من اين تحصل المادة على كتلتها ؟! سؤال إجابته ليست بالسهولة التى تعتقدها !

معلومات عامة - بواسطة: فادي نجيب - arageek اخر تحديث: 2020/10/01

“من أجل أن أفهم .. أفهم العالم” ..هذة كلمات بيتر هيجز (الحائز على جائزة نوبل عام 2013 فى الفيزياء لإكتشافه جسيم هيجز.. الصورة بالأعلى) التى كانت إجابة يوصف فيها ماجعله يتجه لدراسة الفيزياء النظرية.

كلمات لا نريد ان تمر علينا مرور الكرام، لإنها كلمات عميقة فى معناها. هذا العالم الجليل هو من إكتشف من اين تحصل المادة على كتلتها ..

دعونا نتناول الموضوع من مصدره..

إن فيزياء الجسيمات علم شيق جداً يدرس الجسيمات المكونة لأصغر جزء بإمكاننا تخيله، ليس ذلك فقط بل أيضاً تلك الجسيمات التى ولدت مع بداية كوننا عند لحظة الإنفجار العظيم.

العالِم العظيم ريتشارد فاينمان.. فيزياء ونوبل وفنون ورومانسية !

تهتم فيزياء الجسيمات بوصف عالم الجسيمات المتعددة الدون الذرية وتفاعلهما مع بعضهما البعض والقوى التى تحكم هذة التفاعلات، ويتضح ذلك من النموذج المعيارى أو Standard Model كما بالصورة التالية..

فإذا ارادنا توصيف الجسيمات وتفاعلهما، فأقرب مثال هو إصطدام كرات البلياردو، لكن الأمر ليس كذلك، لأن تلك الجسيمات ليست جسيمات (ككرات البلياردو) بالمعنى الشائع، لكن كل جسيم له حقل خاص به فى الفضاء، لأنه يمتلك الخاصيتين، الخاصية الأول (موجة) والخاصية الثانية (جسيم).

وهذا هو مبدأ (لويس دى براولى Wave–particle duality) هذا المبدأ تم إفتراضه بإزدواجية طبيعة الإلكترون الموجية الجسيمية ومن ثم تم إفتراضه أيضاً على جميع الجسيمات التى هى فى حجم الذرة ومادونها. فتوالت إكتشاف الجسيمات المتنوعة وأصبح عددها كبير للغاية لدرجة ان الفيزيائيين شبهوا تنوع الجدسيمات العشوائى وكانها (حديقة حيوانات) او كما يطلق عليها Elementary Zoo كما بالصورة التالية..

لمحة تاريخية عن النموذج المعيارى

تم تنظيم وترتيب هذا التنوع ضمن عدة نظريات جاء فى نهايتها (النموذج المعيارى)، فكانت أول خطوة نحوه عن طريق العالم (شيلدن جلاشو (Sheldon Glashow عام 1961م، كطريقة منه للجمع مابين القوتين الكهرومغناطيسية والضعيفة.

ثم عام 1967م جاء العالم (ستيفن وينبرغStephen Wainberg ) والعالم الباكستانى (محمد عبد السلام) لتطوير نموذج جلاشو ليصبح النموذج الحديث الذى بين أيدينا الآن، وتتوافق تنبؤاتهم مع التجربة حتى حازوا الثلاثة على جائزة نوبل فى الفيزياء عام 1979م.

النموذج المعيارى

دعونا الآن نزور حديقة الحيوان (لست أقصد حديقة حيوان الجيزة بمصر لكن أقصد حديقة حيوان الجسيمات الأولية أو كما يطلق النموذج القياسى لنفهمه أكثر وأكثر)..

يمكننا أن نصف الجسيمات وفق هذا النموذج إلى قسمين أساسيين:

الجسيمات الأساسية (الفيرميونات)

تصف الجسيمات المشكلة للمادة والمادة المضادة وتتألف من نوعين كما بالشكل الجزء ذات اللون البنفسجى يطلق عليهم الكواركات Quarks وهم 6 أنواع كما بالصورة العلوية، والجزء ذات اللون الأخضر يطلق عليهم الليبتونات Leptons وهم أيضاً 6 أنواع ولعل من أشهرهم الإلكترون e^–. وهناك أيضاً بما يسمى بالمادة المضادة Anti-matter فهناك مضادات للكواركات تسمى Anti-quarks وهم 6 أنواع ايضاً وهناك مضادات لليبتونات تسمى Anti-leptons وهم 6 أنواع أيضاً.

أجد لديكم سؤال ماذا عن البروتون والنيوترون لماذا لا يوجدوا بداخل النموذج المعيارى؟

الحقيقة البروتون والنيوترون ليسوا من الجسيمات الأولية وفق لنظرية النموذج المعيارى لكنهم يتكونوا من تركيبات، على سبيل المثال البروتون p يتكون من 3 كواركات – 3 Quarks هم (uud) (2كوارك أعلى Up وكوارك واحد سفلى down) وهكذا لبقية الجسيمات الأخرى.

حقائق مدهشة عن الكُـوَارْك.. الجُسيم الأصغر من الذرة !

جسيمات القوى (البوزونات)

هى جسيمات تمثل حقول القوى الأساسية (الكهرومغناطيسية – النووية الشديدة – النووية الضعيفة) أما القوى الأخيرة (قوى الجاذبية) غير متضمنة بالنموذج، لذلك فإن من أهم مشاكل الفيزياء النظرية الحالية التى يحاول الفيزيائيون إيجاد حلاً لها وهى إيجاد نظرية التوحيد التى كانت حلم لأينشتاين وكان النموذج المعيارى أحد الخطوات إليها.

وذلك عن طريق توحيد كل القوى الموجودة فى الطبيعة. كما يحتوى النموذج أيضاً على جسيم هيجز المسؤل عن إعطاء الكتلة لبقية الجسيمات، الذى تم الإعلان عن رصد جسيم تتشابه صفاته مع صفات جسيم هيجز عن طريق مختبر (LHC) *CERN بسويسرا، وهذا الذى جعل العلماء بيتر هيجز وفرانسوا إنجلرت ينالوا جائزة نوبل عام 2013 ومعهم الراحل روبرت بروت.

ختاماً.. هذة كانت رحلة سريعة فى أركان النموذج المعيارى الذى تم وضعه نظرياً، ثم تأكدنا معملياً من وجود بعض الجسيمات عن طريق التجربة مثل الكوارك القعرى Bottom Quark (b) عام 1977م، و نيترينو التاو عام 2000م(_τν). لكن البحث مازال مستمراً والفرضيات مازالت جارية وهذة هى متعة الفيزياء النظرية.

LHC.. هو مصادم الهادرونات الكبير بسويسرا، يعتبر أعظم آله تم إختراعها من قبل الإنسان البشرى يوجد على عمق 175م تحت سطح الأرض ومحيط أنبوبة 27كم. هذفها هو التوصل لظروف الحظات الأولى التى نشأ منها كوننا، وهو الآن فى حالة إستعداد لتشغيله مرة ثانية فى هذا العام كما قال فريدريك بردرى مدير المعجلات والتكنولوجيا فى سيرن:

ان الالة خرجت من فترة سبات طويلة بعد خضوعها لعملية جراحية كبرى مع عناية كبيرة وأداء العديد من الاختبارات قبل إجراء تصادمات حزمية، و أن الهدف لعام 2015 هو تشغيل برنامج الفيزياء ب TEV 13.