ذره زیر اتمی به بخشی از ذرات بنیادی و ذرات ترکیبی گفته می‌شود که کوچک‌تر از اتم هستند. فیزیک ذرات و فیزیک هسته‌ای بخشی از فیزیک هستند که به مطالعه این ذرات می‌پردازند.
معروف‌ترین ذرات زیر اتمی الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند. پروتون و نوترون ذرات ترکیبی هستند که از کوارک تشکیل شده‌اند. یک پرتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است، ولی نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده است؛ کوارک‌ها به وسیله گلوئون به هم می‌چسبند. شش نوع کوارک متفاوت داریم، دیگر ذرات زیر اتمی فوتون و نوترینو هستند که توسط خورشید ایجاد می‌شود. بیشتر ذرات زیر اتمی از طریق بررسی پرتو کیهانی کشف شدند، از آن‌ها در شتاب دهنده‌ها استفاده می‌شود.
فیزیک ذرات بنیادی
فیزیک ذرات بنیادی بخشی از فیزیک است. موضوع مورد مطالعه‌ی فیزیک‌دانان ذرات بنیادی اینست که بدانند جهان از چه ذراتی ساخته شده و این ذرات چگونه در حال واکنش با یکدیگر هستند. در حدود سال ۱۹۰۰ میلادی تصور می‌شد که اتم سنگ بنای جهان است و غیر قابل تجزیه می‌باشد بزودی مشخص شد که اتم از یک هسته‌ی مرکزی با الکتریکی مثبت و تعدادی الکترون که در اطراف آن در گردشند، تشکیل شده است.
هنگامی که هسته مورد مطالعه قرار گرفت، فیزیک‌دانان متوجه شدند که هسته از پروتون با بار الکتریکی مثبت و نوترون که از نظر الکتریکی خنثی است تشکیل شده و الکترون‌ها اطراف آن در گردشند. هرچه تحقیقات روی هسته بیشتر انجام می‌شد، ذرات جدیدی کشف می‌شدند. همچنین تحقیقات بیشتر نشان داد که پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز از ذرات دیگری که کوارک نامیده شدند ساخته شده است. سرانجام فیزیک‌دانان ذرات سازنده‌ی ماده را به دو دسته لپتون‌ها و کوارک‌ها تقسیم کردند. در این تقسیم بندی‌ها پروتون و نوترون ذره‌ی بنیادی نیستند و از کوارک‌ها ساخته شده‌اند.
پاد ماده
یکی از کشفیات بسیار جالب، کشف پاد ماده است. برای هر ذره‌ی بنیادی یک ذره دیگری وجود دارد که آن را پاد ماده‌ی آن می‌نامند. به عنوان مثال پاد ماده‌ی الکترون، پوزیترون است که تنها از نظر الکتریکی با هم تفاوت دارند. ماده و پاد ماده یکدیگر را جذب کرده و به انرژی تبدیل می‌شوند. به همین دلیل آن‌ها را پاد ماده می‌نامند. توجه شود که پاد ماده تنها یک اصطلاح است و از نظر فیزیکی هر دوی آن‌ها ماده می‌باشند.
اسپین
اسپین یکی از خواص ذرات مانند جرم و بار است. اسپین اندازه‌ی حرکت زاویه‌ای ذره است و ساده‌ترین راه برای اندازه گیری اندازه حرکت زاویه‌ای ذره بر اثر گردش آن است. در واقع سخن از گردش ذره درست نیست، بلکه اندازه حرکت زاویه‌ای ذره یکی از خواص ذاتی ذرات است. اسپین نظیر اندازه حرکت و انرژی در تمام مراحل ثابت است.
کوارک‌ها
شش کوارک و شش پاد کوارک وجود دارد که سه دسته دوتایی تشکیل می‌دهند. این گروه‌ها عبارتند از:
بالا-پایین (up-down) ربایشی- غیر ربایشی (charm-strange) و سر- ته (top-bottom). یک خاصیت جالب کوارک‌ها این است که هیچ‌گاه کوارک‌ها به تنهایی مشاهده نمی‌شوند؛ آن‌ها در کنار یکدیگر قرار دارند و ذرات مرکب را می‌سازند. این ذرات مرکب هادرون نامیده می‌شوند. کوارک‌ها نظیر الکترون و پروتون دارای بار الکتریکی هستند؛ اما بار الکتریکی کوارک‌ها کسری از بار الکتریکی پایه است.
در شکل زیر کوارک‌های پروتون و نوترون برای نمونه نشان داده شده است.
بوزون
ذراتی هستند که داری اسپین صحیح هستند. اکثر بوزون‌ها می‌توانند ترکیبی باشند اما گروه بوزون‌های شاخص از نوع ترکیبی نیستند. در مدل استاندارد بوزون‌ها ذراتی برای انتقال نیرو هستند که شامل فوتون‌ها (انتقال دهنده ی الکترومغناطیس) و گراویتون (انتقال دهندهآ‌ی گرانش) نیز می‌شوند. اتم‌ها نیز می‌توانند بوزون باشند. برای مثال هلیم – ۴ یک بوزون با اسپین گویا است. تفاوت زیادی بین استاتیک فرمیونی (اسپین نیمه صحیح) و بوزونی وجود ندارد مگر در مورد اجرام با چگالی بالا که این مورد نیز پیرواستاتیک ماکسول – بولتزمن می‌باشد. بر همین مبنا هم بوزون‌ها و هم فرمیون‌ها ذراتی کلاسیک شناخته می‌شوند.
هادرون‌ها
ذرات زیر اتمی هستند که از فرمیون‌هایی چون کوارک و آنتی کوارک و بوزون‌هایی چون گلوئن تشکیل شده‌اند. این ذرات نیروی قوی هسته‌ای اعمال می‌کنند. هادرون‌ها مانند دیگر ذرات دارای عدد کوانتومی هستند. این ذرات ممکن است در دما یا فشار بسیار پایین خود به خود از بین بروند.
گلوئن
ذراتی بدون جرم و خنثی از خانواده بوزون‌های شاخص هستند و دارای اسپین ۱ هستند. این ذرات زیر اتمی باعث پایدار بودن کوارک‌ها در هسته اتم (پروتون‌ها و نوترون‌ها) کنار همدیگر می‌شوند. البته جرم این ذرات بسیار کم است (MeV) و از آن صرف نظر می‌شود.
به طور کلی مدل استاندارد ذرات بنیادی به شرح زیر است : شش عدد کوارک، شش عدد لپتون و چهار بوزون که نیروها را حمل می‌کنند. به طور کلی ذراتی که ماده را می‌سازند فرمیون و ذراتی که نیروها را حمل می‌کنند بوزون نامیده می‌شود.
مرکز یادگیری سایت تبیان – تهیه: مرتضی عرفانیان
تنظیم: مریم فروزان کیا
