أساسيات فيزياء الجسيمات

كتابة: نورهان ناصر آخر تحديث: 06 سبتمبر 2021 , 05:35

ماذا يعني مصطلح “فيزياء الجسيمات”

في فيزياء الجسيمات، الجسيم الأولي أو الجسيم الأساسي هو جسيم مجهول بنيته التحتية، وبالتالي من غير المعروف ما إذا كان يتكون من جسيمات أخرى، وتشمل الجسيمات الأولية المعروفة الفرميونات الأساسية والبوزونات الأساسية.

يتكون العالم المادي من مجموعات من مختلف الجسيمات دون الذرية أو الأساسية، هذه هي أصغر اللبنات الأساسية للمادة، كل المادة باستثناء المادة المظلمة تتكون من جزيئات، والتي هي نفسها مصنوعة من الذرات، وتتكون الذرات من جزأين، نواة ذرية وسحابة إلكترونية، تدور الإلكترونات حول نواة الذرة، وعن ماذا يوجد داخل نواة الذرة، فتتكون النواة نفسها بشكل عام من البروتونات والنيوترونات ولكن حتى هذه هي أجسام مركبة، وداخل البروتونات والنيوترونات، نجد الكواركات .

الجسيمات الأساسية في الفيزياء

الكواركات والإلكترونات هي بعض الجسيمات الأولية الأساسية، وتم اكتشاف عدد من الجسيمات الأساسية في تجارب مختلفة، كان على الباحثين تنظيمها، تمامًا كما فعل منديليف مع جدوله الدوري، ويتم تلخيص ذلك في نموذج نظري (يتعلق بالتفاعلات النووية الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية) يسمى النموذج القياسي.

أنواع الجسيمات في الفيزياء

غالبًا ما يُزعم أن الإغريق القدماء كانوا أول من حدد الأشياء التي ليس لها حجم، ومع ذلك كانوا قادرين على بناء العالم من حولنا من خلال تفاعلاتهم، وبما أننا قادرون على مراقبة العالم بتفاصيل أصغر وأصغر من خلال مجاهر ذات قوة متزايدة ، فمن الطبيعي أن نتساءل عما تتكون هذه الأشياء.

يعتقد العلماء أنهم وجدوا بعض هذه الأشياء: الجسيمات دون الذرية، أو الجسيمات الأساسية التي ليس لها حجم لا يمكن أن يكون لها بنية تحتية، ويسعون لشرح خصائص هذه الجسيمات وإظهار كيف يمكن استخدامها لشرح محتويات الكون، فهناك نوعان من الجسيمات الأساسية: جسيمات المادة، بعضها يتحد لإنتاج العالم من حولنا، وجسيمات القوة، أحدهما، الفوتون، مسؤول عن الإشعاع الكهرومغناطيسي، تم تصنيفها في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، الذي يضع نظريات حول كيفية تفاعل اللبنات الأساسية للمادة، والتي تحكمها القوى الأساسية، وجسيمات المادة هي فرميونات بينما جسيمات القوة هي بوزونات.

هيكل جسيمات المادة في الفيزياء

تنقسم جسيمات المادة إلى مجموعتين: الكواركات واللبتونات، يوجد ستة منها، لكل منها شريك مماثل، وتنقسم اللبتونات إلى ثلاثة أزواج، يحتوي كل زوج على جسيم أولي به شحنة وجسيم بدون شحنة، وهو أخف بكثير ويصعب للغاية اكتشافه، أخف هذه الأزواج هو الإلكترون والنيوترينو الإلكتروني.

الإلكترون المشحون مسؤول عن التيارات الكهربائية، ويتم إنتاج شريكه غير المشحون، والمعروف باسم النيوترينو الإلكتروني، بغزارة في الشمس وتتفاعل بشكل ضعيف مع محيطها لدرجة أنها تمر عبر الأرض دون عوائق، يمر مليون منهم عبر كل سنتيمتر مربع من جسمك كل ثاني، ليلا ونهارا.

يتم إنتاج النيوترينوات الإلكترونية بأعداد لا يمكن تصورها أثناء انفجارات السوبرنوفا وهذه الجسيمات هي التي تشتت العناصر الناتجة عن الاحتراق النووي في الكون، تشمل هذه العناصر الكربون الذي صنعنا منه، والأكسجين الذي نتنفسه، وكل شيء آخر على الأرض تقريبًا، لذلك، على الرغم من إحجام النيوترينوات عن التفاعل مع الجسيمات الأساسية الأخرى، فهي حيوية لوجودنا، ويبدو أن أزواج النيوترينو الأخرى مجرد نسخ أثقل من الإلكترون.

نظرًا لأن المادة العادية لا تحتوي على هذه الجسيمات مثل الجسيمات الموجودة في نواة الذرة، فقد يبدو أنها تعقيد غير ضروري، ولكن خلال الثواني الأولى إلى العشر ثوانٍ من الكون بعد الانفجار العظيم، كان لهم دور حاسم في تأسيس بنية الكون الذي نعيش فيه، والمعروفة باسم عصر ليبتون.

تنقسم الكواركات الستة أيضًا إلى ثلاثة أزواج بأسماء غريبة، تلتصق الكواركات العلوية والسفلية معًا لتشكيل البروتونات والنيوترونات التي تقع في قلب كل ذرة، واوضح العلماء مرة أخرى، يوجد فقط أخف زوج من الكواركات في المادة العادية، ولكن، مثل اللبتونات الأثقل، لعبت دورًا في اللحظات الأولى من الكون وساعدت في إنشاء واحد قابل لوجودنا .

قوة الجسيمات

هناك ستة جسيمات قوة في النموذج القياسي تخلق تفاعلات بين جسيمات المادة، وهي مقسمة إلى أربع قوى أساسية: قوى الجاذبية، والقوى الكهرومغناطيسية، والقوى القوية والضعيفة.

الفوتون أيضا هو جسيم من الضوء وهو مسؤول عن المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تنشأ عن تبادل الفوتونات من جسم مشحون إلى آخر، وينتج الغلوون القوة المسؤولة عن تماسك الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات، وعنصر تلك البروتونات والنيوترونات معًا لتكوين نوى أثقل.[1]

النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات

هناك جسيم نهائي يكمل نداء الجسيمات فيما يشار إليه بالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الموصوفة حتى الآن.

بوزون هيغز هو جسيم غريب، فهو ثاني أثقل جسيمات النموذج القياسي ويقاوم تفسيرًا بسيطًا، غالبًا ما يقال إنه أصل الكتلة، وهذا صحيح، فهو يعطي كتلة للكواركات، وتشكل الكواركات البروتونات والنيوترونات، لكن 2٪ فقط من كتلة البروتونات والنيوترونات توفرها الكواركات، والباقي من الطاقة الموجودة في الغلوونات.

في هذه المرحلة، وضع العلماء في الاعتبار جميع الجسيمات التي يتطلبها النموذج القياسي: ستة جسيمات قوة، و 24 جسيمًا، وجسيم هيغز واحد، ما مجموعه 31 جسيمًا أساسيًا. على الرغم مما نعرفه عنها ، لم يتم قياس خصائصها جيدًا بما يكفي للسماح لنا بالقول بشكل قاطع أن هذه الجسيمات هي كل ما نحتاجه لبناء الكون الذي نراه من حولنا ، وبالتأكيد ليس لدينا جميع الإجابات، ومع ذلك فإن النظرية لا تزال خاطئة.

بذل علماء الفيزياء النظرية الكثير من الجهد في محاولة بناء نظرية تعطي إجابات معقولة في جميع الطاقات، مع إعطاء نفس الإجابة مثل النموذج القياسي في كل الظروف التي تم فيها اختبار النموذج القياسي، يشير التعديل الأكثر شيوعًا إلى وجود جزيئات ثقيلة جدًا غير مكتشفة، حقيقة أنها ثقيلة تعني أن هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة لإنتاجها، يمكن اختيار خصائص هذه الجسيمات الإضافية للتأكد من أن النظرية الناتجة تعطي إجابات معقولة في جميع الطاقات، ولكن ليس لها أي تأثير على القياسات التي تتفق جيدًا مع النموذج القياسي.

 المادة المضادة: حقيقة الخيال العلمي

نحن نعلم أيضًا وجود مادة مضادة، وهو مفهوم محبوب كثيرًا من قبل كتاب الخيال العلمي، لكنه موجود بالفعل، كثيرا ما لوحظت الجسيمات المضادة للمادة، على سبيل المثال يتم استخدام البوزيترون (الجسيم المضاد للإلكترون) في الطب لرسم خريطة لأعضائنا الداخلية باستخدام التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، ومن المعروف أنه عندما يلتقي جسيم ما بجسيمه المضاد، فإنهما يقضيان على بعضهما البعض وينتج انفجار من الطاقة، ويتم استخدام ماسح التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني للكشف عن ذلك.

كما يحتوي كل جسيم من جسيمات المادة على جسيم شريك له نفس الكتلة، ولكن شحنة كهربائية معاكسة ، لذلك يمكننا مضاعفة عدد جسيمات المادة (ستة كواركات وستة لبتونات) للوصول إلى العدد النهائي وهو 24.

نعطي كواركات المادة عددًا من +1 والكواركات المضادة للمادة بقيمة -1، إذا جمعنا عدد كواركات المادة بالإضافة إلى عدد كواركات المادة المضادة، فإننا نحصل على العدد الصافي للكواركات في الكون، وهذا لا يتغير أبدًا، إذا كانت لدينا طاقة كافية ، فيمكننا إنشاء أي من كواركات المادة طالما أننا نخلق كواركًا مضادًا للمادة في نفس الوقت، في اللحظات الأولى للكون، كانت هذه الجسيمات تتشكل باستمرار، والآن يتم إنشاؤها فقط في تصادم الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي للكواكب والنجوم.[2]

الوسوم

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق