هيجز بوزون.. جسيم الرب! الجزء الثاني

سلسلة هيجز بوزون.. جسيم الرب! الجزء الثاني

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
كنا قد تحدثنا في بداية هذه السلسلة عن هيجز بوزون وعلمنا بشكل مبدئي أنه قد أحدث ضجة كبيرة عند اكتشافه، وتحدثنا في البداية عن علم فيزياء الجسيمات، وشرحنا ما هي القوى الأربعة التي تربط الجسيمات بعضها ببعض، أما الآن فسوف نوضح تصنيفات الجسيمات لنكمل رحلة هيجز بوزون.

تصنيفات الجسيمات الأوليّة

يوجد عدد كبير من الجسيمات دون الذريّة في الطبيعة، يمكن تصنيف هذه الجسيمات بطريقتين: خاصية الدوران والمشاركة في القوى الأساسيّة الأربعة، تذكر أن دوران الجسيم يماثل دوران جسم مجهري حول محوره. يتم وصف هذه الأنواع من التصنيف بشكلٍ منفصل أدناه.[1]

التصنيف عن طريق الدوران

يمكن تقسيم جسيمات المادة إلى فرميونات وبوزونات، الفرميونات لها دوران نصف متكامل، والبوزونات لها دوران متكامل، من الأمثلة المألوفة للفرميونات: الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات، مثال مألوف للبوزون هو الفوتون، الفرميونات والبوزونات يتصرفان بشكل مختلف تمامًا في المجموعات، على سبيل المثال: عندما تنحصر الإلكترونات في منطقة صغيرة من الفضاء، ينص مبدأ استبعاد باولي على أنه لا يوجد إلكترونان يمكنهما احتلال نفس الحالة الميكانيكية الكمية، ومع ذلك عندما تنحصر الفوتونات في منطقة صغيرة من الفضاء، فلا يوجد مثل هذا التحديد.[1]

يمكن فهم سلوك الفرميونات والبوزونات في مجموعات من حيث خاصية عدم التمييز، يقال إن الجسيمات “لا يمكن تمييزها” إذا كانت متطابقة مع بعضها بعضًا، على سبيل المثال، لا يمكن تمييز الإلكترونات لأن كل إلكترون في الكون له نفس الكتلة والدوران تمامًا مثل جميع الإلكترونات الأخرى -“عندما رأيت إلكترونًا واحدًا، كنت قد رأيتهم جميعًا”- إذا قمت بتبديل جسيمين لا يمكن تمييزهما في نفس المنطقة الصغيرة من الفضاء، فلن يتغير مربع الدالة الموجية التي تصف هذا النظام ويمكن قياسها، وإذا لم يكن الأمر كذلك، فيمكننا معرفة ما إذا كانت الجسيمات قد تم تبديلها أم لا ولن يكون الجسيم غير قابل للتمييز حقًا. تختلف الفرميونات والبوزونات حسب ما إذا كانت إشارة الدالة الموجية (psi) -ليست ملحوظة بشكل مباشر- تنقلب:[1]

(الفرميونات التي  لا يمكن تمييزها) و(البوزونات التي لا يمكن تمييزها).[1]

يقال إن الفرميونات “غير متماثلة عند التبادل” والبوزونات “متماثلة في التبادل”، ومبدأ استبعاد باولي هو نتيجة التناظر التبادلي للفرميونات -وهو ارتباط نشأ في مسار أكثر تقدمًا في الفيزياء الحديثة، ويعتمد التركيب الإلكتروني للذرات على مبدأ استبعاد باولي، وبالتالي فهو مرتبط بشكل مباشر بعدم القدرة على تمييز الإلكترونات.[1]

التصنيف حسب تفاعلات القوة

يمكن تقسيم الفرميونات إلى كواركات ولبتونات. يتمثل الاختلاف الأساسي بين هذين النوعين من الجسيمات في أن الكواركات تتفاعل عبر القوة الشديدة ولا تتفاعل اللبتونات. يتم تنظيم الكواركات واللبتونات (بالإضافة إلى البوزونات التي ستتم مناقشتها لاحقًا)، يحتوي الصفان العلويان على ستة كواركات، يتم ترتيب هذه الكواركات في مجموعتين من الجسيمات: أعلى، ساحر، وأعلى (u ، c ، t)، وأسفل، غريب، وأسفل (d ، s ، b)، يشترك أعضاء نفس عائلة الجسيمات في نفس الخصائص ولكن يختلفون في الكتلة، على سبيل المثال، كتلة كوارك القمة أكبر بكثير من كوارك الساحر، وكتلة كوارك الساحر أكبر بكثير من كوارك علوي، تتفاعل جميع الكواركات مع بعضها بعضًا من خلال القوة النووية القوية.[1]

عائلات الجسيمات دون الذرية، مصنفة حسب أنواع القوى التي تتفاعل معها.[1]

تتكون المادة العادية من نوعين من الكواركات: الكواركات العلوية والكوارك السفلي، الكواركات الأثقل غير مستقرة وتتحلل بسرعة إلى الكواركات الأخف من خلال القوة الضعيفة، تتحد الكواركات معًا في مجموعات مكونة من ثنائيات وثلاثية تسمى الهادرونات عبر القوة الشديدة، تسمى الهدرونات التي تتكون من كواركين الميزونات، وتسمى تلك التي تتكون من ثلاثة كواركات باريونات، تشمل أمثلة الميزونات البيون والكاون، وتشمل أمثلة الباريونات البروتون والنيوترون المألوفين. البروتون هو كواركان علويان وكوارك سفلي والنيوترون واحد كوارك علوي واثنين من الكواركات السفلية، ترد خصائص عينة الميزونات والباريونات في (الشكل)، تشارك الكواركات في جميع القوى الأساسية الأربعة: القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية والجاذبية.[1]

يحتوي الصفان السفليان على ستة لبتونات مرتبة في عائلتين من الجسيمات: الإلكترون، والميون، والتاو (e ، \ ​​mu ، \ tau)، ونيوترينو الإلكترون، ونيوترينو (muon)، ونيوترينو تاو {e}، {mu}، _ { tau})، الميون أثقل بـ 200 مرة من الإلكترون، لكنه يشبه الإلكترون. يبلغ وزن tau نحو 3500 مرة من الإلكترون، ولكنه يشبه الميون والإلكترون، بمجرد إنشائه، يتحلل الميون والتاو بسرعة إلى جسيمات أخف من خلال القوة الضعيفة، لا تشارك اللبتونات في القوة القوية، تشارك اللبتونات في القوى الضعيفة والكهرومغناطيسية والجاذبية، لكنها لا تشارك في القوة الشديدة.[1]

البوزونات هي ناقلات القوة للفرميونات، تتفاعل اللبتونات والكواركات مع بعضها بعضًا بإرسال واستقبال البوزونات، على سبيل المثال، يحدث تفاعل كولومبيك عندما يقوم جسيمان موجبان الشحنة بإرسال واستقبال (تبادل) فوتونات، يقال إن الفوتونات “تحمل” القوة بين الجسيمات المشحونة. وبالمثل، يحدث التجاذب بين كواركين في نواة الذرة عندما يرسل كواركان ويستقبلان الغلوونات، تشمل الأمثلة الإضافية بوزونات W وZ (التي تحمل قوة نووية ضعيفة) والجرافيتونات (التي تحمل قوة الجاذبية). بوزون هيغز هو جسيم خاص: عندما يتفاعل مع الجسيمات الأخرى، فإنه لا يمنحها القوة ولكن بالكتلة. بعبارة أخرى، يساعد بوزون هيغز في تفسير سبب امتلاك الجسيمات للكتلة، هذه التأكيدات جزء من نموذج علمي مؤقت ولكنه مثمر للغاية (النموذج القياسي). [1]

220px Particles and antiparticles.svg

الجسيمات والجسيمات المضادة

في أواخر العشرينيات من القرن الماضي، تم دمج النظرية الخاصة للنسبية وميكانيكا الكم في نظرية الكم النسبية للإلكترون، كانت النتيجة المفاجئة لهذه النظرية هي التنبؤ بحالتين من الطاقة لكل إلكترون: إحداهما مرتبطة بالإلكترون، والأخرى مرتبطة بجسيم آخر له نفس كتلة الإلكترون ولكن بشحنة {+}، يسمى هذا الجسيم المضاد للإلكترون أو البوزيترون، تم اكتشاف البوزيترون تجريبيًّا في الثلاثينيات.[1]

سرعان ما تم اكتشاف أنه مقابل كل جسيم في الطبيعة هناك جسيم مضاد له، الجسيم المضاد له نفس الكتلة والعمر مثل الجسيم المرتبط به، والعلامة المعاكسة للشحنة الكهربائية، يتم إنتاج هذه الجسيمات في تفاعلات عالية الطاقة، تتضمن أمثلة الجسيمات عالية الطاقة المضاد، والكوارك المضاد، والكوارك المضاد للأسفل اليسار، (لاحظ أن الجسيمات المضادة للكواركات مُصنَّفة بشريط فوقي) العديد من الميزونات والباريونات تحتوي على جسيمات مضادة، على سبيل المثال، البروتون المضاد والبايون موجب الشحنة )، بعض الجسيمات المحايدة، مثل الفوتون والميزون، هي جسيمات مضادة خاصة بها، عينة الجسيمات، الجسيمات المضادة. [1]

الجسيمات وخصائصها

نفس القوى التي تربط المادة العادية ببعضها البعض تعمل أيضًا على تماسك المادة المضادة معًا في ظل الظروف المناسبة، من الممكن إنشاء مضادات مثل الهيدروجين المضاد والأكسجين وحتى مضاد الماء، في الذرات المضادة، تدور البوزيترونات حول نواة سالبة الشحنة من البروتونات المضادة والنيوترونات المضادة.[1]

لا يمكن أن توجد المادة المضادة لفترة طويلة في الطبيعة لأن الجسيمات والجسيمات المضادة تبيد بعضها البعض لإنتاج إشعاع عالي الطاقة، مثال شائع هو إبادة الإلكترون والبوزيترون.[1]

يختفي الإلكترون والبوزيترون تمامًا وينتج فوتونان في مكانهما. (اتضح أن إنتاج فوتون واحد ينتهك الحفاظ على الطاقة والزخم). يمكن أن يستمر هذا التفاعل أيضًا في الاتجاه المعاكس: يمكن لفوتونين أن يفني كل منهما الآخر لإنتاج زوج من الإلكترون والبوزيترون. أو، يمكن لفوتون واحد أن ينتج زوجًا من الإلكترون والبوزيترون في مجال النواة، وهي عملية تسمى إنتاج الزوج، يتم قياس ردود الفعل من هذا النوع بشكل روتيني في أجهزة الكشف عن الجسيمات الحديثة، إن وجود الجسيمات المضادة في الطبيعة ليس خيالًا علميًا.[1]

ما هو مسرع الجسيمات؟

يدفع المسرع الجسيمات المشحونة، مثل البروتونات أو الإلكترونات، بسرعات عالية تقترب من سرعة الضوء، ثم يتم تحطيمها إما على الهدف أو ضد الجسيمات الأخرى التي تدور في الاتجاه المعاكس، من خلال دراسة هذه الاصطدامات، يستطيع الفيزيائيون استكشاف عالم الأشياء الصغيرة للغاية.[2]

عندما تكون الجسيمات نشطة بما فيه الكفاية، تحدث ظاهرة تتحدى الخيال: تتحول طاقة الاصطدام إلى مادة على شكل جسيمات جديدة، كانت أضخمها موجودة في بدايات الكون، يتم وصف هذه الظاهرة من خلال معادلة أينشتاين الشهيرة (E = mc2)، والتي وفقًا لها المادة هي شكل مركّز من الطاقة، والاثنان قابلان للتبادل.[2]

مصادم الهادرونات الكبير هو أقوى مسرع في العالم. إنه يعزز الجسيمات مثل البروتونات التي تشكل كل المادة التي نعرفها، مع تسارعها إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء فإنها تصطدم بالبروتونات الأخرى، تنتج هذه الاصطدامات جسيمات ضخمة مثل بوزون هيجز أو كوارك القمة. ومن خلال قياس خصائصها، يزيد العلماء من فهمنا للمادة وأصول الكون.

لا تدوم هذه الجسيمات الضخمة إلا غمضة عين، ولا يمكن ملاحظتها مباشرة، على الفور تقريبًا تتحول (أو تتحلل) إلى جسيمات أخف، والتي بدورها تتحلل أيضًا. يتم تحديد الجسيمات الخارجة من الروابط المتتالية في سلسلة الاضمحلال هذه في طبقات الكاشف.[2]

ويعتبر المسارع النووي الكبير أو مصادم الهدرونات الكبير (Large Hadron Collider)‏ (اختصاراً LHC) هو أضخم مُعجِّل جسيمات وأعلاها طاقة وسرعة في العالم حيث يصل قطره نحو 27 كيلومتر وهو مبني تحت الأرض على عمق نحو 100 متر بين فرنسا و سويسرا بالقرب من جينيف، يستخدم هذا السينكروترون لمصادمة جسيمات دون ذرية وهي البروتونات بطاقة تصل إلى 7 تيرا إلكترون فولت (1.12 ميكروجول)، ويعجّل فيض من البروتونات في دائرة المعجل إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء تصل طاقة حركتها إلى 3.5 تيرا إلكترون فولت TeV (1تيرا =1012)، وفي نفس الوقت يقوم المعجل بتسريع فيض آخر من البروتونات في الاتجاه العكسي (في أنبوب دائري آخر موازي للأول) إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء أيضا بحيث تصل طاقة حركته 3.5 تيرا إلكترون فولط. تحافظ على بقاء البروتونات المعجلة في أنبوب كل فيض منها الدائري البالغ طوله 27 كيلومتر مغناطيسات قوية جدًّا تستهلك طاقة كهربائية عالية تستلزم التبريد بالهيليوم السائل ذو درجة حرارة نحو 4 كلفن أي نحو 270 درجة تحت الصفر المئوي.[2]

وفي هذا المقال من السلسلة نكون قد وضحنا ما هى تصنيفات الجسيمات وما هي الجسيمات المضادة ومسرع الجسيمات ويتبقى لنا الآن أن نعرف ما توصل إليه العلماء فيما يخص جسيم هيجز، ولما كل تلك الأهمية لهذا الجسيم الذي حير العلماء كثيرًا، لذا إن أردت أن تستكمل الصورة وتعرف المزيد عن ماهية هذا الجسيم فتابعنا في الجزء الثالث والأخير من المقال.