جسيم أولي

النموذج العياري للجسيمات الأولية

في فيزياء الجسيمات : الجسيمات الأولية elementary particle أو fundamental particle هي الجسيمات الأساسية التي تتكون منها باقي الجسيمات الأكبر والأعقد وبالتالي هي الأشكال الأبسط للوجود المادي حسب نظرية النموذج العياري. يتم افتراض هذه الجسمات أولية على أساس انها البنية الأولى لكل مادة الكون و أنها لا تحتوي بنية داخلية او عناصر أصغر منها ضمنها ، في حين تتشكل معظم الجسيمات الأكبر من مكونات ذرة و ذرات و جزيئات العناصر و المركبات من هذه الجسمات الأولية أساسا . تحدد نظرية النموذج العياري في فيزياء الجسيمات هذه الجسيمات بانها : كواركات و ليبتونات و بوزونات غاوغية gauge boson . [1][2]

تاريخيا اعتبرت الكثير من الجسيمات جسيمات أولية ثم بينت الاكتشافات اللاحقة تركيبها و بينت خطأ التصور انها أبسط الجسيمات : فالهادرونات hadron (و هي الميزونات meson و الباريونات baryon ) مثل البروتونات و النترونات ) و حتى الذرات في فترة سابقة تم اعتبارها جسيمات أولية لفترة من الزمن حتى تم كشف أجزاء أبسط و أصغر منها . حاليا تقدم نظرية الأوتار الفائقة فكرة عن تكون كافة الجسيمات المادية من نوع من الاهتزازات ضمن ما يدعى وترا فائقا ، هذه النظرية تشكل إطارا واعدا لتوحيد نظرية النموذج العياري أو بشكل اكثر تحديد ميكانيكا الكم مع نظرية النسبية لتشكل إطارا موحدا لتفسير القوى الفيزيائية الأربع الأساسية في الطبيعة .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تاريخ

سعى الإنسان دائماً في أثناء تَعَرُّفه الطبيعة إلى أن يضيف على نحوٍ ما المواد التي تأمّل فيها، وأن يَفْرز ما تشابه منها في خواصه، وأن يحللها إلى أجزائها المكونة لها. ولعل أُولَيات محاولات ترتيب العالم المحيط هي التي قام بها فلاسفة اليونان القدامى. فكان أرسطو يرى أن جميع مواد العالم تتكون من أربعة عناصر أزلية: التراب والماء، والهواء والنار. وفسَّر تنوع المواد بتركيبات مختلفة من هذه العناصر الأربعة. وتُحرك هذه العناصر قوتان: الثقالة، التي تتجلى في نزوع التراب والماء إلى السيلان، والخفة، التي تظهر في نزوع الهواء والنار إلى الارتفاع. إن تقسيم محتويات العالم إلى مادة وقوة ما يزال معمولاً به حتى اليوم.[3]

وكان أرسطو (الذي عاش في القرن الرابع ق.م) يرى أن المادة (متصلة)، أي إن بالإمكان تقسيم أيِّ قطعة مادية إلى أجزاء أصغر فأصغر إلى ما لا نهاية له، ولا يمكن أبداً الحصول على حبة مادية غير قابلة للانقسام. بيد أن بعض الفلاسفة ومنهم ديمقريطس (460ـ370ق.م) كانوا يرون أن المادة مكونة من حُبيبات (ذرات) وأن كل الأشياء مؤلفة من عدد كبير من أنواع مختلفة من الذرات. وطال الجدل في هذا الشأن قروناً عدة بين أنصار هذين الرأيين من دون أي برهان تجريبي لا من هؤلاء ولا من أولئك. ولكن بمرور الوقت تجمّع للإنسان معارف واسعة عن الأشياء المحيطة به، ودَرَس خواصها وتعلم تحويل بعضها إلى بعض، والحصول على مواد جديدة غير معروفة. وتعمقت نظرته إلى بنية المادة مع اتساع معارفه عنها. وفي نهاية القرن الثامن عشر عرف العلماء أن الماء ـ الذي ظنه أرسطو عنصراً بسيطاً - مادة مركبة من عنصرين بسيطين (الهيدروجين والأكسجين). وبفضل دلْتن Dalton بدأ سنة 1803 الحديث الجدي عن البنية الجزيئية والذرية للمادة. واستقر رأي معظم العلماء حينئذ على أن الجزيء هو أصغر جزء من «مادة مركبة»، وأن الذرة هي أصغر جزء من «مادة بسيطة، أو عنصر element». وعدد العناصر المختلفة أقل جداً من عدد المواد المختلفة. وكان عدد العناصر المعروفة في بداية القرن التاسع عشر خمسين عنصراً (أما اليوم فقد تجاوز هذا العدد المئة)، أي إن عدد الذرات المختلفة كان 50 وهي اللَّبِنات (الجُسيمات) الأساسية التي تتكون منها مادة العالم. وحلّت وقتئذٍ هذه الذرات الخمسون محل عناصر أرسطو الأربعة. ومن هذه اللبنات الأولية يمكن بناء آلاف الجزيئات المختلفة.

وحين اكتُشفت الذرات في عهد دلْتن نُسبت إليها خاصية عدم الانقسام، (عدم التجزّؤ). وبدا للعلماء طَوال قرن كامل أن الذرات تتمتع فعلاً بهذه الخاصية، لأنها في جميع تفاعلاتها فيما بينها، كان سلوكها سلوك جسيمات لا تتجزأ. ولكن عدم قابلية الذرات للتجزؤ صار في نهاية القرن التاسع عشر موضع ارتياب، إذ في تلك الحقبة اكتُشفت الأشعة السينية (رونتغن 1895) والنشاط الإشعاعي (بكرل 1896). كما برهن تومْسُنْ (سنة 1897) بدراسة الأشعة المهبطية (الكاتودية) على وجود جسيم مادي مشحون بالكهرباء السالبة، وكتلته أصغر بكثير من كتلة أخف الذرات، وسمّي إلكتروناً. وتبيّن أن هذه الإلكترونات تخرج من جسم الذرة نفسها. ثم اكتُشف الفوتون (بلانك 1899) وهو حُبيبة الطاقة التي يصدرها أو يمتصها «الجسم الأسود».

وفي نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين، بدأ الحديث عن الجُسيمات الأولية بوصفها المكونات الأساسية لأيّ ذرة. فقد تبين أنه يمكن أن تتحول الذرات بعضها إلى بعض بفضل النشاط الإشعاعي الذي يتلخص بإصدار الذرة للجسيمات ألفا (المشحونة بالكهرباء الموجبة) وللإلكترونات السالبة، وللفوتونات غاما غير المشحونة. وقد أشار كلُّ ذلك إلى البنية المعقدة لمختلف الذرات، وإلى أن هذه السمة عامة.

ثم برهن رذرفورد سنة 1911 على أن لذرات المادة بنية داخلية: فهي مكونة من نواة صغيرة جداً مشحونة بالكهرباء الموجبة، وحولها عدد من الإلكترونات السالبة، بحيث تكون الذرة في جملتها ـ في الحالة الطبيعية ـ متعادلة الشحنات الكهربائية (محايدة كهربائياً). وفي سنة 1919 استطاع رذرفورد أن يستخرج من النواة الذرية إيون ion ذرة الهدروجين، وهو جُسيم مشحون بالكهرباء الموجبة وأثقل من الإلكترون بنحو ألفي مرة، وأُطلق عليه اسم بروتون (ورمزه p) أي الأول، ظناً من العلماء أن هذا الجسيم هو اللبنة الأساسية الأولى (الثقيلة) في بناء المادة. أما اللبنة الثانية (الخفيفة) فهي الإلكترون (ورمزه e).

وفي سنة 1932 اكتشف تشادويك أن في نواة الذرة جسيماً ثقيلاً آخر غير مشحون بالكهرباء (متعادلاً) ولهذا سُمي نُتروناً (n). فصار عدد اللبنات الأساسية ثلاثة، وبذلك انخفض عدد الجسيمات الأولية من نحو 90 وهو عدد العناصر الكيميائية وقتذاك، إلى ثلاثة فقط: e,n,p، منها تتكون أي ذرة، ومن الذرات تتألف الجزيئات، ومن تجمع الجزيئات المتماثلة والمتخالفة تنشأ كل المواد في هذا العالم.

وأدّت الدراسة المعمَّقة لخصائص البروتونات والنترونات والإلكترونات إلى اكتشاف مزيد من الجسيمات: البوزترون (1932النترينو، الميزون μ ت(1936)، الميزون π ت(1947)، الميزون κ والهيبرونات أو الجسيمات الغريبة (وسميت كذلك وقت اكتشافها أوائل الخمسينيات) لأنها بعد إنتاجها بسهولة نسبياً في تصادمات عالية الطاقة، لم تتفكك إلا ببطء شديد قياساً إلى الزمن اللازم لتكوينها. وليس بالإمكان اليوم عدّها «أغرب» من البروتون. أي ازداد عدد الجسيمات «الأولية» مجدداً: وفي الواقع، جرى بين عامي 1933 و1960 اكتشاف 26 جسيماً أولياً فصار المجموع 30.

ملف:تصنيف الجسيمات الأولية.jpg
الجدول (1) تصنيف الجسيمات الأولية وخصائصها


وإضافة إلى الجسيمات المذكورة، المستقرة وشبه المستقرة (أي ذات العمر الطويل بقدر كاف) المبينة في الجدول (1)، اكتُشف في بداية الستينيات بضع عشرات من الجسيمات ذات العمر الفائق القِصَر (غير مستقرة بالنسبة إلى التفاعل الشديد) وقد سُميت «تجاوبات» resonances وهي تتفكك في زمـن بالـغ القِصَر s10-23 - 10-22 s أي أطول ببضع مرات فقط من الزمن الأصغر المميز للتفاعل النووي وهو نحو s10-23 s وعلى هذا لا تكاد التجاوبات تغادر الحيّز الذي نشأت فيه حتى تتفكك. ومع ذلك دُرست خصائص التجاوبات بالدرجة نفسها من الجودة تقريباً، مثل خصائص الجسيمات الأولية «العادية». فالكتلة والسبين spin والشحنات ومخطط التفكك والعمر المتوسط τ (بتعبير أدق، المقدار المميز المكافئ للعمر أي «عَرْض التجاوب»

1746-15.jpg


حيث

1746-13.jpg


)كلها مقادير معروفة. وفي الجدول (2) خصائص بعض التجاوبات.

الجدول (2) خصائص بعض التجاوبات



الفرميونات الأساسية

أجيال الجسيمات
Leptons
First generation Second generation Third generation
Name Symbol Name Symbol Name Symbol
electron e muon μ tauon τ
electron neutrino νe muon neutrino νμ tauon neutrino ντ
Quarks
First generation Second generation Third generation
up quark u charm quark c top quark t
down quark d strange quark s bottom quark b

الجسيمات المضادة

ويقابل كلَّ جسيمٍ أولي جسيم مضاد (أو ضديد). فالجسيم المضاد للإلكترون هو البوزترون الذي تنبأ به ديراك نظرياً (1928) ثم اكتشف تجريبياً (1932) في الأشعة الكونية. وفي عام 1955 اكتشف البروتون المضاد ثم اكتشف (1956) النترون المضاد. ويرمز عادة للجسيم المضاد برمز الجسيم ويوضع فوقه خط، فرمز النترينو ν والنترينو المضاد

1746-8.jpg


. وتنقسم الجسيمات المتعادلة كهربائياً إلى زمرتين: في الأولى (زمرة الجسيمات المتعادلة الحقيقية) تكون الجسيمات مطابقة للجسيمات المضادة لها، وفي الثانية تكون مختلفة. وينتمي إلى الزمرة الأولى الميزون

1746-7.jpg


والفوتون إذ يكون

1746-1.jpg


. وينتمي النترينو إلى الزمرة الثانية.

ولا يختلف الجسيم عن ضديده في الكتلة والسبين والعمر المتوسط، ولكنه يعاكسه في الشحنات (الكهربائية، الباريونية، اللبتونية، الغرابة)، وفي العزم المغنطيسي. ومخطط تفكك الجسيم المضاد مماثل لمخطط تفكك الجسيم المقابل إذا عوضنا في هذا الأخير عن كل جسيم بضديده. ولما كانت شحنات الجسيم المضاد كلها تعاكس شحنات الجسيم المقابل، فإن لقاء الجسيم لضديده يؤدي إلى عملية نووية محددة هي الدُّثور (التفاني)، يتحول خلالها الجسيم وضديده إلى جسيمات أخرى أصغر كتلة (إنما أكبر طاقة حركية) أو إلى إشعاع كهرمغنطيسي (فوتونات γ). ووفقاً لقوانين انحفاظ الشحنات تكون الشحنة الكلية، من أي طراز، للجسيمات المتكونة بالدثور معدومة، لأن هذه الشحنة الكلية معدومة لدى الجسيمات التي تعاني الدثور. ويمكن أثناء عملية الدثور «تحرير» أكبر نسبة مئوية من الطاقة «المختزنة» في كتلة الجسيم وتحويلها إلى شكلٍ فاعلٍ أي إلى طاقة حركية.

تبين التجربة أنه في جميع أشكال التفاعلات (الشديد والكهرمغنطيسي والضعيف) التي تعانيها الجسيمات الأولية تتحقق قوانين انحفاظ الطاقة والاندفاع والعزم الزاوي (السبين) والشحنات الكهربائية والباريونية واللبتونية. وفي التفاعلات الشديدة والكهرمغنطيسية ينحفظ فضلاً على ذلك الغرابة والندّية. وفي حالة التفاعلات الشديدة فقط ينحفظ السبين النظيري.

Particle Generations
Antileptons
First generation Second generation Third generation
Name Symbol Name Symbol Name Symbol
antielectron (positron) e+ muon μ+ tauon τ+
electron antineutrino νe muon antineutrino νμ tauon antineutrino ντ
Antiquarks
First generation Second generation Third generation
up antiquark u charm antiquark c top antiquark t
down antiquark d strange antiquark s bottom antiquark b


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الخصائص

إن هذا العدد الكبير (الذي تعدى المئة) من الجسيمات الأولية ذات الخواص المتقاربة اضطر الفيزيائيين إلى البحث عن سبل لتصنيفها. وقد أحرزوا تقدماً ملحوظاً على أساس نظرية التناظر الوحدوي unitary التي تقول إن الجسيمات المتماثلة السبين والنِّدِّية parity تكوّن تَعدُّديات فائقة supermultiplets أي مجموعات جسيمية متقاربة الكتل وذات شحنات وغَرابات strangeness تتغير تغيراً نظامياً.

ولعل أنجح محاولة لإحلال النظام في عالم الجسيمات الأولية هي فرضية غيلمان Gell-Man وتسفايغ في أوائل الستينيّات (1964) التي تقول بوجود ثلاثة جسيمات أولية فعلاً (مرة أخرى ثلاثة فقط!) سمّيت كواركات quarks يمكن أن يركّب منها أي جسم من جسيمات «التفاعل الشديد» كالبروتون والنترون وسواهما، وسيأتي تفصيل ذلك.

وإذا كانت البروتونات والنترونات تبدو في الوقت الحاضر ذات بنية معقدة، فإن العلماء لم ينجحوا بعد في عزْل مكوناتها. ويفكر بعضهم أن هذا مستحيل، وأن هذه المكونات محصورة ومقيدة داخل الجسيم (حبيسة), وهذا وضعٌ جديد في تاريخ الفيزياء. إذ نجح الباحثون حتى اليوم في كسر الجزيئات إلى ذرات مختلفة، ثم في استخراج الإلكترونات والنوى من هذه الذرات، ثم ـ أخيراً ـ في تحطيم النوى لعزل النترونات والبروتونات.

إن فيزياء الجسيمات الأولية هي بحكم طبيعتها ذاتها عِلْمٌ يقع على حدود المعرفة البشرية فيما يتعلق ببنية المادة، ودراستُها تسمى أيضاً «فيزياء الطاقات العالية»، إذ وفقاً لمبادئ الميكانيك الكمومي يقتضي سبْر البنى المتزايدة الدقة مسابر متزايدة الطاقة (إثارة النواة أصعب جداً من إثارة الذرة!). فهذا إذن مجال المُسَرِّعات الكبيرة لأن طرائق التسريع الحالية تتطلب حيّزاً مكانياً كبيراً إذا أريد الحصول على حِزَمٍ عالية الطاقة جداً. وفي أعوام الثمانينيّات المنصرمة كان محيط المسرعات يقاس بالكيلومترات. ولكن مقابل ذلك أحرزت معارف الإنسان عن بنية المادة في العقود الأربعة الماضية تعمقاً كبيراً جداً، كما أن فهم الإنسان للقوانين الفيزيائية اغتنى كثيراً.

وعندما يُصدم البروتون بطاقة هائلة فإنه لا ينكسر، وإنما تحدث ظاهرة مختلفة تستوقف النظر، إذ يُصدر البروتون جسيمات (ميزونات) يزداد عددها كلما عنُف الصدم. وليس بالإمكان النظر إلى هذه الميزونات على أنها من مكونات البروتون، لأن البروتون الباقي يطابق الأصلي، وكل ما في الأمر أنه أتاح فرصة لتحويل طاقة الصدم الحركية إلى مادة في هيئة عدة جسيمات. أي إنه قام ـ إذا صح القول ـ بدور حفّاز (وسيط) لا بدور مصدر للجسيمات. فليس الذي يجري هو تحطيم البروتون إلى مكوناته، إنما إنشاءُ تَنَوُّعٍ كبير من الجسيمات. ومنذ عام 1950 تقريباً انتقل الباحثون من عالم البروتون والنترون والميزون، إلى عالم غير متوقع الغنى عدد أفراده بالمئات. منها ما هو موجود في الأشعة الكونية ومنها ما يُصنع في المسرعات. ويرمز إليها بحروف لاتينية ويونانية. لذا فإن الجسيمات المسماة اليوم «أولية» لا تحقق تماماً التعريف الذي يتضمنه اسمُها، لأن عددها ليس بالقليل أولاً، ولأن معظمها يتفكك إلى جسيمات أخرى، ثانياً. ومن ثَم فإن تسميتها هي تسمية اصطلاحية إلى حد معين. وعموماً تشمل الجسيمات «الأولية» جميع الجسيمات دون الذرية البالغة الصغر، ما عدا النوى الذرية ذات العدد الكتلي A ≥ 2.

الجسيمات الأولية والوقى الفاعلة (التفاعلات)

هناك في الطبيعة أربعة أصناف من القوى (التفاعلات) تختلف كثيراً في شدتها.

أ ـ القوة الثقالية: وهي أضعف القوى ومداها كبيرٌ جداً. وهي تجاذبية دائماً ولكنها مهملة تماماً على مستوى الجسيمات الأولية لضعفها البالغ.

ب ـ القوة الكهرمغنطيسية: وهي تؤثر في الجسيمات المشحونة بالكهرباء، وتكون تجاذبية أو تنافرية حسب إشارة الشحنتين المتفاعلتين، وهي ذات مدى كبير.

جـ ـ القوة النووية الضعيفة: وهي سبب النشاط الإشعاعي من النمط بيتا β لبعض النوى، ثم إنها تسبب بعض التفككات النووية وتتحكم في احتراق الشمس. ومداها غاية في الصغر.

د ـ القوة النووية الشديدة: وهي أشد قوى الطبيعة. وهي جاذبة دوماً فتمسك النكلونات (أي البروتونات والنترونات) معاً في النوى الذرية. وهي التي تَحْكُم التفكك الإشعاعي من النمط ألفا، كما تحكم الانشطار والاندماج النوويين، وتَبَعْثُرَ scattering النكلونات بالنكلونات. ومداها محدود من رتبة s 10-15m وتأثيرها ضمن حدود النواة أشد بـ 100 ـ 1000 مرة من قوة التدافع الكهرمغنطيسية بين البروتونات الموجبة. ولا تفعل القوة النووية الشديدة في البروتونات فقط، وإنما في النترونات أيضاً.

وعندما تطرأ تحولات على النوى الذرية، تصدر منها إلكترونات ونترينوهات مضادة (حالة التفكك بيتا السالب) أو بوزترونات ونترينوهات (حالة التفكك بيتا الموجب)، أو الفوتونات غاما. تجري العمليتان الأُولَيان بتأثير القوة الضعيفة التي تسبب العمليات البطيئة (التفاعل الضعيف). أما العملية الأخيرة فتجري بتأثير التفاعل الكهرمغنطيسي.

إن الجسيمات المذكورة لا تدخل في تركيب النواة، ولكنها تنشأ لحظة صدورها، ومع ذلك تسمى هذه الجسيمات أولية أيضاً، لأنه لا يمكن تركيبها من جسيمات أخرى.

ويتميز كل جسيم بمجموعة من الخصائص: الكتلة، الشحنة الكهربائية، العمر المتوسط τ، مخطط التفكك (إذا كان غير مستقر)، العزم المغنطيسي، السبين (العزم الزاوي الخاص الذي يصف حالة «الدوران» الكمومية)، السبين النظيري (المميز للجسيمات التي تعاني التفاعل النووي الشديد)، الشحنة الباريونية (المميزة للجسيمات الثقيلة بدءاً بالنكلونات)، الشحنة اللبتونية (المميزة للجسيمات

1746-11.jpg


) الغرابة (المميزة للجسيمات «الغريبة») النِّديّة (أو المماثلة، وهي تميز الجسيمات التي تعاني التفاعل النووي الشديد، والفوتونات)، وأخيراً طابع التفاعلات التي يشارك فيها.

ولمعظم المميزات المذكورة بضع قيم فحسب. فالشحنة الكهربائية لأي جسيم معروف تساوي s +2e، أو + e أو - e أو الصفر. بيد أن الكتلة والعمر المتوسط (وكذلك العزم المغنطيسي) لمعظم الجسيمات لها قيم مختلفة.

انظر أيضا


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الهوامش

  1. ^ Gribbon, John (2000). Q is for Quantum - An Encyclopedia of Particle Physics. Simon & Schuster. ISBN 0-684-85578-X.
  2. ^ Clark, John, E.O. (2004). The Essential Dictionary of Science. Barnes & Noble. ISBN 0-7607-4616-8.CS1 maint: Multiple names: authors list (link)
  3. ^ مكي الحَسَنيّ. "الجسيمات الأولية (التطور التاريخي للـ ـ)". الموسوعة العربية. Retrieved 2012-04-18.

المصادر

  • Greene, Brian (1999). The Elegant Universe. W.W.Norton & Company. ISBN  0-393-05858-1 .

قراءات للإستزادة

  • Feynman, R.P. & Weinberg, S. (1987). Elementary Particles and the Laws of Physics: The 1986 Dirac Memorial Lectures, New York: Cambridge University Press.

وصلات خارجية

اتصنيف:مفاهيم الفيزياء الأساسية تصيف:فيزياء الجسيمات