»، یکی از دانشمندانی است که سعی دارد به این سوال پاسخ دهد. در آزمایشگاه فرمی در نزدیکی شیکاگو، دانشمندان از یک شتاب دهنده برای در هم کوبیدن ذرات به هم استفاده کرده و بقایا – ذرات بنیادی جدید احتمالی – را رصد می‌کنند. “لینکلن” گفت که دو راه برای محاسبۀ اندازه ذرات وجود دارد: بررسی جرم آنها و اندازه‌گیری سایز فیزیکی آنها، دقیقا مثل محاسبۀ قطر یک توپ.
از لحاظ جرم، پاسخ به این سوالات نسبتاً ساده است. کمترین ذرۀ جرم غیرصفر که می‌شناسیم «نوترینو» است. هرچند، ما اندازۀ دقیق جرم نوترینو را نداریم، زیرا ابزارآلاتی که برای محاسبه‌ی جرم ذرات بنیادی بکار می‌روند، به اندازۀ کافی حساس نیستند.
“لینکلن” گفت: «نوترینو یک ذره است، نوعی روح در جهان زیراتمی». نوترینوها فعل و انفعال بسیار ضعیفی با ماده دارند و دومین ذرۀ فراوان پس از فوتون‌ها (که بیشتر شبیه امواج عمل می‌کنند تا ذرات واقعی) هستند. در واقع، تریلیون‌ها “نوترینو” در طی فقط چند ثانیه دائما از اطرافمان عبور می‌کنند. نوترینوها تقریباً هیچ وزنی ندارند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور، سفر می‌کنند.
یک هسته‌ی اتم از نوترون‌ها، پروتون‌ها و الکترون‌ها تشکیل می‌شود. اندازۀ پروتون‌ها و نوترون‌ها حدود یک دهم اندازۀ یک هسته است. یک الکترون تقریباً دارای جرم صفر است، اما در واقع 500 هزار برابر بیشتر از یک نوترینو (که اندازه‌گیری دقیق آن در این لحظه غیرممکن است) وزن دارد.
فیزیکدانان از الکترون ولت(eV) برای اندازه‌گیری جرم ذرات زیراتمی استفاده می‌کنند. از لحاظ فنی، این واحد eV/c^2 است که در آن، c سرعت نور است. یک الکترون ولت تقریباً معادل با حدود ۱.۶x۱۰^-۱۹ ژول است. برای ساده‌سازی، فیزیکدانان از یک مجموعه واحدها استفاده می‌کنند که در آن، سرعت نور برابر با 1 است. برای محاسبه‌ی جرم یک ذرۀ زیراتمی، باید از معادله معروف آلبرت اینشتین یعنی E=mc^2 استفاده کنید تا جرم(m) را در کیلوگرم بدست آورید.
وزن یک الکترون برابر با 511 هزار الکترون ولت است که معادل با ۹.۱۱x۱۰^-۳۱ کیلوگرم می‌باشد. برای مقایسه، یک پروتون معمولی در هسته‌ی یک اتم معمولی 938 میلیون الکترون ولت یا ۱.۶۷x۱۰^-۲۷ کیلوگرم وزن دارد.
بالعکس، بزرگترین ذرۀ بنیادی(از لحاظ جرم) که می‌شناسیم ذره‌ای به نام “کوارک سر” است که برابر با 172.5 میلیارد الکترون ولت اندازه‌گیری می‌شود. کوارک‌ها یک نوع ذرۀ بنیادی دیگر هستند و تا جایی که می‌دانیم، نمی‌توان آنها را به بخش‌های بیشتری تجزیه کرد. دانشمندان شش نوع کوارک را کشف کردند: بالا و پایین، شگفت و افسون، سر و ته. “کوارک‌های بالا و پایین”، پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند و به ترتیب 3 میلیون و 5 میلیون الکترون ولت وزن دارند. در مقایسه، “کوارک سر” 57500 برابر “کوارک بالا” وزن دارد.
این سوال که سایز فیزیکی ذرات چقدر است به آسانی نمی‌توان پاسخ داد. ما سایز فیزیکی برخی از ذرات را می‌دانیم، اما نه همه‌ی آنها را. برخی از ذرات «کوچکی» که مردم به طور روزمره در مورد آنها می‌شنوند، مثل ذرات ویروس، در واقع کاملاً بزرگ هستند. یک ذرۀ ویروس تقریباً 250 تا 400 نانومتر طول دارد (یک نانومتر یک میلیاردم متر یا 9-^10 متر است) و یک هسته‌ی معمولی اتم حدود 14-^10 متر (0.00000000000001 متر) است. این بدان معناست که نسبت اندازۀ ویروس به هسته اتم، همچون نسبت اندازۀ انسان به ویروس است.
در حال حاضر، کوچکترین سایز فیزیکی که دانشمندان می‌توانند با یک شتاب‌سنج ذره‌ای اندازه‌گیری کنند 2000 برابر کوچکتر از یک پروتون یا برابر با ۵x۱۰^-۲۰ متر است. تاکنون دانشمندان توانسته‌اند مشخص کنند که کوارک‌ها کوچکتر از این هستند اما اندازه‌ی آن را تعیین نکرده‌اند.
منبع: سایت علمی بیگ بنگ