القوة القوية هي تفاعل أولي يحدث للطبيعة يعمل بين الجسيمات دون الذرية للمادة؛ حيث تعمل القوة الشديدة على ربط الكواركات معًا في مجموعات لتنشأ جسيمات دون ذرية مثل البروتونات، وتنتج أيضا النيوترونات كما أنه يربط النواة الذرية وينتج التفاعلات بين كل الجسيمات التي تتكون من الكواركات.
القوة الكهرو قوية في فيزياء الكم
القوة القوية تنشأ في خاصية تعرف باسم اللون؛ حيث أن هذه الخاصية التي لا علاقة لها باللون بالمعنى المرئي للكلمة تشبه إلى حد ما الشحنة الكهربائية، كما أن الشحنة الكهربائية هي مصدر الكهرومغناطيسية أو القوة الكهرومغناطيسية. كذلك اللون هو مصدر القوة الشديدة، حيث إن الجسيمات عديمة اللون مثل الإلكترونات واللبتونات الأخرى لا “تشعر” بالقوة الشديدة؛ حيث أن الجسيمات ذات اللون وبشكل أساسي الكواركات، “تشعر” بالقوة الشديدة.
إن الديناميكا اللونية الكمومية نظرية المجال الكمومي التي تصف التفاعلات القوية تأخذ اسمها من هذه الخاصية المركزية للون.
كيف تعمل القوة الكهروقوية
في التفاعلات القوية تبادل الكواركات الغلوونات حاملة القوة الشديدة؛ حيث أن الغلونات مثل الفوتونات (الجسيمات المرسال للقوة الكهرومغناطيسية) هي جسيمات عديمة الكتلة مع وحدة كاملة من الدوران الداخلي.
ومع ذلك، على عكس الفوتونات غير المشحونة كهربائيًا، وبالتالي لا تشعر بالقوة الكهرومغناطيسية، تحمل الغالونات اللون مما يعني أنها تشعر بالقوة القوية ويمكنها التفاعل فيما بينها، إذ أن إحدى نتائج هذا الاختلاف هو أنه في نطاقه القصير (حوالي 10-15 مترًا، تقريبًا قطر البروتون أو النيوترون) تبدو القوة القوية أقوى مع المسافة على عكس القوى الأخرى.
مع زيادة المسافة بين كواركين، تزداد القوة بينهما كما هو الحال في الشد في قطعة مرنة، حيث يتم فصل طرفيها عن بعضهما البعض؛ وفي النهاية سوف ينكسر المطاط مما ينتج عنه قطعتين، حيث يحدث شيء مشابه مع الكواركات؛ لأنه مع الطاقة الكافية لا يكون كوارك واحدًا بل زوجًا من الكوارك المضاد الذي “يُسحب” من عنقود.
وهكذا يبدو أن الكواركات دائمًا ما تكون مقفلة داخل الميزونات والباريونات التي يمكن ملاحظتها، وهي ظاهرة تُعرف باسم الحبس، على مسافات مماثلة لقطر البروتون يكون التفاعل القوي بين الكواركات أكبر بحوالي 100 مرة من التفاعل الكهرومغناطيسي، ومع ذلك في المسافات الأصغر، تصبح القوة الشديدة بين الكواركات أضعف وتبدأ الكواركات في التصرف مثل الجسيمات المستقلة، وهو تأثير يُعرف باسم الحرية المقاربة.
تطبيقات التفاعل الكهرو قوي
يوجد في مقدمة الفيزياء عدة أسئلة تتعلق بالتفاعل القوي: كيف كان الكون جزءًا من الثانية بعد الانفجار الأعظم؟ وماذا يحدث داخل النجوم فائقة الصغر؟ ولماذا تم ملاحظة عشرات الجسيمات المكونة من كواركات وغلوونات، مثل البروتون والنيوترون، لكننا لم نكتشف هذه الكتل الأساسية بشكل مباشر، حيث يهدف التطور النظري المقترح في هذا المشروع بالضبط إلى المساهمة في الإجابة على مثل هذه الأسئلة، وبالتالي فهم التركيب الأساسي للمادة المعروفة.
ويتكون هذا المشروع من مجموعة من الجهود النظرية لفهم كيف تظهر التفاعلات القوية في سياقات مختلفة، حيث النظرية الأساسية وهي الديناميكا اللونية الكمومية، حيث تقدم اقترانًا قويًا والتقريب المضطرب القياسي غير قابل للتطبيق، إن أحد الأهداف هو التحقيق في ما يحدث لهذا التفاعل عند الطاقات المنخفضة، مع دراسة النماذج النظرية لوصف حصر الكواركات والغلونات داخل الهادرونات مثل البروتونات والنيوترونات.
المقترحات التي تهدف إلى مخطط تكميم مناسب لنظريات قياس غير أبيلية في هذا النظام منخفض الطاقة، مع معالجة مناسبة لمقياس التكرار، وهي جزء أساسي من هذا المشروع، مثل هذه النظريات وتطبيقاتها هي كائنات بحثية مركزية في هذا المشروع؛ وهناك مسألة تكميلية أخرى يتم تناولها أيضًا، وهي دراسة الظروف المتطرفة والتي يمكن أن تؤدي إلى حبس الكواركات والغلوونات.
خصائص القوى الكهروقوية
لا يزال التفاعل القوي يحتفظ بالألغاز؛ لأن وصفه الرياضي يصبح معقدًا للغاية مع زيادة المسافة بين الجسيمات المعنية ولحل هذه الألغاز، يمتلك الفيزيائيون باستمرار جسيمات تصطدم ببعضها البعض بسرعة تقارب سرعة الضوء في الآلات الضخمة، حيث إن إحدى السمات الخاصة حتى الآن هي الحبس غير المكتشف إلى حد كبير للكواركات في البروتونات أو النيوترونات – الحبس.
التفاعلات القوية بين الكواركات تختلف بشدة عن التفاعلات الكهرومغناطيسية على سبيل المثال، المسؤولة عن جذب مغناطيسين؛ فعندما يتم تحريك المغناطيسين عن بعضهما البعض تصبح القوة بينهما أضعف بشكل متزايد حتى يتوقف كل منهما في النهاية عن جذب بعضهما البعض بشكل ملحوظ فهم أحرار؛ ومع ذلك هذا لا يعمل مع الكواركات.
إذا تم سحب كوارك من البروتون، مثلا يتم تكوين نوع من الأنبوب المكون من الغلوونات بين هذا الكوارك والكواركين المتبقيين في البروتون المتبقي، على غرار الشريط المطاطي أو الزنبرك؛ حيث كلما زاد سحب الكوارك زاد تمدد الشريط المطاطي ونظرًا لأن هذا يتطلب طاقة تزداد طاقة النطاق وفي النهاية، يكون الارتفاع مرتفعًا لدرجة أنه وفقًا لقانون أينشتاين بشأن تكافؤ الطاقة والكتلة ومن الأفضل إنشاء زوج جديد من الكوارك المضاد.
يتحد الكوارك الممتد مع الكوارك المضاد المتولد حديثًا مكونًا ميزون، بينما الكوارك المنتج حديثًا يشكل باريون مع كواركين متبقيين في البروتون المتبقي؛ لذلك سيكون من المستحيل سحب الكوارك من البروتون وملاحظته لاحقًا على أنه كوارك حر وسيتم دائمًا إنتاج ميزون جديد واحد على الأقل، حيث تسمى خاصية التفاعل القوي هذه بالحبس (حبس الكواركات في الهادرونات).
مخططات فاينمان والقوة القوية
على المستوى الأساسي، تكون القوة القوية هي قوة التبادل بين الكواركات التي تتوسطها الغلوونات؛ حيث يتضمن استخدام مخططات فاينمان لتصور التفاعل القوي رؤوسًا بدائية مع الكواركات والغلونات، وتتفاعل الكواركات مع بعضها البعض عن طريق تبادل الغلوونات وتتضمن القمة البدائية في مخطط فاينمان تغيرًا في ” اللون ” ويمكن أن تأخذ الشكل
تحمل الغلوونات “شحنة اللون”، وبالتالي لن يكون للكوارك الناشئ نفس لون الكوارك الداخل؛ وتختلف هذه العملية كثيرًا عن القوة الكهرومغناطيسية لأن الفوتون كجسيم تبادل للقوة بين الشحنات لا يحمل شحنة في حد ذاته، ويمكن تمثيل التفاعل بين الكواركات من خلال الرسم التخطيطي:
التفاعل الموضح هنا مسؤول عن ربط الكواركات معًا في الميزونات والباريونات، ومسؤول عن تجميع البروتونات والنيوترونات معًا لتكوين نوى؛ ونظرًا لأن الغلوونات تحمل اللون، الخاصية المرتبطة بالتفاعل القوي، فيمكنها التفاعل مع بعضها البعض، حيث أن مخططات فاينمان المحتملة لتلك التفاعلات هي:
هذا الاحتمال “الكرات اللاصقة” يزيد بشكل كبير من تعقيد التفاعل القوي بالإضافة إلى الكواركات المقيدة، يمكن أن تكون هناك مجموعات من الغلوونات المقيدة معلقة حولها.
تتوسط جزيئات التبادل في جميع التفاعلات الأساسية، حيث يتضمن كل تفاعل أساسي واحدًا أو أكثر من جسيمات التبادل الخاصة، فكلما كان جسيم التبادل أثقل كان نطاق التفاعل أقصر؛ وتسمى جزيئات التبادل للتفاعل القوي (gluons)، حيث تم دمج اللبنات الأساسية وجزيئات التبادل للتفاعل القوي والضعيف والكهرومغناطيسي في النموذج المشترك الناجح للغاية المسمى بالنموذج القياسي.
