فيزياء الجسيمات

محمد دماج · #1 05-04-2007, 23:57

- جسيمات المادة: Matter Particles

- المواد الكونية: Cosmic Matter

- مواد الطاقة العالية: High Energy Matter

- قوى الكون الأربعة : Forces in the Universe

- النموذج الاعتيادي: Standard model

- القوى التي تحمل الجسيمات: Forces Caries Particles

- أصل كتل الجسيمات:The Origin of Particles mass

-توحيد الاكترويك و القوة القوية : Unified the Electroweak and Strong force

- ماهية المادة المعتمة: Dark Matter

- المواد المتناظرة: Anti Matter

توصل العلماء إلى أن كل شيء في هذا الكون من مواد مكون أساسا من أساس بنائي أولي (Building Blocks) يسمى بالجسيمات الأولية ( Elementary Particles)، يربط بين هذه الجسيمات الأولية قوى أولية. بعض هذه الجسميات الأولية مستقر و يكون المواد و بعضها غير مستقر يعيش لأجزاء من الثانية ثم ما تلبث إلى أن تستقر. ويعتقد أن هذه الجسيمات الأولية قد تواجدت مباشرة قبل الانفجار العظيم و الذي يعتقد أنه أصل تكون الكون.

إن فكرة تكون المواد من الأساس البنائي كانت قبل حوالي 2000 عام، ففي ذلك الوقت كان يفترض بهذا الأساس البنائي بأن لا شكل له و لا يتكون من شيء أصغر منه.

جسيمات المادة: Matter Particles

هناك عائلتان لجسيمات المادة ( نوعان أساسيان) العائلة الأولى تسمى الكواركات ( Quarks) جمع كوارك و العائلة الثانية هي الليبتونات ( Leptons)، جمع ليبتون وكل أعضاء العائلتين بلا شكل يذكر.

بالنسبة لعائلة الكواركات فإنها تتكون من ستة أفراد مرتبة في ثلاثة مجموعات تبعا لكتلها و شحنتها هي:

فوق و تحت (up / down ).

ساحر و غريب ( Charm / Strange).

أعلى و أسفل ( Top / Bottom).

أما بالنسبة لعائلة الليبتونات فهي أيضا بها ست أفراد مرتبين في مجموعتين حسب الشحنة و الكتلة إلى:

جسيمات شحنتها سالبة وذات كتلة كبيرة: الإلكترون (Electron) و الميون (Muon)والتاو ( Tau).

وجسيمات متعادلة الشحنة وذات كتلة صغيرة: إلكترون نيوترينو ( Electron-neutrino) وميون نيوترينو (Muon-neutrino ) وتاو نيوترينو(Tau-neutrino).

هناك تصنيف آخر للعائلتين يمكن اتخاذه تبعا للسلوك التي تتخذه هذه الجسيمات إما خلال عملية التكون أو الانحلال و هي كالتالي:

المجموعة الأولى وفيها: ( الإلكترون / الإلكترون نيوترينو ) و ( فوق / تحت )، حيث أنها أخف الجسيمات وهي كل ما يحتاجه تكون المادة المستقرة في الكون و تسمى بالجيل الأول للمادة.

المجموعة الثانية و فيها: ( الميون / الميون نيوترينو ) و (ساحر/ غريب) و تسمى بالجيل الثاني للمادة.

المجموعة الثالثة و فيها: (تاو / تاو نيوترينو ) و (أعلى/ أسفل)، و يطلق عليها الجيل الثالث للمادة.

بالرغم من أن الجيل الأول أساسي لتكون المادة في الكون إلا أنها ليست كل ما نحتاجه لبناء الكون ككل. حيث أن العمليات أو التفاعلات ذات الطاقة العالية التي تحدث في الكون ينتج عنها جسيمات ذات فترة عمر قصير جدا و الذي يتطلب وجود الجيل الثاني و الثالث للجسيمات.

نعلم أن أي مادة في هذا الكون مكونة أساسا من ذرات العناصر الموجودة في الطبيعة ( مرتبة في الجدول الدوري)، إن كل ذرة من هذه الذرات تحوي إلكترونا سالب الشحنة يدور في مسار دائري حول نواة موجبة الشحنة. و النواة بحد ذاتها تتكون من أجزاء أصغر تسمى نويات ( nucleons) هي البروتونات الموجبة و النيوترونات المتعادلة. و يسمي العلماء أجزاء الذرة هذه بالجسيمات.

الإلكترونات تبدو أنها لا تتكون من أي جسيم أصغر منه لذا فيصنف على أنه جسيم أولي، أما البروتونات و النيوترونات فإنها مكونة من جسيمات أولية أصغر منهما ( ثلاثة في كل واحدة).

هذه الجسيمات هي كوارك فوق و كوارك تحت والنيوترينو (Neutrino)، يقوم هذا النيوترينو بالمساهمة بشكل أساسي في عملية تحول البروتون إلى نيوترون و العكس. حيث هذه التحولات التي تحدث في النواة مهمة جدا للمواد لنراها بصورتها الحالية و للشمس و النجوم لتظل متقدة.

خلاصة القول ما يلي: كل المواد من حولنا تتكون فقط من نوعين من الكوارك فوق و تحت حيث أنها هي من تكون البروتون و النيوترون كما أيضا يتطلب أيضا وجود نوعين من اللبتون وهما الإلكترون و الإلكترون نيوترينو، إن هذا النموذج أو الشكل السابق لمكونات المادة يعيد نفسه و لكن باستخدام جسيمات أثقل باستخدام جسيمات الجيل الثاني و الثالث كل على حدة.

المواد الكونية:Cosmic Matter

هذه الجسيمات الأولية الأربعة ( الإلكترون، كوارك فوق، كوارك تحت والنيوترينو )هي كل ما تحتاجه للمواد العادية التي نراها من حولنا لتتكون.

هناك مواد ليست عادية بحيث لا نراها بالعين هي المواد الكونية ( Cosmic Matter) العالية الطاقة و التي يمكن صنعها و تخليقها في المختبرات العلمية مع المادة المناظرة لها ( Antimatter) ( مواد لها نفس الكتلة و تتضاد في خصائص أخرى كالشحنة ).

جزء من الأشعة الكونية ( Cosmic Ray ) يخترق أجسادنا في كل ثانية من اليوم بغض النظر عن المكان الذي نتواجد فيه.

تتكون الأشعة الكونية من الجسيمات و هذه الجسيمات تكونت نتيجة لتصادم أنوية ذراي طاقة عالية ( بروتونات بشكل أساسي ) قادمة من الفضاء الخارجي مع البروتونات المتواجدة في الغلاف الجوي للأرض. و هذه الجسيمات ليست فقط بروتونات و إلكترونات و نيوترونات إنما أيضا أنواع أخرى من الجسيمات.

فالأشعة الكونية تحتوي أيضا على الميونات ( Muons )، و الميون هو جسيم سالب الشحنة كالإلكترون لكن أثقل ب 200 مرة منه. و على العكس من الإلكترون الذي لا ينحل لجزء أصغر و يبقى للأبد بهيئته فإن الميونات غير مستقرة حيث أنها تبقى لمدة 2.2 مايكروثانية ثم ما تلبث إلا أن تنحل إلى إلكترون واحدة و اثنان نيوترينو ( واحد إلكترون نيوترينو – وواحد نيون نيوترينو ) حيث يعتبر الاثنان الأخيران كنسخة موجبة و خفيفة من الإلكترون و الميون.

إن الميونات نفسها تكون ناتجة عن انحلال جسيمات أخرى ذات فترة عمر قصيرة كالبيون ( Pion) هذه البيونات تتكون من نوعين من الكوارك هما كوارك فوق و تحت بالإضافة إلى البيون هناك الكيون ( Kaon) و الذي يتكون من نوع ثالث من الكوارك و هو كوارك غريب ( Strange) .

خلاصة القول إذا أن الأشعة الكونية لا تتكون فقط من الالكترونات و البروتونات و النيوترونات إنما من جسيمات أخرى كالميونات و الكوارك و النيوترينو.

مواد الطاقة العالية : High Energy Matter

من الصعب التعامل مع الأشعة الكونية، حيث تصل هذه الأشعة الكونية للأرض بصورة غير متوقعة و بطاقات مختلفة و من كل الاتجاهات. و الطريقة الوحيدة لدراستها تحت ظروف متحكم بها هو باستخدام المعجلات.

لقد ساعدت المعجلات فيما سبق باكتشاف أنواع جديدة من الجسيمات الأولية منها تاو ( Tau) و هو جسيم سالب الشحنة تماما كالإلكترون و الميون لكن أثقل ب 3550 مرة عن الإلكترون و يعيش لفترة تساوي ثلث مليون المليون من الثانية (0.3 x 10-12 s ) ثم بعدها يتحول لإلكترون أو لميون أو حتى لبيون المهم لجسيم أخف منه و في نفس الوقت أيضا يتكون النيوترينو الخاص به ألا و هو تاو نيوترينو ( Tau Neutrino).

هناك جسيمات أخرى تنتج من الاصطدامات عالية الطاقة. لكنها لا تكون أولية و ذلك لتكونها من الكوارك.

الجسيمات الثقيلة تتكون من كوارك ثقيلة و التي فقط تتكون في الطاقات العالية، هذه الكواركات هي كوارك ساحر (Charm) وأسفل (Bottom) وأعلى ( Top ) .

قوى الكون الأربعة : Forces in the Universe

الجسيمات الأولية ترتبط مع بعضها لتكون لنا تراكيب بكل المقاسات كالبروتون و الذي يتكون من ثلاث جسيمات أولية ثم من البروتون إلى الذرة ثم الجزيئات من ثم السوائل و المواد الصلبة وصولا إلى المجموعات الكبيرة في النجوم و لمجرات. و يحدث هذا عن طريق أربع تفاعلات أساسية تقوم بها أربع قوى أساسية في الكون.

أشهر أنواع هذه القوى هي قوة الجاذبية، التي تمكن أرجلنا من البقاء على الأرض و التي تمكن أيضا الكواكب من البقاء في مساراتها في الفضاء حول النجوم، لكن تأثير هذه القوة طفيف جدا على الجسيمات المفردة بحد ذاتها حيث فقط يظهر أثرها على الأجسام الأكبر كالانسان مثلا ( لذا يفضل أحيانا استبعادها من مجموعة القوى الأربع الأساسية).

و بالتركيز على النواة و بالتحديد على النويات الموجودة بداخلها سنتعرف على نوعين من القوى الأربع هما القوة الضعيفة (Weak Force ) والقوة القوية ( Strong force ).

القوة الضعيفة هي التي تتدخل في عملية انحلال النيوترون ( و التي تفسر انطلاق النشاط الإشعاعي للمواد) و تسمح أيضا بتحول البروتون إلى نيوترون (المسؤول الأساسي عن الاحتراقات الداخلية في مركز النجم ).

القوة القوية هي المسؤولة عن تماسك الكوارك مع بعضها سواء في البروتون أو النيوترون أو في أي جسيم آخر. كما أنها تعمل على منع تشتت أو تباعد البروتونات عن بعضها البعض ( لوجود قوة التنافر بين البروتونات الموجبة ) إن مقدار القوة القوية مئة مرة ضعف مقدار قوة التنافر بين البروتونات.

القوة القوية لها ميزة معينة حيث أن مقدارها يزيد بزيادة المسافة، والكواركات لا توجد منفردة بل مرتبطة مع بعضها لتكون الجسيم. حيث كلما حاولت إحداث تباعد بين الكوراكات فإن القوة التي تربطهم ( القوة القوية ) تزيد في مقدارها، و هذا يخالف تماما ما يحدث في قوة الجاذبية و القوة الكهرومغناطيسية حيث يقل مقدار تأثيرهما مع زيادة المسافة.

النموذج الاعتيادي: Standard model

أوجد الفيزيائيون و المكتشفون خلال القرون الماضية صورة متعارف عليها للتركيب الأساسي للمادة و الذي يسمى ب: النموذج الاعتيادي للجسيمات و القوى الأربع. حيث يفترض النموذج وجود 12 نوع لجسيمات المادة هي: فوق و تحت (up / down )، ساحر و غريب ( Charm / Strange)، أعلى و أسفل ( Top / Bottom)، الإلكترون (Electron) و الميون (Muon)والتاو ( Tau)،إلكترون نيوترينو ( Electron-neutrino) وميون نيوترينو (Muon-neutrino ) وتاو نيوترينو(Tau-neutrino).

و أربع قوى هي: الجاذبية ( Gravitation)، القوة الضعيفة (Weak Force )، القوة القوية ( Strong force ) و القوة الكهرومغناطيسية ( Electromagnetic Force).

و تفسر كلها مجتمعة مكونات المادة وتفاعلاتها.

إن فرضية النموذج الاعتيادي للمادة تم اختبارها بعدة طرق للتأكد من صحتها حيث تم بفضلها تفسير العديد من الظواهر الفيزيائية المهمة مما يؤكد أكثر على صحتها. لكن هذا لا يشبع الفيزيائيين حيث أنهم يعمدون الآن لاكتشاف ما وراء النموذج الاعتيادي للمادة لثقتهم العمياء أن مجال العلوم واسع ولا ينضب.

القوى التي تحمل الجسيمات: Forces Caries Particles

إن القوى الأربع السابقة تتفاعل مع الجسيمات عن طريق تبادل نوع خاص من حاملة القوى للجسيمات تسمى بالبوزونات ( Bosons) و البوزون يحمل مقدار كمي ( متقطع ) من الطاقة من جسيم لآخر، كل قوة من القوى السابقة الثلاث لها نوع معين من حاملات الطاقة (البوزونات) كالتالي:

جليون ( Gluon ) : وهو اسم البوزون الخاص بالقوة القوية.

الفوتونة ( Photon ) : هو اسم البوزون الخاص بالقوة الكهرومغناطيسية.

و / ز (W/ Z) : وهو اسم البوزون الخاص بالقوة الضعيفة.

إن من أعظم نجاحات النموذج الاعتيادي للمادة هو توحيد نوعين من القوى هما القوة الكهرومغناطيسية و القوة الضعيفة بما يسمى بقوة الإليكتروويك ( force electroweak)، و هذا الإنجاز شبيه بتوحيد القوة الكهربائية و المغناطيسية لتتكون القوى الكهرومغناطيسية.

حاليا فإن ما يشغل الفيزيائيين هو إدراج القوة القوية في ما يسمى ب نظرية الاتحاد المدهشة (Grand Unified Theory). كما أنهم يفكرون أيضا بإدخال الجاذبية في هذا الاتحاد و بالتالي تدمج جميع القوى في قوة واحدة و كل هذا يحتاج لجهد جهيد من الأبحاث و التجارب قبل الاستهلال به.

أصل كتل الجسيمات:The Origin of Particles mass

للجسيمات مدى واسع من الكتل، الفوتونات و الجليونات عديمة الكتلة بينما البوزون ز / و يمتلكان كتلة مقدارها 80 إلى 90 بقدر كتلة البروتون. و جدير بالذكر أن أكبر الجسيمات من حيث الكتلة هو كوارك أعلى حيث كتلته ضعف كتلة البوزون ز و يزن بما يعادل وزن نواة عنصر الذهب.

ما أصل كتل الجسيمات يا ترى؟

طبقا للنموذج الاعتيادي للمادة فإن الجسيمات تحصل على كتلتها تبعا لعملية تسمى بال هيجز (Higgs) و سميت بذلك للصقها بالعالم الذي وضع هذه النظرية. حيث تنص هذه النظرية أن جسيمات المادة وحاملات الطاقة ( البوزونات) تتفاعل مع جسيمات مستحدثة جديدة تسمى بال هيجز بوزون ( Higgs Boson )، إن قوة هذا التفاعل هو الذي يعطي الجسيمات كتلة، وكلما كبرت قوة هذا التفاعل زادت كتلة الجسيم.

توحيد الاكترويك و القوة القوية : Unified the Electroweak and Strong force

يتطلع العلماء الآن لتوحيد القوة القوية مع قوة الاكترويك ( ناتجة من اتحاد القوة الكهرومغناطيسية و القوة الضعيفة).

التجارب أوضحت أن القوة القوية يقل تأثيرها كلما زادت الطاقة و هذا مفاده أنه عند الطاقات العالية فإن الأنواع الثلاثة من القوى ( القوية و الضعيفة و الكهرومغناطيسية ) سيصبحون بلا أي فرق بين بعضهم.

و للأسف فإن ما نتحدث عنه كمية كبيرة تقدر بآلاف المليون من الطاقة و التي حتى معجلات الجسيمات الحديثة لا تستطيع الوصول لها. و يفترض أن هذه الطاقة وجدت بفترة زمنية صغيرة جدا قبل الانفجار العظيم (10-34 ثانية ).

لكن جدير بالذكر أن الفرضية السابقة معقولة في الطاقات القليلة أيضا بحيث يمكن إجراؤها في المختبرات العلمية العادية و لكنها تحتاج إلى نوع من التناظر الطبيعي في القوانين و الذي يحتاج بدوره لوجود جسيم خارق ( super particle) و الذي يمكن ملاحظته و اكتشافه من تجربة أكبر كصادم للبروتونات.

ما هي المادة المعتمة: Dark Matter

الحسابات و الاكتشافات الفلكية أثبتت أن 90% و ربما أكثر من الكون غير مرئي ( لا يبعث موجات كهرومغناطيسية ) فسمى العلماء هذا الجزء الغير مرئي من الكون بالمادة المعتمة أو المظلمة ( Dark matter) . ما جعل العلماء يعتقدون بوجودها أيضا هو وجود جاذبية لهذه المادة مما يفسر السلوك الذي تتخذه بعض الأجرام السماوية كالنجوم وبتوضيح أكثر، فإن النجوم تتحرك بصورة أسرع عند مرورها في المادة المعتمة مما تبديه من سرعة عند مرورها في الجزء المرئي من الكون كالمجرات.

المواد المتناظرة: Anti Matter

المادة ( Matter) والمادة المناظرة ( Antimatter) هما عكس بعض بالتمام. بحيث لكل جسيم أولي في المادة يوجد جسيم آخر مناظر له في الناحية الأخرى يخالفة في الخصائص كالشحنة و يطابقه فقط في الكتلة. فمثلا الإلكترون نظيرة البوزترون ( لهما نفس الكتلة و متعاكسان في الشحنة ) و البروتون نظيره الأنتي بروتون ( Antiproton ) .

عندما تتحد المادة و المادة المناظرة لها فإنهما يختفيان ( Annihilate)، و الطاقة التي تظهر تكون على شكل فوتونات ( Photons) أو على شكل زوج آخر من جسيم و نظير الجسيم ( Particle and Antiparticle).

يعتقد العلماء أنه عند نشأة الكون أي منذ حوالي 13.7 بليون سنة فإن كمية متطابقة من المواد و المواد المناظرة تكونت في نفس الفترة.

لكن ما لاحظه العلماء أن المواد هي ما يوجد حولنا الآن و أن المواد المناظرة غير موجودة مما يجعلهم في حيرة كبيرة وتحيط بهم مجموعة من الأسئلة كـ: أين ذهبت المواد المناظرة ؟ و لم لم تختفي تماما مع المادة بل تركت خلفها طاقة على شكل فوتونات ؟

محمد دماج