[ماجد طه]

بعض المفاهيم حول الجسيمات الأولية

مقدمة :

المادة هي كل جسم يتألف من ترابط أعداد هائلة من الذرات , له أبعاد فراغية وحالة فيزيائية معينة ( صلبة , سائلة , غازية , بلاسمية ) , يحتل حيزاً من الفراغ , يتمتع حكماً بوزن وكثافة وحجم وكتلة وما إلى ذلك من المعايير الفيزيائية التي تميز المواد , وتخضع هذه المواد بحكم عطالتها لقوانين الطبيعة كالجاذبية الأرضية وقوانين الحركة والإحتكاك , وخاصية التـحولات الفــيزيائيــة الترموديناميكية ( الحرارية ) بين حالات المادة المذكورة أعلاه , وكذلك فإن معظم المواد لها قابلية الدخول في التفاعلات الكيميائية فيما بينها لتشكيل مركبات جديدة .

وقد كشفت الفيزياء الحديثة الطبقات الأعمق للتركيب في المادة العادية , حيث تبين أن الــــــــمادة مركبة من جسيمات بالغة الصـغر دعيت بالذرات , والذرات بدورها مكونة من نوى صغيرة تحيط بها غيمة من الجسيمات الأصغر دعيت بالإلكترونات , والنوى مكونة كذلك من جسيمات أصغر هي البروتونات والنيترونات والذي كان يُعتقد بأنها أصغر الجســــــــيمات الذرية واستمر هذا الإعتقاد حتى أواخر القرن الماضي حيث تبين أن البروتونات والنيترونات تتألف من جســـــــيمات أصغر دعيت ( الكواركات ) .

نلاحظ في الصورة التالية تركيب المادة إلى البنية ما تحت الذرية

[ماجد طه]

لقد حدث في العقود الأخيرة من القرن الماضي تزاوج بين فرعين من فروع العلم وهما علم الكون وعلم فيزياء الجسيمات الأولية , في رابطة تآزرية تولد عنها عدد من النتائج المثيرة , وقد بدأت هذه النتائج إعطاء صورة عن خلق الزمكان والمادة في آونة سحيقة وقعت خلال جزء من ترليون ترليون ترليون جزء من الثانية الأولى بعد انبثاق العالم الكوني من الإنفجار البدئي المعروف باسم الإنفجار العظيم ( Big Bang ) ( الترليون = 1000مليار ) , بل أن هناك دلائل مهمة عن طبيعة الإنفجار العظيم نفسه يمكن أن تنتج من نظرية يجري تطويرها اشتهرت باسم ( نظرية كل شيء Theory Of Everything ) النهائية. إن من شأن هذه النظرية أن تصف في عملية كاملة وجريئة كل التفاعلات التي تحدث بين الجسيمات .

وقد بدأ اليوم علم الكون الجديد بتقديم نبؤات عن فيزياء الجسيمات الأولية , وأصبح التفكير ممكناً بأن يتاح اختبار النبؤات الكونية في تجارب مقارنة دقيقة تستخدم المسرعات الجزيئية وقد شهدت النتائج الأولية على صحة نبؤات علم الكون , وإن الوليد الأول الذي خرج من تزاوج علم الكون وفيزياء الجسيمات هو تحديد أن عدد الجسيمات الأولية لابد أن يكون محدوداً خلال التفاعلات النووية التي حدثت في أثناء الثانية الزمنية الأولى تقريباً من عمر الكون وإلا لكان العالم الكوني مختلفاً عما هو عليه الآن .

ولكي نشرح كيف تضع الإعتبارات الكونية حدوداً لعدد أنواع الجسيمات الأولية لابد أولاً من إلقاء نظرة قصيرة على فيزياء الجسيمات , ففي النصف الثاني من القرن الماضي تبين من التجارب التي تستخدم مسرعات الجسيمات أن الجسيمات الأساسية يمكن أن تجمل في صنفين كبيرين :

- الفرميونات Fermions
- والبوزونات Bosons

التسمية أتت تخليداً لإسمي العالمين الإيطالي الأمريكي إنريكو فيرمي والهندي س . ن بوز
والفرميونات هي الجسيمات التي تتشكل منها المادة , أما البوزونات فهي حاملة القوى بين الجسيمات .

وتنقسم الفرميونات بدورها إلى زمرتين :

- الكواركات Quarks
- واللبتونات Leptons

إن كلمة كوارك جاءت من جملة غريبة وردت في رواية لـ جيمس جويس بعنوان Finnegans Wake تقول ثلاثة كواركات للسيد مارك .

أما كلمة لبتون فمشتقة من كلمة يونانية وتعني جسيماً صغيراً .

الكوارك :

هو أصغر جزء معروف في بناء المادة , الكواركات لايمكن أن تتواجد منفردة , لأنها تتواجد دائماً في اتحادات مع كواركات أخرى في جزيئات أكبر للمادة , وقد استطاع العلماء من خلال دراسة هذه الجزيئات الأكبر أن يحددوا الخصائص المميزة للكواركات .

إن الجزيئات التي تتشكل منها نواة الذرة وهي البروتونات والنيترونات تتألف من الكواركات , حيث أنه بدون الكواركات سوف لن يكون هناك ذرة , وبالتالي سوف لن يكون هناك مادة .


يوجد 6 أنواع من الكواركات هي :

- الكوارك الأعلى ( up )
- والكوارك الأسفل ( down)
- والكوارك الساحر ( charm )
- والكوارك الغريب ( strang )
- والكوارك العلوي ( top )
- والكوارك السفلي ( bottom )


وتتميز الكواركات بكتلة معينة وشحنة كهربائية , ويعتقد العلماء بأن هذه الأنواع الستة من الكواركات قد وجدت مباشرة إثر الإنفجار العظيم الذي انبثق عنه الكون .

ويوجد للكواركات جسيمات أولية مضادة تدعى الكواركات المضادة anti quarks , التي تتحد لتشكل المادة المضادة والتي لا وجود لها في الطبيعة على الأرض , لكن غالبية العلماء تعتقد بوجود هذه المادة المضادة ولو بشكل نادر في الكون لكن الفيزيائيون فد تمكنوا من إنتاج هذه المادة المضادة في المختبرات .

تتحد الكواركات مع بعضها لتشكل نوعاً من الجسيمات الأولية والتي تدعى الهادرونات ( hadrons ) , نوعين فقط من الهادرونات تم العثور عليهما في الطبيعة وهما الباريون ( baryon ) والميزون ( meson ) .

يتضمن الباريون ثلاثة كواركات , بينما يتضمن الميزون كوارك وكوارك مضاد , علماً أن نظرية الميكانيك الكوانتي لم تحظر من وجود اتحادات أخرى , حيث أن العلماء بدأوا بالبحث عنه فعلياً منذ عام 2003 واقترحوا تسميته الكوارك الخماسي ( penta quark ) لأنه يتألف من خمسة كواركات .

البروتونات والنيترونات هي عبارة عن باريونات , حيث أن البروتون يتألف من كواركين علويين ( up ) وكوارك سفلي ( down ) , والشحنة الكهربائية على هذه الكواركات تشكل شحنة البروتون الموجبة , بينما النيوترونات تحتوي على كوارك واحد علوي ( up ) واثنين من الكواركات السفلية ( down ) والشحنات التي تحملها هذه الكواركات تتعادل مع بعضها بحيث تنعدم بالمحصلة شحنة النيوترون .

لقد أكتشف الفيزيائيون الميزونات خلال دراسة الأشعة الكونية , وهي عبارة عن جزيئات طاقة عالية تنشأ في الفضاء وتخترق الميزونات الغلاف الجوي للأرض , وهي تتألف إما من كوارك واحد علوي ( up ) وكوارك مضاد سفلي ( down ) ويحمل الميزون عندها الشحنة الموجبة , أو كواركاً واحداً سفلياً ( down ) وكواركاً مضاداً علوياً ً ويحمل عندها الشحنة السالبة , أو كواركاً علوياً وكواركاً مضاداً علوياً أيضاً وعندها يكون عديم الشحنة ( متعادل ) , والميزونات تتميز بفترة حياة قصيرة جداً قبل أن تتحول إلى جسيمات أولية أخرى .

كما أوجد العلماء معملياً نوعاً آخراً من الميزونات أطلقوا عليه اسم الكاون ( kaon ) , وتحتوي كل الكاونات أيضاً على الكوارك المسمى الغريب ( strange ) أو الكوارك المضاد له كذلك , وهي مثلها مثل الميزونات يمكن أن تأخذ الشحنة الموجبة أو السالبة أو أن تكون متعادلة , وهي أيضاً تتميز بعمر قصير جداً قبل أن تتحول إلى جسيمات أخرى.

إن القوة التي تربط الكواركات مع بعضها البعض في الهادرونات وتربط هذه الأخيرة مع مثيلاتها من الهادرونات هي إحدى القوى النووية والتي تدعى القوة شديد ( strong ) , هذه القوة تعمل أيضاً على ربط كل من البروتونات والنيترونات مع بعضها في نواة الذرة , وتؤثر الكواركات إحداها على الأخرى من خلال قوة ( شديد strong ) عن طريق تبادل الغلونات ( gluons ) , وهي جزيئات طاقية حاملة القوة ( شديد ) , والغلونات تعمل على ربط الكواركات مع بعضها بواسطة تغيير إحدى خصائص الكواركات والتي تدعى شحنة اللون , حيث يمكن للكواركات أن يكون لها شحنة لونية حمراء أو خضراء أو زرقاء بينما يمكن أن يكون للكواركات المضادة شحنة لونية مضادة للحمراء ( cyan ) أو مضادة للخضراء ( magenta ) , أو مضادة للزرقاء ( yellow )

يبين الشكل بنية البروتون والنيوترون اللذان يشكلان ما يعرف بالباريونات وكذلك الكاونات الموجبة والسالبة واللتان تشكلان ما يعرف بالميزونات وتظهر بنية البروتون المؤلفة من ثلاثة كواركات هي اثنان يدعيان علوي ( up ) وواحد يدعى سفلي ( down ) وكذلك بنية النيوترون المؤلفة من ثلاثة كواركات أيضاً هي اثنان يدعيان سفلي ( down ) وواحد يدعى علوي ( up ) , وكذلك تظهر بنية الكاون الموجب والسالب و المؤلفة من كواركين أحدهما يدعى علوي والآخر يدعى غريب ( strang ) .

[ماجد طه]

توليد أو تخلّق المادة نتيجة التصادمات العنيفة للجسيمات الأولية

الشكل a : يبين بنية البروتون الذي يحتوي على 3 جزيئات تدعى الكواركات , ترتبط هذه الكواركات مع بعضها البعض بالقوة النووية المسماة ( شديد ) وجزيئات الطاقة المسماة غلونات المتبادلة بين هذه الكواركات هي عبارة عن حوامل للطاقة النووية ( شديد ) المتواجدة بين الكواركات وتسلك الغلونات سلوك النابض الذي يؤمن ترابط الكواركات من جهة ويحافظ على المسافات الفاصلة بين هذه الكواركات نتيجة مقاومته للإنضغاط من جهة أخرى .

[ماجد طه]

توليد أو تخلّق المادة نتيجة التصادمات العنيفة للجسيمات الأولية

الشكل b : يبين البروتون بعد التصادم مع جزيئة أخرى , حيث أن طاقة التصادم الناتجة تقذف بأحد الكواركات الثلاثة بعيداً عن الآخرين , والغلونات المتبادلة بين هذا الكوارك والإثنين الآخرين تسلك سلوك النابض المتمدد عن طريق زيادة قوة ( شديد ) بين ذلك الكوارك المقذوف والكواركين الآخرين .

[ماجد طه]

توليد أو تخلّق المادة نتيجة التصادمات العنيفة للجسيمات الأولية

الشكل c : يبين تشكل الكوارك والكوارك المضاد نتيجة التصادمات العنيفة جداً مثل التي تحدث في المسرعات الجزيئية فإن الطاقة الناتجة عن التصادم والتي تحملها الغلونات ( بين الكوارك المقذوف والكواركين الآخرين ) تتحول إلى مادة وبدلاً من ترك الكوارك المقذوف ينفلت تقوم الغلونات بتشكيل زوج جديد من الجزيئات هما( كوارك وكوارك مضاد جديد ) الكواركات المضادة هي ( مادة ضد ) نظراء للكواركات

[ماجد طه]

توليد أو تخلّق المادة نتيجة التصادمات العنيفة للجسيمات الأولية

الشكل d : يبين تشكيل جزيء جديد وذلك عندما نتج عن التصادم تشكيل كوارك وكوارك مضاد جديد فإن هذين الزوجين يشكلان جزيئة جديدة تدعى ( ميزون ) , بعض الأنواع من الميزونات تتشكل في الغلاف الجوي للأرض نتيجة الإصطدام بين الجزيئات الآتية من الفضاء الخارجي مع ذرات الغلاف الجوي للأرض .

[ماجد طه]

إن التفاعلات التي تحدث بين شتى الجسيمات تحكمها أربع قوى أساسية , كل قوة منها محمولة على بوزون منفصل أو على مجموعة بوزونات , فالفوتون أو ( الكم Quantum ) الضوئي , يحمل القوة الكهرومغناطيسية بين الشحنات الكهربائية , والكرافيتون Graviton يحمل القوة التثاقلية بين الكتل , والقوة النووية ( شديد strong ) تربط بين الكواركات محمولة على ثمانية غليونات Gluons , في حين أن القوة النووية ( ضعيف weake ) المسؤولة عن بعض التفككات النووية محمولة على بوزونات وسيطة متجهة , ويبدو في الوقت الحاضر أن كل التفاعلات التي تحدث في هذا الكون يمكن اختزالها في اتحادات من هذه التفاعلات الأربعة .

إن السمة الأكثر إثارة على طريق تطور فيزياء هذا القرن , كانت البرهان على أن توحيد هذه القوى يبدأ عند الطاقات العليا أو درجات الحرارة العليا , وبصورة خاصة أثبتت التجارب التي تمت في سيرن CERN ( المختبر الأوربي لفيزياء الجسيمات في جنيف ) , أن القوتين الضعيفة والكهرومغناطيسية تجتمعان في قوة واحدة تسمى ( كهروضعيفة ) وذلك عندما تتجاوز طاقة التفاعل القيمة 100 Gev ( كل 1 Gev غيغاإلكترون فولت = 1000000000 ev مليار إلكترون فولت ) , وهذه الطاقة تتوافق مع درجة الحرارة التي كان عليها الكون بعد حوالي 0.00000000001 ثانية من الإنفجار العظيم والتي تقدر بـ 4 ترليون مرة الحرارة على سطح الأرض الآن , وبعد هذا الإكتشاف تعزز الأمل في إمكانية أن تنضم القوة الشديدة إلى القوة الكهروضعيفة عند طاقة قيمتها 1000000000000000 Gev أي ألف ترليون غيغا إلكترون فولت تقريباً وذلك في إطار نظرية توحيد شاملة ( Grand Unified Theory. ) ومن ثم تنضم عند حوالي 10000000000000000000 Gev أي (10مليون ترليون ) قوة الثقالة لتؤلف كلها معاً قوة واحدة وحيدة في إطار ما أسميناه ( نظرية كل شيء ) .

ولقد أكتشف حتى الآن بضع عشرات من هذه الجسيمات الأولية والتي تتمتع بصفات غريبة جداً , فمعظمها غير مستقر وحياتها تقاس بأجزاء المليار من الثانية , ثم تتحول إلى دقائق أولية أخرى بشكل عفوي أو يمكن أن تتلاشى في حين يمكن أن يولد ( ينشأ ) البعض الآخر , ويعتبر التحول المتبادل بين الدقائق الأولية أحد القوانين المميزة والخاصة بعالم هذه الجسيمات , وأهم ما يميز هذه الجسيمات هو شحنتها الكهربائية وكتلتها , إذ يوجد ثلاثة أنواع من الدقائق الأولية :

1 ـ دقائق إيجابية الشحنة , 2 ـ دقائق سلبية الشحنة , 3 ـ دقائق معتدلة الشحنة
وتمتلك الدقائق المشحونة نفس القيمة المطلقة للشحنة إما ( - e ) أو ( + e ) حيث e واحدة الشحن الكهربائية وتساوي 1.6 × 10 أس - 19 كولون , وتختلف كتل هذه الدقائق في حالة السكون عن بعضها كثيراً وتتراوح بين ( صفر و 2600 ) كتلة إلكترونية
( الكتلة الإلكترونية أي كتلة الإلكترون تساوي 9.11 × 10 أس - 28 غ )

وقد تبين أنه توجد مقابل كل جسيمة أولية جسيمة مضادة لها تختلف عنها بإشارة الشحنة إذا كانت هذه الجسيمات مشحونة أو بالعزم المغناطيسي والميكانيكي لكمية الحركة ( اللف الذاتي أو الـ Spin ) وتتساوى معها بالكتلة , ويتلاشى كل زوج من هذه الدقائق ( أي الجسيمة وعكسها ) عندما تصطدم إحداها بالأخرى متحولة إلى جسيمات ذات طبيعة أخرى , وتسمى هذه العملية بتلاشي الأزواج .

شكراً لإطلاعكم وأتمنى الفائدة للجميع إنشاء الله

[ابو غازي]

جزاك الله خير موضوع جميل جداً ومفيد وجزاك الله الف خير

[عادل الثبيتي]

يعطيك العافيه وبارك الله فيك وجزاك الله خيــــــــــراً ،،،

[kingstars18]

[GRADE="00008B FF6347 008000 4B0082"]

شكرا لك وبارك الله فيك،،

[/GRADE]