فيزياء الدقائق ... درس فيزياوي مهم

السلام عليكم ورحمة الله

تمهيد



اعتقد العلماء في أواسط الثلاثينات من القرن العشرين أن فهمنا للوحدات الأساسية التي تتكون منها المادة قد اقترب من الكمال ، فقبل عقود من ذلك التاريخ اكتشف روذرفورد نواة الذرة وبين أنها صغيرة الحجم ولكن معظم كتلة الذرة تتركز فيها . أما نظرية الكم فقد فسرت الأطياف الذرية وحددت بصورة واضحة كيف تتوزع الالكترونات في مداراتها حول الذرات المختلفة .

اكتشف العلماء النيوترون أيضاً وساعدهم هذا في تفسير وجود النظائر النووية وتحللها طبيعياً أو صناعياً . إذن بدا وكأن الالكترونات والبروتونات والنيوترونات هي الدقائق التي تبنى منها المادة .

بقيت بعض التساؤلات تشكل لغزاً محيراً للعلماء ومنها على سبيل المثال :

ما الذي يجعل البروتونات والنيوترونات تقيم مع بعضها في حيز صغير مثل النواة ؟ ما هي القوى التي تتدخل وتؤدي إلى تحلل الكثير من الأنوية إشعاعياً والتي ينتج عنها إشعاعات ألفا وبيتا وجاما ؟.



المسارعات النووية Accelerators

لأجل دراسة نواة الذرة وما يحدث داخلها بين البروتونات والنيوترونات ولأجل الغوص فيها واختبارها ، صنع الفيزيائيون جهازاً سموه المسارع النووي وهو عبارة عن أداة يمكنها إنتاج دقائق بعزوم عالية جداً وأطوالها الموجية قصيرة جداً .

(طول الموجة = ثابت بلانك ÷ عزم الدقيقة "Particle" التي أنتجها المسارع) .



تجرى التجارب في المسارعات على تصادم هذه الدقائق ذات الطاقة العالية ، ولأجل معرفة ما ينتج عنها تزود المسارعات بمجسات كثيرة ومركبة تمكنها من تتبع ودراسة العدد الكبير من الدقائق الذي ينتج عن كل تصادم .

الانفجار الدقائقي The Particle Explosion



أظهرت التجارب التي أجريت باستخدام المسارعات النووية أموراً كثيرة أثارت دهشة وانبهار العلماء ، فدقائق المسارعات لم تقتصر على البروتونات والنيوترونات وإنما شوهدت تنوعات كبيرة من الدقائق أطلق على البعض منها اسم الباريونات Baryons وعلى البعض الآخر اسم الميزونات Mesons . وبحلول الستينات من القرن العشرين تعرف العلماء على ما يقارب المائة نوع من هذه الدقائق ، أما عن القوى التي تربط بينها فلا زال العلماء يجهلونها أو يعانون من نقص في فهمها .

الكواركات Quarks



تقدم كل من موارى جل مان Murray Gell – Mann وجورج زفايج George Zweig كل على حدة باقتراح مضمونه أن البروتونات والنيوترونات وكل الدقائق الجديدة المكتشفة يمكن التدليل عليها ووصفها بدقائق أصغر منها واقترح جل مات تسمية هذه الدقائق كواركات .



تمكن هذان العالمان من وصف وتفسير كل أنواع الباريونات والميزونات بثلاثة أنواع من الكواركات Quarks وثلاثة من ضديداتها Anti Quarks. أما الجانب الثوري في


أفكارهما فهو أنهما أعطيا الكواركات شحنات كهربائية جزئية هي


شحنة بالقياس إلى شحنة البروتون (+1).




ضديدات الكواركات هي شركاء الكواركات ولها نفس كتلتها ولكنها تعاكسها في الشحنة . عندما يجتمع الكوارك مع ضديد الكوارك فإن كليهما ينعدم ويختفي متحولا الى طاقة.



النموذج القياسي The Standard Model:



بعد حوالي ثلاثين سنة من العمل اشتملت على الكثير من التجارب العلمية ، تأكد العلماء من وجود الكواركات التي أصبحت جزءاً من النموذج القياسي للدقائق الأساسية وتفاعلاتها .



أظهرت الاكتشافات الحديثة وجود ستة أنواع من الكواركات ثلاثة أصيلة يوجد مقابلها ثلاثة ضديدة" أعطيت الكواركات أسماء غريبة بعض الشيء مثل علوي Up، سفلي Down ، الكوارك الغريب Strange ". وضديدة الساحرCharm ، والقاعBottom ، والقمة Top وهي هكذا مرتبة من أصغرها إلى أكبرها كتلة أي أن أصغرها كتلة هو الكوارك العلوي وأكبرها كتلة هو الكوارك قمة .



يفسر النموذج القياسي قوة أو ضعف التفاعل بين الكواركات و اللبنونات والكهرومغناطيسية بينهما وبالتالي فإنه شرح نماذج التاكل النووية والروابط النووية .

النموذج القياسي The Standard Model:



بعد حوالي ثلاثين سنة من العمل اشتملت على الكثير من التجارب العلمية ، تأكد العلماء من وجود الكواركات التي أصبحت جزءاً من النموذج القياسي للدقائق الأساسية وتفاعلاتها .



أظهرت الاكتشافات الحديثة وجود ستة أنواع من الكواركات ثلاثة أصيلة يوجد مقابلها ثلاثة ضديدة" أعطيت الكواركات أسماء غريبة بعض الشيء مثل علوي Up، سفلي Down ، الكوارك الغريب Strange ". وضديدة الساحرCharm ، والقاعBottom ، والقمة Top وهي هكذا مرتبة من أصغرها إلى أكبرها كتلة أي أن أصغرها كتلة هو الكوارك العلوي وأكبرها كتلة هو الكوارك قمة .



يفسر النموذج القياسي قوة أو ضعف التفاعل بين الكواركات و اللبنونات والكهرومغناطيسية بينهما وبالتالي فإنه شرح نماذج التاكل النووية والروابط النووية .

قوى التجاذب Forces and Interactions

تعرفنا حتى الآن على الوحدات الأساسية التي تتكون منها المادة ، ولكن السؤال الذي يطرح نفسه هو ما الذي يجمعها ويبقيها مع بعضها ؟ لقد تبين أن القوى التي تجمعها هي نتيجة الأفعال المتبادلة فيما بينها ، وهذه الأفعال المتبادلة هي على أربعة أنواع :

1- الجاذبية (الجذب المتبادل) .

2- القوى الكهربائية المغناطيسية (الكهرطيسية Electromagnetic) .

3- الأفعال القوية Strong .

4- الأفعال الضعيفة Weak .







1- الجاذبية :



الجاذبية قوة معروفة لنا جميعاً ، ولكنها لم تذكر في النموذج القياسي بالنظر لأن تأثيراتها ضعيفة على مستوى دقائق صغيرة كهذه ، ولم يجد الفيزيائيون حتى الآن طريقة لإدخالها في الحسابات .



- القوى الكهرمغناطيسية



هي قوة معروفة لنا وهي مسؤولة عن ربط الإلكترونات مع النواة لتشكيل الذرة المتعادلة الشحنة .



تتجمع الذرات لتشكل جزيئات Molecules أو بلورات بسبب التأثيرات الكهرومغناطيسية لمكونات الذرة تحت الذرية مثل الالكترونات والبروتونات .



معظم القوى الحياتية التي تشاهدها يومياً مثل الاحتكاك مردها إلى القوة الكهرومغناطيسية في المادة التي تقاوم تغيير الوضع المتزن للالكترونات في المادة .



تنتقل القوى بين الدقائق المادية أثناء العمليات التي تحدث فيما بينها على شكل دقائق ، إذ يوجد لكل نوع من أنواع القوى دقيقة تحملها ، فمثلاً الدقيقة التي تحمل الطاقة الكهرومغناطيسية اسمها الفوتون ، ويطلق أيضاً على الطاقة الكهرومغناطيسية (الفوتونات) الناتجة عن التحلل النووي اسم أشعة جاما .



3-القوة الشديدة The Strong Force



قبل أن نتحدث عن هذه القوة نود أن نذكر أن هذه القوة والقوة الضعيفة (التي سنتحدث عنها تالياً) لها تأثيرات ضيعفة جداً في مجال حياتنا اليومية ، ولكنها هي المسؤولة عن إنتاج المادة التي يتكون منها كوننا ، كما أنها المسؤولة عن حوادث التحلل النووي الإشعاعي الذي يجعل بعض المواد في حالة من عدم الاستقرار .

تربط القوة الشديدة بين الكواركات لتجعلها تكون الهادرونات . تسمى الدقائق الحاملة لهذه القوة باسم دقائق التصميغ Gluons لأنها تنجح في إلصاق الكوارك بالآخر . إن قوى الربط التي تجمع البروتونات والنيوترونات وتجعلها تكون الأنوية المختلفة ما هي إلا من هذا النوع الشديد والقوي .

لا توجد قوى شديدة في اللبتونات .

- الأفعال المتبادلة الضعيفة أو القوى الضعيفة



هذه القوى تغير الكواركات من نوع إلى آخر ، أو تغير اللبتونات من نوع إلى آخر أيضاً . إنها المسؤولة عن تحلل الكواركات واللبتونات الثقيلة إلى الأنواع الخفيفة من الكواركات واللبتونات . هذه الأفعال تفسر لماذا لا تحوي المواد البيئية المستقرة إلا النوعين الخفيفين من الكواركات (العلوي والسفلي) . أطلق العلماء على الدقائق التي تحمل هذه القوة اسم بوسونات Bosons وهي نوعان يرمز لهما بالرمز W و Z . لوحظت أول قوة نووية ضعيفة وهي أشعة بيتا التي تنتج عن تحلل النيوترون (النواة) إلى بروتون وإلى الكترون وضديد الكترون من نوع نيوترينو . يؤدي هذا التحلل الإشعاعي إلى تغيير العدد الذري للنواة .



يطلق على الالكترون الناتج عن هذا التحلل اسم أشعة بيتا Beta Ray .



وماذا بعد ؟

لقد أجاب النموذج المعياري عن الكثير من الأسئلة المتعلقة ببنية واستقرار المادة، مع ما فيها من أنواع الكواركات الستة ، واللبتونات الستة ، وأنواع القوى الأربع.





لقد فسرنا حتى الآن أشعة جاما وأشعة بيتا ، فماذا عن أشعة ألفا Alpha ؟ دقيقة ألفا هي نواة هيليوم ، وهي تنتج عن الانشطار النووي Nuclear Fission ، والانشطار هو عملية تفتت نواة ثقيلة إلى أنوية أصغر منها (كما يحدث في القنابل والمفاعلات النووية حيث تتحول نواة اليوارنيوم إلى أنوية أصغر منها مثل الباريوم والكريبتون وغيرها) . عندما يتم هذا التحول تكون كتلة الأنوية الناتجة أصغر من كتلة النواة المتفتتة ، إن هذا النوع من الأفعال النووية المتبادلة هو من النوع القوي (النوع 3 أعلاه) .



ولكن النموذج المعياري ترك العديد من الأسئلة بدون إجابة وهذه نماذج منها :

1- لماذا يوجد ثلاثة أنواع من الكواركات واللبتونات ؟

2- هل يوجد نموذج (أو علاقة نظامية) لكتلة كل واحد منها ؟

3- هل يوجد دقائق وقوى أخرى يمكن أن تكتشف فيما لو استعملنا مسارعات لها طاقة أعلى من المسارعات المستخدمة حالياً ؟

4- هل الكواركات واللبتونات هي فعلاً والوحدات الأساسية أم ويوجد وحدات أصغر منها ؟

5- كيف يمكن إدخال قوى الجاذبية في التفاعل المتبادل بين هذه الدقائق ؟

6- ما الدقائق التي تتكون منها المادة السوداء المنتشرة في الكون ؟



إن أسئلة كهذه تجعل علماء فيزياء الدقائق بتون ويشغلون مسارعات قوية جديدة . فلعل التصادمات ذات الطاقة القوية ترشدهم إلى إجابات الأسئلة المطروحة .



وسيبقى السؤال عن الوحدات الأساسية للمادة والطاقة والعلاقة بينها سؤالاً مطروحاً على مائدة الباحث مستقبلاً كما هو الحال في الماضي والحاضر .

روعة

انتظروا المزيد