ما هي الكواركات في الذرة؟
في أعماق الذرات التي تشكل أجسامنا وحتى داخل البروتونات والنيوترونات التي تشكل النوى الذرية، توجد جسيمات صغيرة تسمى الكواركات. فما هي؟
ما هي الكواركات؟
الكواركات هي اللبنات النهائية للمادة المرئية في الكون.
إذا تمكنا من تكبير الذرة في جسمك، فسنرى أنها تتكون من إلكترونات تتجمع في مدارات حول نواة من البروتونات والنيوترونات.
وإذا تمكنا من تكبير أحد تلك البروتونات أو النيوترونات، فسنجد أنها تتكون من ثلاثي من الجسيمات الصغيرة جدًا لدرجة أنه ليس لها أي حجم تقريبًا على الإطلاق، وهي أكثر بقليل من النقاط. هذه الجسيمات النقطية هي الكواركات.
الكواركات هي جسيمات أولية. مثل الإلكترون، فهي لا تتكون من أي جسيمات أخرى. يمكنك القول أنهم في الطابق الأرضي من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.
اكتشاف الكواركات
تم التنظير لوجود الكواركات لأول مرة في عام 1964 من خلال عمل اثنين من الفيزيائيين، موراي جيلمان وجورج زويج، وكلاهما كانا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (CalTech) ولكنهما توصلا إلى استنتاج مفاده أن الكواركات موجودة بشكل مستقل عن بعضها البعض.
وعلى عكس الطريقة التي يتم بها تصوير العلم غالبًا في وسائل الإعلام، لم تكن استنتاجات جيلمان وزفايج بمثابة “آها!” لحظة ولكن بدلاً من ذلك تم بناؤها على خلفية سنوات عديدة من العمل الشاق والاكتشافات الدقيقة من قبل مجتمع فيزياء الجسيمات.
بحلول الخمسينيات من القرن الماضي، كان الفيزيائيون يقومون ببناء مكتبة من الجسيمات المعروفة. لقد كان الأمر يشبه إلى حد ما علم النبات، حيث قام بفهرسة الأنواع المختلفة وخصائصها، ولكن ما كان مفقودًا هو النظرية الأساسية وراء وجودها.
أصبحت هذه النظرية تُعرف في النهاية باسم النموذج القياسي، ولكن للوصول إلى هناك كان لا بد من إجراء العديد من الاكتشافات الحيوية، بما في ذلك اكتشاف الكواركات.
الهايبرونات
الأمر الأكثر إثارة للحيرة هو وجود جسيمات تسمى هايبرونات، والتي كانت غير مستقرة وتضمحل بسرعة كبيرة، ولكن ليس إلى الجسيمات التي كان من المتوقع أن تتحلل إليها.
أدرك جيلمان أنه لا بد من وجود خاصية كمية غير معروفة في العمل، والتي أطلق عليها اسم “الغرابة” بسبب عدم توقع كل شيء.
يجب الحفاظ على الأعداد الكمومية، مثل الغرابة والشحنة والدوران. إذا اضمحل جسيم ذو عدد كمي محدد، فإن منتجاته الثانوية يجب أن يكون مجموعها مساويًا لتلك الأعداد الكمومية التي كان يمتلكها الجسيم المتحلل.
علاوة على ذلك، فإن الأعداد الكمومية لجسيم معين لها “درجات حرية” – وهي في الأساس نطاق القيم التي يمكن أن تمتلكها هذه الأعداد.
يتم تسمية درجات الحرية هذه بالمتعددات، والنمط الذي يمكن من خلاله ترتيب هذه المضاعفات بين جسيمات مختلفة قاد جيلمان وزفايج إلى الاعتقاد بأن الجسيمات ومتعدداتها يمكن تفسيرها إذا كان كل جسيم مكونًا من جسيمين أو ثلاثة جزيئات أصغر.
أطلق زفايج على هذه الجسيمات الأولية الصغيرة اسم “الآص”، لكن الاسم لم ينتشر. جيلمان، الذي كان دائمًا من الأسماء اللطيفة التي لا تُنسى، أطلق عليها اسم الكواركات، مشتقًا من سطر في رواية جيمس جويس التجريبية، يقظة فينيجان: “ثلاثة كواركات لموستر مارك!” في الرواية، تشير الكواركات إلى أبناء الشخصية الرئيسية الثلاثة، السيد مارك.
تمت الإشارة إلى هذه الكواركات بالكواركات “العلوية” و”السفلية” و”الغريبة”. لا يشير الكوارك العلوي والسفلي حقًا إلى أي شيء، في حين أن الكوارك الغريب لديه عدد كمي من الغرابة -1، ولهذا السبب يطلق عليه “غريب”، في حين أن الكواركات العلوية والسفلية لها غرابة قدرها 0.
إقرأ أيضاً… مقدمة في فيزياء الذرة.
الكواركات في فيزياء الكم
على الرغم من أن النظرية كانت ذكية، إلا أنها لم تنتشر على الفور لأنه لم يكن هناك دليل تجريبي على الكواركات.
جاء ذلك بعد أربع سنوات في عام 1968 في مركز ستانفورد للمسرع الخطي (SLAC) في كاليفورنيا.
أطلق المجربون الإلكترونات، ثم الميونات لاحقًا، على البروتونات، ووجدوا دليلاً على أن الإلكترونات والميونات كانت تنثر ثلاثة جسيمات أصغر موجودة داخل البروتونات، ولكل من هذه الجسيمات الأصغر شحنة كهربائية خاصة بها. هذه الجسيمات هي الكواركات.
لقد اتضح أن هناك في الواقع ستة أنواع، أو نكهات، من الكواركات في المجمل. إلى جانب الكواركات العلوية والسفلية والغريبة، هناك أيضًا كواركات “ساحرة” و”قموية” و”سفلية”.
كل واحد لديه مجموعته الخاصة من الأعداد الكمومية، وكتلتها مختلفة تمامًا. حيث أن الكواركات العلوية والسفلية هي الأقل كتلة، والكوارك العلوي هو الأثقل بكتلة أكبر بـ 61000 مرة من الكوارك العلوي. لماذا يجب أن تكون ضخمة جدًا ليس مفهومًا تمامًا، ولكنها تتحلل بسرعة إلى كواركات أقل كتلة.
السبب الوحيد الذي يجعل العلماء يعرفون بوجود أمثال الكواركات العلوية والسفلية هو أن مسرعات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير قادرة على إنتاجها لفترة وجيزة.
ومما يزيد من صعوبة دراسة الكواركات حقيقة أنها لا توجد بمفردها في الظروف العادية.
وهي دائمًا مرتبطة ببعضها البعض بواسطة القوة النووية القوية، والتي تسمح لها بتكوين جسيمات مركبة تسمى الهادرونات.
الميزونات والباريونات
تسمى الجسيمات المكونة من كواركين بالميزونات، والجسيمات المكونة من ثلاثة كواركات تسمى باريونات. والتي تشمل البروتونات (اثنان كوارك علوي وواحد أسفل) والنيوترونات (واحد علوي وكواركين سفلي).
هناك جسيمات تسمى رباعيات الكواركات وهي مكونة من أربعة كواركات، وخمسة كواركات تحتوي على خمسة كواركات، وبعضها شبه مستقر ولكنه يضمحل في النهاية.
لكي يتناسب مع نظرية فيزياء الكم، فإن سلوك الكواركات يتم اخضاعه لنموذج يسمى الديناميكا اللونية الكمومية، أو QCD للاختصار.
يشير “الكرومو” في الاسم إلى “اللون” – ليس كما هو الحال في اللون الأحمر أو الأخضر أو الأزرق، ولكن الاسم الذي يطلق على عدد كمي معين تمتلكه الكواركات.
فكر في اللون باعتباره يلعب نفس الدور في القوة القوية الذي تلعبه الشحنة الكهربائية في القوة الكهرومغناطيسية.
لذلك، مثل الألوان تتنافر وعلى عكس الألوان (أي اللون ومضاده اللون) تتجاذب، وتشكل أزواجًا مستقرة من الكواركات. ومثل الأعداد الكمومية الأخرى، يجب أيضًا الحفاظ عليها.
القوة الشديدة التي تربط الكواركات داخل الهادرونات يحملها نوع آخر من الجسيمات الأولية الصغيرة تسمى الغلوونات، والتي يتم تبادلها بين الكواركات.
فصل الكواركات
يتطلب فصل الكواركات الفردية كمية هائلة من الطاقة (لا تسمى القوة القوية بدون سبب).
هذه الكمية من الطاقة الخام لم تكن موجودة في الطبيعة إلا بعد حوالي 10 أجزاء من المليار من الثانية إلى حوالي جزء من المليون من الثانية بعد الانفجار الكبير. عندما كانت درجة الحرارة حوالي 3.6 تريليون درجة فهرنهايت (2 تريليون درجة مئوية).
خلال هذه الفترة المبكرة والوجيزة، كان الكون الوليد مليئًا بشكل من أشكال المادة اسمه بلازما كوارك-غلوون، وهي عبارة عن حساء جسيمي من الكواركات والجلونات الحرة.
مع انخفاض درجة الحرارة والضغط بسرعة مع توسع الكون الوليد، أصبحت الكواركات مرتبطة ببعضها البعض، لتشكل الهادرونات. والتي شكلت في النهاية أساس كل المادة المرئية التي نراها اليوم في الكون، من النجوم والمجرات إلى الكواكب والبشر.
على الرغم من أن بلازما كوارك-غلوون كانت موجودة قبل 13.8 مليار سنة فقط في أعقاب الانفجار الكبير. إلا أن العلماء نجحوا في إعادة إنشائها في تجارب مسرعات الجسيمات عن طريق تحطيم نواتين ثقيلتين، مثل نوات الرصاص، ببعضهما البعض بسرعة قريبة من سرعة الكون. ضوء. المرة الأولى التي تم فيها تحقيق ذلك كانت في Super Proton Synchrotron التابع لـ CERN في عام 2000.
على هذا النحو، فإن دراسة بلازما كوارك-غلوون في تجارب مسرعات الجسيمات هي طريقة مهمة لفهم أفضل للظروف في الكون في أعقاب الانفجار الكبير.
النجوم الكواركية
الموقع الآخر في الطبيعة حيث يمكن أن تكون الظروف متطرفة لدرجة أن الكواركات تصبح غير محدودة هو في جسم افتراضي اسمه “النجم الكواركي”.
إذا كانت موجودة، فإن نجوم الكوارك هي نوع من النجوم النيوترونية المتطرفة. وهي أكثر الأجسام المدمجة المعروفة في الكون والتي لم تنهار تحت الجاذبية لتشكل ثقبًا أسود.
يولد النجم النيوتروني في المستعر الأعظم، وهو انفجار عنيف يشير إلى تدمير نجم ضخم.
بينما تنفجر الطبقات الخارجية للنجم، ينهار قلب النجم تحت الجاذبية ويصبح الضغط هناك كبيرًا جدًا لدرجة أن البروتونات ذات الشحنة الكهربائية الإيجابية تندمج مع الإلكترونات سالبة الشحنة، وتلغى شحناتها لتشكل نيوترونات محايدة.
يبلغ قطر النجوم النيوترونية حوالي 6 أميال (10 كيلومترات)، ويمكن أن تحتوي ملعقة من مادة النجم النيوتروني على كتلة تعادل كتلة جبل.
ومع ذلك، من الناحية النظرية، قد يكون من الممكن أن تصبح نوى النجوم المحتضرة أكثر إحكاما. في هذا السيناريو، سوف تتفكك النيوترونات، وتطلق كواراتها إلى الحرية. سيكون هذا نجم كوارك.
اكتشاف النجوم الكواركية
ومع ذلك، في الوقت الحالي، تظل نجوم الكوارك افتراضية بحتة؛ لم يكتشف علماء الفلك واحدًا بشكل قاطع بعد، على الرغم من وجود عدد قليل من المرشحين الذين يبدو أن لديهم خصائص مختلفة قليلاً عن النجوم النيوترونية العادية، مثل القطر الأصغر والكتلة الأكبر.
أحد المرشحين هو جسم لم يتشكل في الواقع في مستعر أعظم ولكن من اندماج نجمين نيوترونيين أنتج حدث موجة جاذبية يُعرف باسم GW 190425، والذي التقطته كاشفات موجات الجاذبية LISA وVirgo هنا على الأرض في عام 2019.
وتتراوح كتلة الجسم المندمج بين 3.11 و3.54 كتلة شمسية.
هذا ضخم جدًا بحيث لا يمكن اعتباره نجمًا نيوترونيًا (والذي من الناحية النظرية لا يمكن أن تزيد كتلته عن حوالي 2.4 كتلة شمسية) ولكنه ليس ضخمًا بما يكفي ليكون ثقبًا أسود (والذي يجب أن تبلغ كتلته حوالي خمس كتلة شمسية على الأقل). هل يمكن أن يكون نجم كوارك بدلا من ذلك؟
أحد الاحتمالات الأخرى هو أن بعض النجوم النيوترونية يمكن أن تكون أجسامًا هجينة، مع وجود مادة نجم نيوتروني عادية في طبقاتها الخارجية ومادة كوارك عميقة في قلبها.
