الفيزياء والفلك > فيزياء
ماهي البوزونات؟
هناك أربع قوى اساسية في الكون وهي: الجاذبية والإلكترومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة والقوة النووية الشديدة، لا تنتقل هذه القوى من جسيم لآخر بشكل آني بما أنه من المستحيل أن ينتقل شيء أسرع من الضوء حسب النسبية الخاصة. لذلك تنتشر هذه القوى في الفراغ عبر ما يسمى بالحقول.
يقترح ميكانيك الكم أنه يمكن تمثيل هذه الحقول على أنها جسيمات ندعوها البوزونات.لذلك تدعى البوزونات أحيانا "جسيمات القوى" أو "حاملات القوى"،فبتبادل هذه الجسيمات بين الكترونين مثلا نقول أن هذين الالكترونين يؤثران ببعضهما بالقوة الكهرومغناطيسية وينطبق هذا الوصف بشكل عام على بقية القوى الأساسية حتى الجاذبية نفسها ولو أن "تكميم" حقل الجاذبية ضمن جسيمات هو أمر لم يتم بعد نظرياً.
في فيزياء الجسيمات يتم وصف السلوك الإجمالي لهذه الجسيمات من خلال ما يسمى إحصاء "بوز-أينشتاين". وخلافاً للفيرميونات التي تمتلك عزماً ذاتيا (Spin) يساوي نصف عدد فردي تملك البوزونات عزماً ذاتياً تساوي قيمته عدداً صحيحاً :(1،0،-1،-2...).
وضع تسمية "البوزونات" الفيزيائي بول ديراك نسبة للفيزيائي الهندي (ساتيندرا ناث بوز) والذي وضع مع آينشتاين إحصاء بوز-آينشتاين الذي يصف الخواص المميزة لهذه الجسيمات.
اقترح بوز هذه الطريقة أول مرة في بحث عام 1924 وذلك في محاولة لتحليل خواص الفوتونات ثم أرسلها إلى أينشتاين لينشرها، ثم وسع استنتاج بوز لكي لا يقتصر على الفوتونات فقط بل يمتد ليشمل بعض الذرات التي تملك عزم لف كلي يساوي عدداً صحيحاً أيضاً.
إنّ أحد أكثر نتائج إحصاء بوز-أينشتاين إثارة هي أنه يمكن للبوزونات أن "تندمج" مع بعضها في حالة كمومية واحدة مشتركة لجميع هذه البوزونات. لهذا السبب مثلاً يمكن للفوتونات أن تشكل شعاع ليزر، وتستطيع بعض المواد تكوين ما يسمى بكثافة بوز-أينشتاين.
أما البوزونات التي تسمى "حاملات القوى" والتي تنتقل عبرها القوى الأساسية (عدا الجاذبية) كما ذكرنا فلا تتألف من أي جسيمات أخرى وتمييزا لها تدعى بالبوزونات العيارية الأربعة وهي تملك عزم لف ذاتي(سبين) يساوي الـ(1) و قد رُصدت جميع هذه الجسيمات تجريبياً:
1-الفوتون: أو حامل القوة الكهرومغناطيسية، كلما تفاعلت الجسيمات المشحونة مع بعضها يتم تبادل الفوتونات ويمكننا القول أن معظم ما نفعله في حياتنا يعتمد على تبادل الفوتونات، إنه ببساطة "كمات" صغيرة من الطاقة الكهرومغناطيسة.
2- الغلوونات: يتوسط تفاعلات القوى النووية القوية حيث تربط الكواركات ببعضها لتشكل البروتونات و النيوترونات، كما يضم أيضا البروتونات و النيوترونات مع بعضها في نواة الذرة.
3-بوزون W: و هو أحد نوعي البوزونات العيارية التي تتوسط القوى النوية الضعيفة اكتُشف عام 1983،و هو مشحون كهربائيا و يقوم بتغيير تركيب الجسيم بحد ذاته حيث يحول البروتونات إلى نيوترونات و بالعكس عن طريق القوى الضعيفة سامحا بحدوث تفاعلات الاندماج و جاعلا النجوم تستمر في الاشتعال.
4- بوزون Z: و هو أحد نوعي البوزونات العيارية التي تتوسط القوى النووية الضعيفة لكنه معتدل كهربائيا.
و بالإضافة لما ذكر سابقا هناك بوزونات متوقعة و لكنها لا تزال بدون دليل تجريبي واضح (بعد):
-بوزون هيغز:بحسب النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات فإن بوزون هيغز يمثل حقلاً منتشراً في كل مكان هو حقل هيغز. هذا الحقل مسؤول عن وجود كتلة في بعض الجسيمات المادية. في الرابع من تموز عام 2012 أعلن العلماء في مصادم الهادرونات الكبير اكتشافهم لجسيم يشبه في صفاته بوزون هيغز،لا تزال الاختبارات جارية للتعرف أكثر على مواصفات الجسيم بشكل افضل. ويُعتقد أن عزم اللف الذاتي لهذا الجسيم يساوي الـ (0) و لهذا يصنف على أنه بوزون.
- الغرافيتون: و هو جزيء نظري لم يتم بعد رصده تجريبيا،حيث أن القوى الأساسية تم تفسيرها من خلال البوزونات العيارية، و قد كان هذا الجزيء محاولة طبيعية لتفسير الجاذبية (القوة الرابعة) بنفس الطريقة ونتج عن هذه المحاولة جسيم الغرافيتون الذي يتوقع أنه يملك عزم لف ذاتي تساوي قيمته الـ(2)،و يتوقع أن عدم قدرتنا على رصد هذا البوزون بعد تأتي من أنه ليس مقيداً بشروط الزمان و المكان التي نختبرها.
-البوزونات المركبة: بعض البوزونات تتكون عند اجتماع جسيمين أو أكثر لتشكيل جزيء ذو عزم لف ذاتي قيمته تساوي عدد صحيح مثل:
-الميزونات: يتشكل الميزون عند اجتماع اثنين من الكواركات مع بعضها، بما أن الكواركات هي من الفيرميونات و لديها عزم لف ذاتي يساوي قيمة نصف صحيح فإنهما إذا اجتمعا فسيكون عزم اللف الذاتي (السبين) للجزيء الناتج (وهو مجموع السبين للجزيئين المجتمعين) عددا صحيحا،مما يجعل الجزيء الناتج بوزوناً.
-ذرة الهيليوم-4: تحوي هذه الذرة على بروتونين و إلكترونين و نيوترونين،و إذا جُمع كل عزم اللف الذاتي الخاص بهم سنحصل على عدد صحيح، و منه فإنها بوزون. لذلك فمن الخواص المثيرة للهيليوم-4 أنه يتحول إلى سائل-فائق (يسيل دون أي مقاومة أو لزوجة) عند تبريده إلى درجات حرارة منخفضة جدا مما يشكل مثالا رائعا على إحصاء بوز-أينشتاين بشكل عملي.
إذا كنت قد تابعت الرياضيات البسيطة في المقال السابق فإنك ستلاحظ أن أي جزيء مركب مكون من عدد زوجي من الفيرميونات سيشكل بوزون،لأن مجموع عدد زوجي من الأعداد التي قيمتها نصف صحيحة سيشكل دوما عدد صحيح بالنسبة لقيمة السبين.
المصادر:
deviantart by Jan Robbe