تتكوّن المادة من ذرّات، وتتكوّن الذرّات من إلكترونات وأنوية مترابطة بقوى كهرومغناطيسيّة.

تحمل الإلكترونات شُحنة كهربائيّة سالبة وكتلتها صغيرة بالمقارنة مع النواة، وتتكوّن النواة من البروتونات والنيوترونات، وفي المقابل تتكوّن البروتونات والنيوترونات من جُسيمات تشبه النقطة تُسمّى الكواركات الأعلى (Up)، والأسفل (Down).

بقدر ما نعلم أن الإلكترونات هي جُسيمات أوليّة، وتبدو وكأنها جُسيمات تشبه النقطة بدون بنية داخليّة، فماذا نعلم عن الليبتونات؟

شجرة العائلة المعقدة

جميع جُسيمات المادة الأساسيّة لسبب غامض منظمة في ثلاث عائلات متميزة.

العائلة الأولى، التي تضم الإلكترون ونيوترينو الإلكترون والكواركات العلويّة (Up) والسفلية (Down)، تعطينا المادة المألوفة في شكل بروتونات ونيوترونات وإلكترونات. (إن جُسيمات العائلتين الثانية والثالثة ليست جزءًا من المادة العادية. لقد كانت موجودة في الجزء الأول من الثانية من الكون، ولكنها تتفكك بسرعة كبيرة لتصبح جزيئات في العائلة الأولى).

 

 

تفترض نظريّة فيزياء الجُسيمات الحالية أنه لا يوجد أكثر من 3 عائلات من الليبتونات، هذا يرجع إلى الأدلة التجريبية التي تُشير إلى وجود 3 أنواع من النيوترينوات، ومن ثم 3 عائلات ليبتون.

تأتي أحد الأدلة من نسبة وفرة الهيدروجين / الهيليوم المُقاسة في الكون. عندما يتم نمذجة عمليّة تكوين النوى (التركيب النووي) من الانفجار العظيم، فإن عدد أنواع النيوترينوات يؤثِّر على وفرة الهيليوم. تتوافق الوفرة المرصودة مع 3أنواع من النيوترينوات.

على الرغم من نجاحه، فإن النموذج القياسيّ لفيزياء الجُسيمات لا يُجيب على الأسئلة حول سبب وجود العديد من أنواع الليبتونات، ولماذا تختلف كُتلتها بشكل كبير.

فقط الدراسات التجريبيّة التفصيليّة لخصائص الليبتونات ستوفِّر رؤى أوضح لهذا اللغز.

الكواركات والليبتونات

يُشير ما يُسمّى بالنموذج القياسيّ لفيزياء الجُسيمات، والذي تدّعمه بقوّة نتائج تجريبيّة مُكثّفة، إلى أن الكون المادّيّ يُفترض أن يُبنى بواسطة عددٍ صغيرٍ من الجُسيمات الأساسيّة:

• كواركات.
• جُسيمات تشبه الإلكترونات تُسمّى الليبتونات.

تتّحد الكواركات معًا من خلال التفاعل القوي لتكوين البروتونات والنيوترونات، ولا تُشارك الليبتونات في ذلك التفاعل القوي، ولكن تتفاعل فقط عبر القوى الكهرومغناطيسيّة والضعيفة.

الكواركات في الظروف العادية تكون في حالة ترابط، أما الليبتون فيمكن ملاحظته بشكل فرديّ.

أنواع الليبتونات

لدينا أدلة تجريبيّة ل 6 أنواع مختلفة من الليبتونات، 3 ليبتونات ذات شُحنة كهربائيّة سالبة، و3 متعادلة كهربائيًّا.

أشهر الليبتونات المشحونة كهربائيًّا

• الإلكترون (e)
• الميون (μ)
• التاون  (τ)

الميونات والتاون

الميونات والتاون هي نسخ أثقل وغير مُستقرة للغاية مقارنة بالإلكترون.

الميونات لها كتلة أكبر بـ207 مرة من الإلكترونات وعمرها 2.20 ميكروثانية، يُمكِن إنشاؤها في الأشعة الكونيّة على ارتفاعات مختلفة فوق الأرض.

تُشكِّل الميونات أكثر من نصف الإشعاع الكونيّ عند مستوى سطح البحر، والباقي من الإلكترونات والبوزيترونات والفوتونات، ويبلغ متوسط ​​تَدفُّق (أو تركيز) الميون عند مستوى سطح البحر حوالي ميون واحد لكل سنتيمتر مربع في الدقيقة.

كان الفيزيائيان الأمريكيان كارل أندرسون وسيث نيدرماير يدرسان الأشعة الكونيّة عندما اكتشفوا الميون في عام 1936 وكان اكتشاف هذا الجُسيم مفاجئًا للغاية لدرجة أن الحائز على جائزة نوبل إيزيدور إسحاق رابي صرخ قائلاً: من أمر بذلك؟

واكتشف ارتن بيرل وزملاؤه التاون في تجارب تصادم الجُسيمات عالية الطاقة بين عامي 1974 و 1977 في مركز المعجل الخطي بستانفورد (Stanford Linear Accelerator Center) في كاليفورنيا.

إنه أكبر كتلة من الليبتونات، حيث تبلغ كتلته حوالي 3490 ضعف كتلة الإلكترون و 17 ضعف كتلة الميون، وعمر التاون قصير جدًا – 100000 مرة أقصر من عمر الميون.

 

الليبتونات متعادلة كهربائيًّا

هي النيوترينوات (ν). هناك ثلاثة أنواع مميزة من النيوترينوات المرتبطة بكل ليبتون مشحون:

• النيوترينو الإلكتروني (νe)
• ميون نيوترينو (νμ)
• تاوون نيوترينو (ντ)

لكلٍ من هذه الليبتونات هناك أيضًا مُضاد للجُسيمات مرتبط، له نفس الكتلة ولكن الشُحنة المعاكسة.

الإلكترون مألوف لدى الجميع ويرتبط مباشرةً بالخصائص الكيميائيّة لجميع الذرات تقريبًا، وهو أصغر جُسيم مشحون نعرفه وهو مستقر للغاية و الجُسيم المضاد للإلكترون هو البوزيترون وهو متطابق في الكتلة ولكن لديه شحنة موجبة كان أول جُسيم مضاد للمادة الذي تم اكتشافه.

النيوترينوات

تُنتج النيوترينوات في مجموعة متنوعة من التفاعلات، وتنتج الشمس ملايين النيوترينوات في تفاعلات الاندماج الداخلي التي تشغلها. نظرًا لأن النيوترينوات لا تتفاعل كهربائيًّا أو بقوة، فإنها تكاد لا تتفاعل مع أي جُسيم آخر، تمر معظم النيوترينوات مباشرة عبر الأرض دون أن تتفاعل مع أي ذرة واحدة. ولأن النيوترينوات أنُتِجت بوفرة كبيرة في بدايات الكون ونادرًا ما تتفاعل مع المادّة، فهناك الكثير منها في الكون.

إن اكتشاف أن النيوترينوات لها كتلة صغيرة جدًا، أخف بمليون مرة على الأقل من الإلكترون، يُثير احتماليّة حصول النيوترينوات على كتلتها من عمليات غير معروفة، والتي قد لا تكون مرتبطة ببوزون هيغز.