أساسيات فيزياء الجسيمات

ماذا يعني مصطلح “فيزياء الجسيمات”

في مجال الفيزياء الجسيمية، يتم تعريف الجسيم الأولي أو الجسيم الأساسي على أنه جسيم مجهول في بنيته التحتية، وبالتالي لا يعرف ما إذا كان يتكون من جسيمات أخرى، وتشمل الجسيمات الأولية المعروفة الفرميونات الأساسية والبوزونات الأساسية.

يتكون العالم المادي من مجموعات مختلفة من الجسيمات التي ليست ذرية أو أساسية. هذه هي أصغر وحدات البناء للمادة. باستثناء المادة المظلمة، تتكون جميع المادة من جزيئات، وهذه الجزيئات مكونة بدورها من الذرات. الذرات تتألف من نواة ذرية وسحابة إلكترونية، والإلكترونات تدور حول النواة الذرية. وفيما يتعلق بمكونات النواة الذرية، فإنها تتألف في العموم من البروتونات والنيوترونات، ولكن حتى هذه المكونات هي كائنات مركبة. وداخل البروتونات والنيوترونات، نجد الكواركات .

الجسيمات الأساسية في الفيزياء

الكواركات والإلكترونات هي بعض الجسيمات الأولية الأساسية، وتم اكتشاف عدد من الجسيمات الأساسية في تجارب مختلفة، كان على الباحثين تنظيمها، تمامًا كما فعل منديليف مع جدوله الدوري، ويتم تلخيص ذلك في نموذج نظري (يتعلق بالتفاعلات النووية الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية) يسمى النموذج القياسي.

أنواع الجسيمات في الفيزياء

غالبًا ما يُزعم أن الإغريق القدماء كانوا أول من حدد الأشياء التي ليس لها حجم، ومع ذلك كانوا قادرين على بناء العالم من حولنا من خلال تفاعلاتهم، وبما أننا قادرون على مراقبة العالم بتفاصيل أصغر وأصغر من خلال مجاهر ذات قوة متزايدة ، فمن الطبيعي أن نتساءل عما تتكون هذه الأشياء.

يعتقد العلماء أنهم وجدوا بعض هذه الأشياء: الجسيمات غير الذرية أو الجسيمات الأساسية التي ليس لها حجم محدد لا يمكن أن تكون لها بنية تحتية، ويهدف العلماء إلى شرح خصائص هذه الجسيمات والتوضيح كيف يمكن استخدامها لشرح محتويات الكون. وهناك نوعان من الجسيمات الأساسية: جسيمات المادة التي يتحد بعضها لإنتاج العالم من حولنا، وجسيمات القوة التي تشمل الفوتون المسؤول عن الإشعاع الكهرومغناطيسي. وتم تصنيف هذه الجسيمات في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الذي يوضح نظريات حول كيفية تفاعل الجسيمات الأساسية للمادة والقوى الأساسية التي تحكمها، حيث تنتمي جسيمات المادة إلى الفرميونات بينما تنتمي جسيمات القوة إلى البوزونات.

هيكل جسيمات المادة في الفيزياء

تنقسم جسيمات المادة إلى مجموعتين: الكواركات واللبتونات هي مكونات متماثلة، وتتألف اللبتونات من ستة أنواع، ولكل نوع شريك متماثل. تنقسم اللبتونات إلى ثلاثة أزواج، ويحتوي كل زوج على جسيم أولي مشحون وجسيم غير مشحون، ويكون الجسيم غير المشحون أخف وأصعب في الكشف عنه. وأخف هذه الأزواج هو الإلكترون والنيوترينو الإلكتروني.

الإلكترون المشحون مسؤول عن التيارات الكهربائية، ويتم إنتاج شريكه غير المشحون، والمعروف باسم النيوترينو الإلكتروني، بكميات كبيرة في الشمس، وتتفاعل بشكل ضعيف مع محيطها لدرجة أنها تمر عبر الأرض دون عوائق. ويمر مليون منها عبر كل سنتيمتر مربع من جسم الإنسان كل ثانية، سواءً نهارًا أو ليلاً.

يتم إنتاج النيوترينوات الإلكترونية بأعداد لا يمكن تصورها أثناء انفجارات السوبرنوفا وهذه الجسيمات هي التي تشتت العناصر الناتجة عن الاحتراق النووي في الكون، تشمل هذه العناصر الكربون الذي صنعنا منه، والأكسجين الذي نتنفسه، وكل شيء آخر على الأرض تقريبًا، لذلك، على الرغم من إحجام النيوترينوات عن التفاعل مع الجسيمات الأساسية الأخرى، فهي حيوية لوجودنا، ويبدو أن أزواج النيوترينو الأخرى مجرد نسخ أثقل من الإلكترون.

نظرا لعدم وجود تلك الجسيمات الموجودة في نواة الذرة في المادة العادية، قد يبدو أنه لا يوجد دور لها، ولكن خلال الثواني الأولى إلى العشر ثواني من الكون بعد الانفجار العظيم، كان لها دور حاسم في بناء بنية الكون الذي نعيش فيه، والمعروفة باسم عصر ليبتون.

تنقسم الكواركات الستة إلى ثلاثة أزواج، ولكل زوج اسم غريب، وتتصاق الكواركات العلوية والسفلية معا لتشكيل البروتونات والنيوترونات التي تتواجد في قلب كل ذرة، ويؤكد العلماء مرة أخرى أن هناك زوجا واحدا فقط من الكواركات الخفيفة في المادة العادية، ولكن مثل اللبتونات الأثقل، فقد لعبت دورا في اللحظات الأولى من تشكل الكون وساعدت في خلق شيء يمكن أن يتواجد .

قوة الجسيمات

هناك ست جسيمات قوة في النموذج القياسي، وهي تسبب تفاعلات بين جسيمات المادة، وتنقسم إلى أربع قوى أساسية: قوى الجاذبية، والقوى الكهرومغناطيسية، والقوى القوية، والقوى الضعيفة.

يعد الفوتون جسيمًا من الضوء، وهو المسؤول عن المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تنشأ عن تبادل الفوتونات بين جسمين مشحونين. وينتج الغلون القوة المسؤولة عن تماسكالكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات، وتحدث عناصر هذه البروتونات والنيوترونات تجتمع معًا لتشكيل أنوية أثقل.

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات

يوجد جسيم نهائي يكمل نداء الجسيمات في نموذج الفيزياء القياسي للجسيمات، والذي تم وصفه حتى الآن.

بوزون هيغز هو جسيم غريب، فهو ثاني أثقل جسيمات النموذج القياسي ويقاوم تفسيرًا بسيطًا، غالبًا ما يقال إنه أصل الكتلة، وهذا صحيح، فهو يعطي كتلة للكواركات، وتشكل الكواركات البروتونات والنيوترونات، لكن 2٪ فقط من كتلة البروتونات والنيوترونات توفرها الكواركات، والباقي من الطاقة الموجودة في الغلوونات.

في هذه المرحلة، اعتبر العلماء جميع الجسيمات المطلوبة في النموذج القياسي: ستة جسيمات قوية، و 24 جسيما، وجسيم هيغز واحد، وبالمجموع 31 جسيما أساسيا. على الرغم من معرفتنا المحدودة عنها، لم يتم قياس خصائصها بشكل كاف لنتمكن من القول بثقة أن هذه الجسيمات هي كل ما نحتاجه لبناء الكون الذي نراه حولنا، وبالتأكيد ليس لدينا إجابات شاملة. ومع ذلك، لا يزال النظرية غير صحيحة.

بذل العلماء في مجال الفيزياء النظرية الكثير من الجهد لإنشاء نظرية تقدم إجابات منطقية في جميع مستويات الطاقة، وتعطي نفس الإجابة مثل النموذج القياسي في جميع الظروف التي تم اختباره فيها، والتعديل الأكثر شيوعا يشير إلى وجود جزيئات ثقيلة جدا غير مكتشفة. وبما أنها ثقيلة، فإنها تحتاج إلى كمية كبيرة من الطاقة لإنتاجها. يمكن اختيار خصائص تلك الجسيمات الإضافية للتأكد من أن النظرية المقترحة تعطي إجابات منطقية في جميع مستويات الطاقة، ولكنها لا تؤثر على القياسات التي تتفق تماما مع النموذج القياسي.

 المادة المضادة: حقيقة الخيال العلمي

نحن ندرك أيضا وجود مادة مضادة، وهي مفهوم محبوب كثيرا في كتب الخيال العلمي، ولكنها موجودة بالفعل، إذ يتم تحريتها عادة عندما تتلاقى الجسيمات المضادة لتلك المادة، وعلى سبيل المثال، يتم استخدام البوزيترون (الجسيم المضاد للإلكترون) في الطب لرسم خريطة لأعضائنا الداخلية باستخدام التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، كما يعرف أن تفاعل جسيم ما مع جسيمه المضاد يؤدي إلى تحطيمهما معا وإطلاق طاقة، ويتم استخدام مسح التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني للكشف عن ذلك.

كل جسيم من جسيمات المادة يحتوي على جسيم شريك له نفس الكتلة ولكن بشحنة كهربائية معاكسة. لذلك، يمكننا ضرب عدد جسيمات المادة (ستة كواركات وستة لبتونات) بـ 4 للحصول على العدد النهائي الذي هو 24.

نعطي كواركات المادة عددا موجبا +1 ونعطي الكواركات المضادة للمادة قيمة سالبة -1. إذا جمعنا عدد الكواركات المادة مع عدد الكواركات المضادة للمادة، سنحصل على الصافي لعدد الكواركات في الكون، وهذا العدد لا يتغير أبدا. إذا كانت لدينا طاقة كافية، يمكننا إنشاء أيا من كواركات المادة طالما ننشئ كواركا مضادا للمادة في نفس الوقت. في بداية الكون، كانت هذه الجسيمات تتشكل باستمرار، والآن يتم إنشاؤها فقط في تصادم الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي للكواكب والنجوم.