ما هي طبيعة الجسيمات دون الذرية؟
الجسيم دون الذري، ويسمى أيضًا الجسيم الأولي، أي من وحدات المادة أو الطاقة القائمة بذاتها والتي تشكل المكونات الأساسية لكل المادة، حيث تشمل الجسيمات دون الذرية الإلكترونات، والجسيمات سالبة الشحنة، والجسيمات عديمة الكتلة تقريبًا والتي تمثل مع ذلك معظم حجم الذرة، وهي تشمل اللبنات الأساسية الأثقل لنواة الذرة الصغيرة ولكن الكثيفة جدًا، والبروتونات الموجبة الشحنة والمحايد كهربائيًا النيوترونات.
لكن هذه المكونات الذرية الأساسية ليست بأي حال من الأحوال الجسيمات دون الذرية الوحيدة المعروفة، البروتونات والنيوترونات، على سبيل المثال، تتكون من جسيمات أولية تسمى كواركات، والإلكترون هو عضو واحد فقط من فئة من الجسيمات الأولية التي تشمل أيضًا الميون والنيوترينو.
تم اكتشاف جسيمات دون ذرية غير عادية – مثل البوزيترون، نظير المادة المضادة للإلكترون – وتم تمييزها في تفاعلات الأشعة الكونية في الغلاف الجوي للأرض، توسع مجال الجسيمات دون الذرية بشكل كبير مع بناء مسرعات الجسيمات القوية؛ لدراسة التصادمات عالية الطاقة للإلكترونات والبروتونات والجسيمات الأخرى مع المادة.
عندما تصطدم الجسيمات بطاقة عالية، تصبح طاقة الاصطدام متاحة لتكوين جسيمات دون ذرية مثل الميزونات والهايبرونات وأخيرًا، استكمالًا للثورة التي بدأت في أوائل القرن العشرين بنظريات تكافؤ المادة والطاقة، تحولت دراسة الجسيمات دون الذرية باكتشاف أن أفعال القوى ترجع إلى تبادل جسيمات “القوة” مثل الفوتونات والغلونات.
تم الكشف عن أكثر من 200 جسيم دون ذري – معظمها غير مستقر للغاية، موجود لمدة تقل عن جزء من المليون من الثانية – نتيجة للتصادمات الناتجة عن تفاعلات الأشعة الكونية أو تجارب مسرعات الجسيمات، حيث أعطت البحوث النظرية والتجريبية في فيزياء الجسيمات ودراسة الجسيمات دون الذرية وخصائصها العلماء فهمًا أوضح لطبيعة المادة والطاقة وأصل الكون.
تم دمج الفهم الحالي لحالة فيزياء الجسيمات في إطار مفاهيمي يُعرف بالنموذج القياسي. يوفر النموذج القياسي مخطط تصنيف لجميع الجسيمات دون الذرية المعروفة بناءً على الأوصاف النظرية للقوى الأساسية للمادة.
نظرية بوم:
ينص نهج بوم على أن الجسيم المادي هو الشيء الذي يوجد دائمًا في مكان معين أو آخر، بالإضافة إلى ذلك، فإن الوظائف الموجية ليست مجرد كائنات رياضية ولكنها أشياء مادية، حيث أنها تشبه إلى حد ما مجالات القوة (الحقول الكهربائية أو المجالات المغناطيسية) في الميكانيكا الكلاسيكية، فهي تعمل على دفع الجسيمات حولها أو توجيهها على طول مساراتها المناسبة.
كما أن القوانين التي تحكم تطور وظائف الموجة هي المعادلات التفاضلية الخطية القياسية للحركة، وبالتالي فهي حتمية؛ القوانين التي تحدد كيفية قيام الموجات بدفع الجسيمات الخاصة بها حولها، والتي تعتبر فريدة بالنسبة لنظرية بوم، حتمية تمامًا أيضًا.
وبالتالي، يمكن من حيث المبدأ حساب مواقع جميع الجسيمات في العالم في أي وقت، ووظيفة الموجة الميكانيكية الكمومية الكاملة في العالم في ذلك الوقت، من حيث المبدأ على وجه اليقين من مواقع جميع الجسيمات في العالم والعالم الكامل.
دالة الموجة الميكانيكية الكمومية في أي وقت سابق، أي عدم يقين في نتائج تلك الحسابات هو بالضرورة عدم يقين معرفي، ومسألة جهل بالطريقة التي تحدث بها الأشياء، وليس شكًا ناتجًا عن عنصر الصدفة غير القابل للاختزال في القوانين الأساسية للعالم، ومع ذلك فإن بعض عدم اليقين المعرفي موجود بالضرورة، أو كمسألة مبدأ، حيث أنه مستلزم من قبل قوانين التطور في نظرية بوم.
لنفترض أن إلكترونًا واحدًا مع (x-spin = +1) يتم إدخاله في الجهاز، إذ وفقًا لنظرية بوم، سيأخذ الإلكترون إما المسار (y = +1) أو المسار (y = −1) الفترة، وسيتم تحديد المسار الذي يسلكه بشكل كامل من خلال دالة الموجة الأولية وموقعها الأولي (على الرغم من أنه من المستحيل من حيث المبدأ التأكد من تفاصيل معينة عن هذه الظروف عن طريق القياس)، وبغض النظر عن المسار الذي يسلكه الإلكترون، فإن وظيفته الموجية، وفقًا للمعادلات التفاضلية الخطية للحركة، سوف تنقسم وتتخذ كلا المسارين، وفي حالة أن يأخذ الإلكترون المسار (y = +1)، فسيتم إعادة توحيده في الصندوق الأسود مع ذلك الجزء من دالة الموجة التي سلكت مسار (y = −1).
تتمثل إحدى نتائج قوانين نظرية بوم في أنه في أي وقت معين، يمكن فقط لهذا الجزء من الدالة الموجية للجسيم الذي يشغله الجسيم نفسه في ذلك الوقت أن يكون له أي تأثير على حركات الجسيمات الأخرى، وبالتالي، فإن أي محاولة لاكتشاف الجزء “الفارغ” من دالة الموجة التي تمر عبر أحد المسارين ستفشل؛ لأن جهاز الكشف نفسه يتكون من جسيمات، حيث يفسر هذا عدم وجود تراكب في القياسات الفعلية للإلكترونات الخارجة من مربع y.
كما تفسر نظرية بوم جميع السلوكيات المتناقضة للإلكترونات التي يتم تغذيتها في الجهاز دون الحاجة إلى اللجوء إلى فئات غير واضحة بشكل متبادل من القوانين الأساسية، كما تفعل النسخة القياسية من ميكانيكا الكم.
على الرغم من حقيقة أن المعادلات التفاضلية الخطية للحركة هي المعادلات الحقيقية للتطور الزمني للدالة الموجية للكون بأسره، فهناك حقائق محددة حول مواضع الجسيمات، وبالتالي حول المؤشرات التي يتم إجراؤها بواسطة أجهزة القياس.
ما هو جسيم W؟
هو أحد جسيمين دون ذريين مشحونين كهربائيًا، يعتقد أنهما ينقلان القوة الضعيفة؛ أي القوة التي تتحكم في الانحلال الإشعاعي في أنواع معينة من النوى الذرية، ووفقًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الذي يصف الجسيمات الأساسية وتفاعلاتها، فإن جسيمات W وشريكها المحايد كهربائيًا جسيم Z، هما الجسيمات الحاملة (البوزونات المقيسة) للقوة الضعيفة، حيث أكد اكتشاف جسيمات W و Z، يشار إليها أيضًا باسم البوزونات المتجهية الوسيطة في النظرية الكهروضعيفة، وهي الإطار المشترك الذي يصف القوى الكهرومغناطيسية والقوى الضعيفة.
تنبأ الفيزيائيون شيلدون لي جلاشو وستيفن واينبرغ وعبد السلام بوجود بوزونات النواقل الوسيطة وخصائصها في أواخر الستينيات، إذ تشرح جهودهم النظرية التي تسمى الآن نظرية الكهروضعيفة، حيث إن القوة الكهرومغناطيسية والقوة الضعيفة، اللتان تعتبران منذ فترة طويلة كيانات منفصلة، هي في الواقع مظاهر للتفاعل الأساسي نفسه.
مثلما تنتقل القوة الكهرومغناطيسية عن طريق الجسيمات الحاملة المعروفة بالفوتونات، فإن القوة الضعيفة يتم تبادلها عبر ثلاثة أنواع من البوزونات المتجهية الوسيطة، اثنان من هذه البوزونات يحملان شحنة كهربائية موجبة أو سالبة ويشار إليهما W + و W− على التوالي.
النوع الثالث يسمى Z0 وهو محايد كهربائيا، على عكس الفوتونات، وكل بوزون متجه وسيط له كتلة كبيرة، وهذه الخاصية مسؤولة عن المدى القصير للغاية للقوة الضعيفة، التي يقتصر تأثيرها على مسافة حوالي 10-17 مترًا فقط (وفقًا لميكانيكا الكم، يميل نطاق أي قوة معينة إلى أن يكون متناسبًا عكسياً مع كتلة الجسيم الذي ينقلها).
في العمليات منخفضة الطاقة مثل تحلل بيتا المشع، جسيمات دبليو الثقيلة يمكن تبادلها فقط لأن مبدأ عدم اليقين في ميكانيكا الكم يسمح بتقلبات في كتلة الطاقة على مدى فترات زمنية قصيرة بدرجة كافية، حيث لا يمكن أبدًا ملاحظة جسيمات W هذه مباشرة ومع ذلك، يمكن إنتاج جسيمات W القابلة للاكتشاف في تجارب معجلات الجسيمات التي تتضمن تصادمات بين الجسيمات دون الذرية، بشرط أن تكون طاقة الاصطدام عالية بما يكفي.
يتحلل جسيم AW من هذا النوع إلى ليبتون مشحون (على سبيل المثال، إلكترون أو ميون أو تاو) ونيوترينو مرتبط به أو إلى كوارك وكوارك مضاد من نوع مختلف (أو “نكهة”) ولكن بشحنة إجمالية قدرها +1 أو −1.
في عام 1983، كشفت تجربتان في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) عن خصائص تقترب عن كثب من تلك المتنبأ بها؛ لتكوين وانحلال جسيمات W و Z، وشكلت النتائج التي توصلوا إليها أول دليل مباشر على ضعف البوزونات وقدمت دعمًا قويًا لنظرية الكهروضعيف.
لاحظ الفريقان العديد من الأمثلة الواضحة للبوزونات الضعيفة في تجارب تصادم البروتون والبروتون المضاد، والتي أجريت في حلقة تخزين شعاع تصادم تبلغ 540 جيجا إلكترون فولت (GeV؛ 109 eV)، حيث كانت كتلة كل جسيمات W المرصودة حوالي 81 جيجا إلكترون فولت، أو ما يقرب من 80 ضعف كتلة البروتون، كما تنبأت نظرية الكهروضعيفة.
كانت جسيمات Z المحايدة كهربائيًا المكتشفة، بكتلة سكون تبلغ 93 جيجا إلكترون فولت، متوافقة أيضًا مع التنبؤ، حيث مُنح الفيزيائي( CERN) كارلو روبيا والمهندس سيمون فان دير مير جائزة نوبل للفيزياء عام 1984؛ تقديراً لدورهما في اكتشاف جسيمات W و Z.
منذ العمل المبكر في (CERN)، تم توليد جسيمات W بأعداد أكبر بكثير في مصادم البروتون المضاد للبروتون بقوة 1800 جي في تيفاترون في مختبر (Fermi National Accelerator Laboratory)، وفي مصادم الإلكترون والبوزيترون الكبير في (CERN)، حيث أسفرت هذه التجارب عن قياسات أكثر دقة لكتلة الجسيم W، والمعروف الآن أنها قريبة من 80.4 GeV.
