الجسيمات الأولية Elementary particles

· المواد في الكون

منذ العصور القديمة وحتى يومنا هذا ما زال السؤال الدائم القائم : ممّ تتكونُ جميع الاشياء في هذا الكون ؟ ونعني بكل الاشياء أي جميع المخلوقات وكل ما يوجد في هذا الكون مثل الانسان والحيوان والنبات والجماد ... ......... الخ 

· المفهوم الرائج عندنا ان اي شيء يتكون من ذرات والتي بدورها تتكون من برتونات ونيوترونات في النواة والالكترونات تدور حولهم ، هذا صحيح ، ولكن ليست هذه هي كل الحكاية وليست هي فقط الجسيمات المكونة للذرة !!!! فقد اكتشف العلماء ان هذه الجسيمات الصغيرة جدا تتكون من جسيمات بالغة الدقة والصغر تسمى الجسيمات الأولية ، وهي التي تشكل اجسامنا وتشكل بنية أي شيء موجود في هذا الكون ،وسميت تلك الجسيمات الأولية لانها اصغر شيء تم رصده حتى الان ولا يوجد ما هو اصغر منها ، وتنتشر هذه الجسيمات في كل الكون سواء في حالة مترابطة مثل ترابطها داخل البروتونات والنيوترونات في نواة الذرة، أو بصورة حٌرّة مفردة مثل الإلكترون ، وقسم العلماء الجسيمات الموجودة حتى الان إلى عائلتين رئيسيين:-

1-الفيرميونات                       2-البوزونات 

وقبل الدخول في تفاصيلهما لا بد من التعرف على خاصية هامة للجسيمات الاولية تسمى اللف او الدوران المغزلي “spin” وسنلخصها في السطور التالية :-

· في بدايات القرن العشرين اتضح من خلال التجارب التي قام بها العلماء مثل (Otto Stern   Walther Gerlach& )  أن للجسيمات الأولية سلوكا لم يكن معروفا من قبل ويظهر فقط  في وجود مجال مغناطيسي وهذه الخاصية هي انها تدور حول نفسها اذا وضعت في مجال مغناطيسي بشكل مماثل لدوران الكرة الارضية حول نفسها  و لكل نوع من الجسيمات الأولية مقدار لفٍّ مغزليٍّ ثابت ، فمثلًا اللف المغزلي لجسيم مثل الإليكترون يساوي +1/2 أو -1/2 واللف الدوراني لجسيم مثل الفوتون يمكن أن يكون +1 أو 0 أو -1 ، وعلى أساسه يتم تصنيف الجُسيمات الأولية إلى فرميون أو بوزون ، فالجُسيمات ذات اللف المغزلي الكسري مثل ½ او 2/3 تُعتبر فرميونات ، أما الجُسيمات ذات اللف المغزلي المُساوي لعدد صحيح مثل 0 أو 1 أو 2 تُعتبر بوزونات ونعود الى عوائل الجسيمات ،

1-    العائلة الأولى : الفيرميونات

 وتنقسم هذه العائلة إلى قسمين رئيسيين وهما الهادرونات واللبتونات :-
1) الهادرونات Hadrons  :-  واحيانا يطلق عليها كواركات وهي جسيمات مادية لا توجد بشكل مفرد بل مترابطة مع بعضها مثل البروتونات اوالنيوترونات لذا فهي ليست جسيمات أولية أيضا فهي تخضع للقوى النووية الشديدة فقط وهي بالمناسبة اثقل من اللبتونات وتتكون من مجموعتين وهما الباريونات والميزونات :-

أ- باريونات Baryons وهي تتكون من ثلاثة جسيمات تحمل شحنة كهربائية كسرية (أي جزء من الشحنة) تسمى كواركات Quarks وهي 6 أنواع واحيانا تسمى نكهات وهي كالتالي:-

- كوارك قاع bottom 

- كوارك قمة top 

- كوارك غريب strange 

-  كوارك ساحر charm 

- كوارك علوي up 

- كوارك سفلي down  

فشحنه ال up , charm , top هي 3/2+ وشحنه ال down , strange bottom هي  3/1+  ويندرج تحت هذه الفئة كلا من البروتون والنيوترون فمثلا البروتون يتكون من ثلاث كواركات  (اثنان علوي وواحد سفلي) ، والنيترون يتكون من ثلاثة كواركات (اثنان سفلي وواحد علوي) ونتيجة لشحنه الكوارك الكسريه فهي لا توجد حرة بل تتجمع لتكوين البروتون الموجب أو النيترون المتعادل  1 proton = +2/3+2/3-1/3=+1  & 1 neutron = +2/3-1/3-1/3=0     وهو موضح بالشكل التالي

ب- الميزونات   Measons وهي مكونة من جسيمات ثنائية (أي تتكون من كوراكين فقط)  مثل البيون pion والكاون kaon والايتا Eta 

Table of some baryons

Particle	Symbol	Quark Content	Mass MeV/c2	Mean lifetime (s)	Decays to
Proton	p	uud	938.3	Stable	Unobserved
Neutron	n	ddu	939.6	885.7±0.8	p + e- + νe
Delta	Δ++	uuu	1232	6×10-24	π+ + p
Delta	Δ+	uud	1232	6×10-24	π+ + n or π0 + p
Delta	Δ0	udd	1232	6×10-24	π0 + n or π- + p
Delta	Δ-	ddd	1232	6×10-24	π- + n
Lambda	Λ0	uds	1115.7	2.60×10-10	π- + p or πo + n
Sigma	Σ+	uus	1189.4	0.8×10-10	π0 + p or π+ + n
Sigma	Σ0	uds	1192.5	6×10-20	Λ0 + γ
Sigma	Σ-	dds	1197.4	1.5×10-10	π- + n
Xi	Ξ0	uss	1315	2.9×10-10	Λ0 + π0
Xi	Ξ-	dss	1321	1.6×10-10	Λ0 + π-
Omega	Ω-	sss	1672	0.82×10-10	Λ0 + K- or Ξ0 + π-

Table of some mesons

Particle	Symbol	Anti- particle	Quark Content	Mass MeV/c2	Mean lifetime (s)	Principal decays
Charged Pion	π+	π−	ud	139.6	2.60×10-8	μ+ + νμ
Neutral Pion	π0	Self	uu - dd	135.0	0.84×10-16	2γ
Charged Kaon	K+	K−		493.7	1.24×10-8	μ+ + νμ or π+ + π0
Neutral Kaon	K0	K0	ds	497.7
Eta	η	Self	uu + dd - 2ss	547.8	5×10-19
Eta Prime	η'	Self	uu + dd + ss	957.6	3×10-21

2) اللبتونات leptons :-  وهي اخف وزنا من الهادرونات وتوجد بشكل منفرد واشهر مثال عليها هو الالكترون لذا فهي تعتبر جسيمات أولية أيضا فهي تخضع للقوى النووية الضعيفة  وتعتبر تابعة لعائلة الفيرمونات بأعتبار أن لها دورانًا مغزليًّا يساوي 1⁄2 وتتميز هذه المجموعة بقصر عمر جسيماتها حيث تفنى بعد مدة قصيرة من نشأتها  ، وغالبًا ما تكون منتشرة في صورة حرة ، نملك في مجموعة الليبتونات 6 جسيمات تُصنف بحسب كتلتها وطبيعة شحنتها حيث تنقسم إلى نوعين هما:-

الليبتونات المشحونة ومن اشهرها الالكترون بالاضافة الى الميون والتاون:-

1- الإلكترون (electron): جسيم أولي مستقر ذو شحنة سالبة يصنف في عائلة الفيرمونات – مجموعة الليبتونات ويعتبر مكونًا أساسيًّا للذرة، له نظير من المادة المضادة يسمى “بوزيترون “، وقد كسب الإلكترون شهرته وأهميته بسبب مسؤوليته عن التفاعلات الكيميائية، والكهرباء، والمغناطيسية، وتكوين الذرة، وكما أن باقي أنواع الليبتونات المشحونة تشبه الإلكترون في أغلب خواصها، لذلك تسمى ” أشباه الإلكترون “.

2- الميون: جسيم أولي شبيه بالالكترون مشحون بشحنة سالبة، ويكون غير مستقر ذو عمر قصير يساوي (2.20) مايكرو ثانية، أثقل من الالكترون  ب 207 مرة ، َيتكون غالبًا في الأشعة الكونية الصادرة من الأجرام السماوية، وأيضًا له نظير معاكس من المادة المضادة ” نظير الميون”.

3- جسيم تاو أو تاون: جسيم أولي شبيه بالإلكترون، أثقل من الالكترون ب 3500 مرة ذو شحنة سالبة و لف مغزلي 1/2، له عمر متوسط قبل أن يتحلل ويتدمر وله نظيرمضاد أيضا.

المجموعة الثانية هي الليبتونات الغير مشحونة (النيوترينوهات):Neutrinos 

تسمى هذه المجموعة بالنيوترينوات وهي جسيمات أولية تمتاز بكتلة ضئيلة قد تكون صفرًا، وتمتلك لف مغزلي يساوي 1/2 كجميع باقي الليبتونات، ولا تمتلك شحنة كهربائية، لذلك لا تتفاعل مع القوى المغناطيسية والنووية الشديدة، لكنها تتفاعل مع النووية الضعيفة، مما يجعلها تنتشر في الكون بصورة حرة بدون أن تدخل بتفاعلات، أو إمتصاص من أي مادة تواجهها في طريقها ، تنتج النيوترينوات غالبًا من الاندماجات النووية داخل النجوم، والأشعة العالية، والانفجارات الكونية ذات الطاقة العالية،وتنتشر بالكون بصورة عشوائية ، عندما ينشأ النيوترينو تكون له خاصية جوهرية تسمى ” تذبذب النيوترينو (neutrino oscillation) ” تجعل هذهِ الخاصية جسيم النيوترينو بحالة تغير وتحول من شكل إلى آخر، وتتم هذه العملية عن طريق تغيير الكتلة، والعدد الكمي، والاتجاه، والطاقة الذاتية الخاصة بالنيوترينو.

ملاحظة هامة :-

* (لاحظ ان هناك فرق بين النيوترون Neutronوالنيوترينو Neutrino 

*  ليست كل الجسمات الاولية موجودة في الطبيعة حاليا لان منها ما له فتره       حياة قصيرة جدا حيث تنحل الي ما هو ابسط منها .

*  الكواركات تحمل نوع اخر من الشحنه غير الشحنه الكهربيه و تسمي 

chargecolor   وفيما يلي جدول يلخص فئة اللبتونات

                            Table of leptons  

particle			associated neutrino
Name	Charge (e)	Mass (MeV)	Name	Charge (e)	Mass (MeV)
Electron (e-)	-1	0.511	Electron neutrino (νe)	0	< 0.000003
Muon (μ-)	-1	105.6	Muon neutrino (νμ)	0	< 0.19
Tau (τ-)	-1	1777	Tau neutrino (ντ)	0	< 18.2

  

وهذا جدول يوضح الجسيمات المادية

1-   العائلة الثانية : البوزونات

هل فكرت يومًا ما الذي يجعل مثلا نواة الذرة وبالتالي جميع الاجسام حولنا متماسكة ؟؟!! ؟ ما الذي يجعل الإلكترونات تدور حول الذرة ؟ ما الذي يجعل الكواركات داخل الهادرونات مرتبطة ببعضها ؟ ما سبب انجذابنا للأرض؟ كيف ترتبط الذرات لتكون الجزيئات وكيف تَتَحلل ؟

الجواب على جميع هذه الأسئلة والكثير غيرها هو ” القوى الأساسية الأربعة الموجودة في الطبيعة”(Fundamental Forces) وهي التي تسيطر على كوننا وتنظمه وتكون موجودة بشكل أساسي في عائلة البوزونات كما تحدد قوانينه من أصغر أجسامه كالكواركات إلى اكبرها كالمجرات والكون بأكمله، ولدينا أربع قوى رئيسية تحكم الكون هي:

1- القوى الكهرومغناطيسية: هي القوة المسؤولة عن الظواهر الكهربائية في الكون وعن ربط الإلكترونات بأنوية الذرات، كما تربط الذرات ببعضها لتكون الجزيئات، وتعمل أيضـًا على تجاذب الجسيمات ذات الشحنات المختلفة مثل شحنة سالبة وموجبة، وتنافر الجسيمات التي تحمل نفس نوع الشحنة مثل شحنة موجبة بموجبة وسالبة بسالبة.

2- القوى النووية الشديدة: هي القوة التي تعمل على المستوى الذري ومسؤولة عن ارتباط الكواركات مع بعضها وارتباط البروتون والنيوترون داخل نواة الذرة، وتعتبر قوة مركزية أساسية للحفاظ على الذرة، كما لها دور في عملية الاندماج النووي داخل الشمس.

3- القوى النووية الضعيفة : هي قوة تعمل في المستوى الذري، مسؤولة عن جميع أنواع النشاط الإشعاعي حولنا، فتتحكم باضمحلال الجسيمات وتلعب دورها الأساسي المُهم في الاندماجات النووية التي تصنع الطاقة داخل شمسنا وجميع النجوم عن طريق تحويل الذرات من عنصر إلى آخر بعملية الاندماج، لكي يطلق طاقة أثناء الاندماج مع الاستمرار بالعملية وتحويل العناصر عن طريق دمجها (كالهيدروجين عندما يتحول للهيليوم).

4- قوى الجاذبية: هي القوة التي تجعلك الآن متماسكًا مع الأرض، فتجذب كل شـيء إلى الأرض، وتنظم الكون عن طريق جعل الكواكب تدور حول النجم بمدارات محددة، ولها مسؤولية عن الكثير من الظواهر والقوانين في كوننا ، وبناءا عليه ، فلا يمكننا تخـيل عدم وجود هذه القوى ، لأن الكون حتما لن يكون له وجود ولا أثر !!!، فأنت الآن ذرات جسمك متماسكة بفضل القوة الكهرومغناطيسية والنووية الشديدة ومُنجذب إلى الأرض أنت وكل شـيء بسبب قوة الجاذبية كما نعرف جميعاً أهمية الشمس، فبدونها لا وجود للحياة ولذلك فالنشكُر القوة النووية الضعيفة التي بدونها ما حصلنا على طاقة الشمس التي تُغذي الحياة على كوكبنا.

الآن بعدما تعرفنا على هذه القوى علينا أن نتساءل، ما الذي يجعل هذه القوى تتفاعل وتتأثر فيما بينها بدون أي تلامس؟ هل هذه القوى مادية او مرئية؟ فكيف للجاذبية أن تجعلنا ننجذب للأسفل ؟ وكيف للمغناطيسان أن ينجذبان إلى بعضهما رغم أن هناك مسافة تفرق بينهما ؟ فإذا كانت هناك قوة كهرومغناطيسية بين المغناطيسين تجعلهم ينجذبان إلى بعضهم، ما هي هذه القوة ؟ منطقيًا وحتميًا سنفكر بوجود جسيمات، أو أي ناقلات مادية ما مسؤولة عن حمل وتبادل وتناقل هذه القوى، وهنا يأتي دور أصدقائنا ” البوزونات ”

تُجيبنا الفيزياء بوجود عائلة ثانية من الجسيمات الأولية هي “البوزونات”او  عائلة الجسيمات الحاملة للقوى وهي الجسيمات التي يساوي دورانها المغزلي عدد صحيح مثل صفرًا أو واحدًا وينتمي إلى هذه العائلة جسيمات تسمى ” ناقلات أو حوامل القوى ” التي تعمل مثل عمل الإلكترون عندما يحمل التيار الكهربائي حيث تعمل على حمل القوى الأساسية وجعلها تتأثر وتتفاعل مع المادة في الكون. فالقوى الأربع الأساسية تنتشر في الكون عن طريق ما يسمى ” حقول ” أو ” مجالات ” مكونة من هذه الجسيمات التي تقسم إلى أنواع معينة، كل فرد منها مخصص لحمل إحدى القوة وهذه الجسيمات الناقلة للقوى هي :-

ملاحظة: أرجو من القارئ أن يقارن بين الجسيم المذكور في الأسفل، مع القوى الخاصة به التي ذكرتها في الأعلى للفهم بصورة أفضل لأن الموضوعان مرتبطان 

1-الفوتون: جسيم أولي مسؤول عن حمل ونشر القوة الكهرومغناطيسية، ويمتلك خاصية “ازدواجية موجة – جسيم”. عندما نسمع بـ”حقل كهرومغناطيسي أو موجة كهرومغناطيسية (كالضوء وأنواع الأشعة) فالمقصود هو موجة فوتونات حاملة للقوة الكهرومغناطيسية وعندما تأتي مغناطيسين وتقربهما على بعضهما، سوف يتجاذبان بسبب امتلاك كل منهما حقلًا من الفوتونات التي يتم تبادلها بين المغناطيسين.

2- الغلوون (Gluon): جسيم أولي مركزي يقع بين الكواركات ، حامل للقوة النووية الشديدة يوجد بين الكواركات داخل نواة الذرة، حيث يربط الكواركات ببعضها، مما يُشكل لنا البروتونات والنيروتونات.

3- بوزونات دبليو وزد (WZ): هي جسيمات أولية حاملة للقوة النووية الضعيفة تنتشر في قطر الذرة وداخلها مع بعضهما، يعتبر بوزون Wذو شحنة موجبة او سالبة أما بوزون Zمحايد الشحنة، يتميز كلاهما عن باقي البوزونات بإمتلاكهم كتلة كبيرة وشحنة تعمل على تفكيك الجسيمات وتؤثر على البروتونات والنيترونات بشكل خاص .

4- الجرافيتون (Graviton): على مر السنين حاول العلماء جاهدين أن يقدموا تفسيرًا يربط الجاذبية مع باقي القوى عن طريق إيجاد الجسيمات الحاملة لها لكي تنظم إلى نموذج الجسيمات الأولية وكانت جسيمات الجرافيتون هي من اُقترِحت لتكون ” الجسيمات الحاملة للجاذبية “، لكن إلى الآن لم يتم تقديم أي أدلة علمية تجريبية عن وجوده غير الفرضيات الغير مؤكدة.

5- بوزون هيغز: أحد أهم واحدث انواع البوزونات حيث وتم إكتشافه عام 2012 ، لكنه غير حامل لقوى، لطالما تساءل العلماء عن سبب اختلاف الكتل بين الجسيمات الأولية، وعن سبب وجود الكتلة اساسًا، وكانت الأدلة والدراسات غالبًا ما تشير إلى وجود حقل طاقي في كل الكون يسمى ” حقل هيغز ”، تتفاعل معه الجسيمات الأولية فتكسب كتلتها من خلاله، بحسب قوة تفاعلها مع الحقل، بوزون هيغز هو الجسيم الذي يحمل حقل هيغز وينشره مثل بوزونات القوى في مصادم الجسيمات الكبير. والشكل التالي يوضح توزيع فئة البوزنات ,,,

والمخطط التالي يوضح توزيع جميع الجسيمات التي تحدثنا عنها

وبهذا نكون قد انتهينا ولله الحمد  ، ونامل ان يكون الموضوع حاز اعجابكم وفيه فائدة ولو بسيطة ، شكرا لكم ونسألكم الدعاء 

م/ محمد حسانين