الفيزياء غريبة الأطوار: أروع جسيمات الطبيعة

الجسيمات الدقيقة توجد في الطبيعة بمختلِف النكهات والأحجام، يوجد بعضُها على شكل أزواجٍ هدّامة يقوم كلٌّ منها فعلياً بتبخير الآخر، وبعضُها الآخر له أسماء خيالية مثل الجسيمات فائقة التناظر (Sparticles)والنيوترولينوهات (neutrolinos). والآن، إليك الجسيمات الدقيقة التي تُسيل لعاب علماء الفيزياء أنفسهم!

في مجال ميكانيكا الكمّ، تحمل الجسيمات كلّ القوى الأساسية. فعلى سبيل المثال، يتألّف الضوء من جسيمات معدومة الكتلة تُدعى فوتونات تحمل القوة الكهرومغناطيسية. وعلى غراره، فإن الغرافيتون هو الجسيم النظريّ المسؤول عن حمل قوّة الجاذبية. لم يرصد العلماءُ الغرافيتونات بعد، حيث إنّ رصدها مخادعٌ جدًا وذلك أن تفاعلها مع المادة ضعيفٌ جدًا.

كل الجسيمات العادية يُعتقَد بأن لها جسيماتٍ نظيرة من المادة المضادة، لها الكتلة نفسها لكن شحنتها مضادة. حين تتلاقى المادة والمادة المضادة، تُفني كلتاهما بعضهما البعض. فعلى سبيل المثال، نظير البروتون من المادة المضادة هو البروتون المضاد (antiproton)، بينما نظير الإلكترون من المادة المضادة هو البوزيترون (positron).

إنها جسيمات دون ذرية خفيفة الوزن تكاد تسافر بسرعة الضوء. في الواقع، تريليونات النيوترينوهات تسبح مخترقةً جسدك في أي لحظة، إلا أنها نادرًا ما تتفاعل مع المادة العادية. بعض النيوترينوهات تصدر عن الشمس، بينما يصدر بعضُها الآخر عن تفاعُل الأشعة الكونية مع الغلاف الجويّ للأرض والمصادر الفلكية مثل النجوم المنفجرة في مجرة درب التبّانة والمجرات البعيدة الأخرى. نظير النيوترينو من المادة المضادة يُدعى جيونيوترينو (geoneutrino)، وعلى غرار التفاعلات الأخرى بين المادة والمادة المضادة، يفنى الجسيمان حين يلتقيان.

إن كلمة (Sparticle) هي اختصار للجسيم فائق التناظر (supersymmetric particle)، وهو الذي تتنبأ بوجوده نظرية التناظر الفائق (supersymmetry theory)، التي تفترض أن هناك نظيرًا لم نكتشفه بعد لكل جسيمٍ معروف لدينا. فعلى سبيل المثال، النظير الفائق للإلكترون هو السلكترون (selectron)، والنظير الفائق للكوارك هو السكوارك (squark)، ونظير الفوتون هو الفوتينو (photino).

لماذا لا نرصد هذه الجسيمات فائقة التناظر في الكون حاليًا؟ يظن العلماء أنها أثقل بكثير من نظائرها من الجسيمات، وكلّما ثَقُل وزن الجسيم قَصُرت حياته. فهي فعلياً تنهار حالما تُنتَج.

خلق الجسيمات فائقة التناظر يتطلّب كمًا مهولًا من الطاقة، كالطاقة التي لم تُوجَد قطّ إلا بعد الانفجار العظيم، وربما تلك التي يمكن خلقها في مسرعات الجسيمات الكبيرة مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC).

أما للإجابة عن سبب كون الجسيمات ثقيلة لهذا الحدّ، فعلماء الفيزياء يتكهّنون بأن التناظر ربما انكسر في قطاعٍ خفيّ ما من قطاعات الكون، ولا يمكننا رؤيته أو لمسه بيد أنه يمكننا الشعور به بصورةٍ جذبيّة وحسب.

هي لَبنات بناء البروتونات والنيوترونات الأساسية المسمّاة على نحوٍ جذّاب، حيث لا توجد إلا في مجموعات؛ فالكواركات لا توجد وحدها أبدًا. على ما يبدو، فإن القوة التي تربط الكواركات ببضعها تتزايد طرديًا مع المسافة بينها، لذا، كلّما حاولت فصل وإبعاد كوارك وحيد، ازدادت مقاومته للرجوع. ولذلك لا توجد الكواركات الحرة في الطبيعة أبدًا. هذه الجسيمات الأولية لها ستّ نكهات: العلويّ، والسفليّ، والساحر، والغريب، والقميّ، والقاعيّ. فعلى سبيل المثال، البروتونات والنيوترونات يتألّف كلٌ منهما من ثلاثة كواركات، حيث تحتوي البروتونات على كواركين علويّين وكوارك سفليّ، بينما النيوترونات تحوي كواركين سفليّين وكواركاً علويّاً.

الكواركان العلويّ والسفليّ لهما أقل كتلة، وهما أكثر النكهات شيوعًا، حيث إن الكواركات الأثقل -كالساحر، والغريب، والقميّ، والقاعيّ- تنحلّ سريعًا لتصير كواركات علوية وسفلية. إلا أن الكواركات الأثقل يمكن إنتاجها في تصادمات عالية الطاقة، مثل تلك التي تحدث في محطّمات الذرات القوية.