ماهي الكواركات؟

بعد أن بدأ العلماء بتسريع الجسيمات حتى سرعات كبيرة وصدمها ببعضها ضمن المسرعات في أربعينيات وخمسينيات القرن الماضي ظهر عدد كبير من الجسيمات الغريبة غير المعروفة. وقد بلغ عددها وتنوعها حداً دعا العلماء لتسمية مجموعها بحديقة حيوانات الجسيمات particle zoo. أثارت هذه الجسيمات اهتمام الفيزيائيين ورغبتهم في وضع نموذج يوضح سبب تنوعها بهذا الشكل. وفي عام 1963 اقترح عالما الفيزياء جورج تسفايغ George Zweig و موراي جيل مان Murray Gell-Man كل منهما بشكل مستقل عن الأخر أن هذه الجسيمات ليست أولية وانما مركبة من ثلاث جسيمات أصغر مختلفة تحمل ثلث أو ثلثي الشحنة الأصلية للجسيم المكونة له.دعيت هذه الجسيمات الأساسية بالكواركات. أخذ موراي لفظ كوارك من مقطع قصيدة للشاعرجيمس جويس كتبت عام 1939 يقول فيها :

“Three quarks for Muster Mark! "(كوارك هنا تعني صراخ النورس)

فسرت هذه النظرية المقترحة الشحنة، الاندفاع الذاتي، والكتلة بشكل جيد كما نجحت في ترتيب الجسيمات الجديدة في نسق معين فبدلاً من العدد كبير من الجسيمات المختلفة الخواص الأن يوجد فقط ثلاث كواركات أساسية (عُلوي - سُفلي - غريب)تؤلف باقي الجسيمات المكتشفة. فالكواركات تشكل الجسيمات تماماً مثلما تؤلف عناصر الجدول الدوري العناصر الكيميائية .

جاء الاثبات العملي على وجود الكواركات عام 1967 من علماء يعملون في المسرع الخطي بستانفورد ، حيث تم قذف البروتون بإلكترونات فلاحظوا وجود ثلاث مواقع على الأقل يكون فيها تواجد الالكترونات المتبعثرة عن النواة أكثر من المتوقع وهو يتطابق مع النموذج النظري المقترح.

على مدى العقود التالية ارتفع عدد أنواع الكواركات المكتشفة إلى ستة. ساهم في اثبات وجودها كل من المسرع الخطي في ستانفورد،ومخبر بروكهافن الوطني،ومخابر فيرمي الوطنية ،أعلن عن وجود الكوارك السادس والأخير من الكواركات (الكوارك القمّي أو Top quark) عام 1995 .

يسمي الفيزيائيون الأنواع المختلفة من الكواركات بالنكهات وهناك ستة تكهات : up/down سُفلي /عُلوي، charm/strange غريب / فاتن، top/bottom قعري /قمّي، يرمز لها بأول حرف من اسمها فتصبح الكواركات الستة هي :u ،d ، s ، c ، t، b .

كما يمكن أن يبدل الكوارك من نكهته أي يمكن للكوارك السفلي أن يتحول الى كوارك علوي .أو الكوارك الساحر الى كوراك غريب. ولكل من هذه الكواركات كوارك مضاد يحمل نفس الرمز مع خط فوقه.

تحمل الكواركات شحنات جزئية من الشحنة الأولية والتي تساوي شحنة الإلكترون كولوم e=1.6x10^-19 ثلاثة منها (u، c، t) تمتلك شحنة e/32 ، وثلاثة كواركات(d،s،b) تمتلك شحنة e/3- ولكل كوارك كتلة مختلفة عن الأخر.

تُكوّن الكواركات باقي الجسيمات المركبة التي تدعى الهادرونات وتأتي الهادرونات على نوعين:

-باريونات: وتتألف من 3 كواركات مثال عليها البروتونات (u u d) والنترونات (u d d) ، أما الباريون المضاد فهو مكون من ثلاث كواركات مضادة.

- الميزونات: وتتألف من كواركين فقط كوارك وكوارك مضاد: كالبيون الموجب π+ المكون من كوراك u ومضاد الكوراك d ،،تنتج الميزونات في تفاعلات الطاقة العالية مثل تفاعلات الأشعة الكونية حيث تتميز بفترة حياة قصيرة جداً يمكن ان تظهر هذه الجسيمات أيضاً في المسرعات .

تربط القوة النووية الشديدة الكوراكات ببعضها داخل الهادرون وذلك عن طريق جسيم يدعى الغلوون يحمل القوة القوية تماما كما يحمل الفوتون القوة الكهرطيسية. وعند تجميع الكواركات لتشكيل الهادرون يجب أن تكون الشحنة الكلية صفر أو عدد صحيح من e.

بالرغم من وجود عدة أنواع من الكواركات الا أن كوننا مكون من عدد قليل منها، فجميع عناصر الجدول الدوري من كربون وأكسجين... الخ تتكون من بروتونات ونترونات والكترونات،تحوي البروتونات والنترونات فقط الكواركين u، d أما الكواركات الأربعة فنادراً ما تلتقط. ونلاحظ الشيء نفسه بالنسبة للبتونات ،فالالكترون هو النوع الأكثر شيوعا منها بينما باقي الأنواع كالميون والتاو من النادر أن توجد في الطبيعة ولا يزال سبب ذلك موضع بحث ودراسة.

ألوان الكواركات:

كل الكواركات لها نفس عزم الدوران الذاتي (السبين) ½ أي أنها فيرميونات (جميع الفيرميونات تملك سبين = نصف عدد فردي )،فهي اذاً تخضع لمبدأ باولي في الاستبعاد (لا يمكن لفيرميونين أن يأخذا نفس الحالة الكوانتية أي نفس الأعداد الكمومية)،لكن هناك بعض الجسيمات تحوي كواركين من نفس النوع كالبروتونات الذي يحوي كواركين up سبينيهما بنفس الاتجاه ،وحتى جسيمات تحوي ثلاث كواركات من نفس النكهة أيضا سبناتها بنفس الجهة( Δ¯(ddd ،هذان الجسيمان سينتهكان مبدأ باولي،ولحل هذه المشكلة اقترح وجود خاصية اضافية للكوارك تدعى الشحنة الملونة،تشبه الشحنة الكهربائية الا أن لها ستة أصناف بدلا من اثنتين. وكلمة (لون) هنا هي مجرد اصطلاح فهي لا تعني اللون بالمعنى المتداول طبعاً. الألوان المخصصة للكواركات هي أحمر ،أخضر،أزرق، يجتمعون لتشكيل جسيم عديم اللون ،ففي أي باريون يجب أن تجتمع الألوان الثلاثة لتعطي اللون الأبيض، أما في الميزونات فيجب أن يتواجد اللون ومضاده.(الألوان المخصصة لمضادالكواركات هي مضاد الأحمر مضاد الأزرق ومضاد الأخضر).أي وكأنه تم اضافة عدد كوانتي جديد يتعلق بالألوان لتلبية مبدأ الاستبعاد لباولي.هذه الخاصية الجديدة تزيد عدد الكواركات بـ 3 مرات أكثر لأن كل كوارك يأتي بثلاث ألوان .

بالرغم من الجهود الكبيرة المبذولة لكن الى الأن لم يتم التقاط وفحص كوارك بشكل مفرد ، يعتقد العلماء أن السبب وراء ذلك هو أنه وعند درجة الحرارة العادية ستحبس الكواركات داخل الجسيمات بشكل دائم بسبب القوة النووية القوية الاستثنائية التي تمنعهم من الهرب .لذلك تتجه الجهود الحالية لتشكيل حالة مادة تكون فيها الكواركات حرة من البروتونات والنترونات تدعى بلازما غلون –كوارك،وأبرز المشاركين في هذه الأبحاث مشروع ALICE في مصادم الهادرونات الكبير بسيرن و مصادم الأيونات الثقيلة بسرعات نسبية في مختبر بروكهافن بالولايات المتحدة الأمريكية.

هل ممكن أن يكتشف جسيمات أصغر من الكواركات؟مارأيك أنت؟

المصادر:

Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics page 1462

هنا

هنا

هنا

هنا

هنا