تاريخ الجسيمات الأولية دون الذرية:
في أوائل الثلاثينيات من القرن الماضي، لم يكن معروفًا بوجود سوى عدد قليل من الجسيمات دون الذرية، البروتون، والنيوترون، والإلكترون، والفوتون، والنيوترينو بشكل غير مباشر، بدت الطبيعة بسيطة نسبيًا من بعض النواحي، لكنّها غامضة من نواحٍ أخرى، لماذا، على سبيل المثال، يجب أن تكون كتلة الجسيم الذي يحمل شحنة موجبة أكبر بـ (2000) مرة من كتلة الجسيم الذي يحمل شحنة سالبة؟
لماذا يمتلك جسيم محايد مثل النيوترون عزم مغناطيسي؟ لماذا يبدو أنّ الإلكترون ليس له حجم بخلاف طوله الموجي، بينما يبلغ حجم البروتون والنيوترون حوالي (1) فيرمي؟ لذلك، في حين أنّ عدد الجسيمات المعروفة كان صغيراً وقد فسرت الكثير من الظواهر الذرية والنووية، كان هناك العديد من الظواهر غير المبررة وغير معروفة.
شرح الجسيمات الأولية دون الذرية:
سرعان ما أصبحت الأمور أكثر تعقيدًا، من الناحية النظرية والتنبؤ واكتشاف الجسيمات الجديدة، في عام (1928)، قام الفيزيائي البريطاني “ديراك”، بتطوير نظرية الكم النسبية الناجحة للغاية التي وضعت أسس الديناميكا الكهربائية الكمية (QED)، على سبيل المثال، فسرت دوران الإلكترون والعزم المغناطيسي بطريقة طبيعية، لكن نظرية “ديراك” تنبأت أيضًا بحالات الطاقة السلبية للإلكترونات الحرة.
بحلول عام (1931)، أدرك “ديراك” مع “أوبنهايمر” أنّ هذا كان تنبؤًا بالإلكترونات موجبة الشحنة “أو البوزيترونات”، في عام (1932)، اكتشف الفيزيائي الأمريكي “كارل أندرسون” البوزيترون في دراسات الأشعة الكونية، البوزيترون، أو (e+)، هو نفس الجسيم المنبعث في عملية اضمحلال (β +)، وكان أول مادة مضادة تمّ اكتشافها، في عام (1935)، توقع “يوكاوا” أنّ “البيون” (pions)، هي حاملات القوة النووية القوية، وتمّ اكتشافهم في النهاية.
تمّ اكتشاف الميونات في تجارب الأشعة الكونية عام (1937)، وبدا أنّها نسخ ثقيلة وغير مستقرة من الإلكترونات والبوزيترونات، بعد الحرب العالمية الثانية، تمّ بناء مسرعات نشطة بما يكفي لتكوين هذه الجسيمات، لم يتم التنبؤ فقط وتكوين الجسيمات المعروفة، ولكن لوحظ العديد من الجسيمات غير المتوقعة، كانت تسمّى في البداية بالجسيمات الأولية، وتكاثرت أعدادها إلى العشرات ثمّ المئات، وأصبح يوجد مصطلح “حديقة الجسيمات” (particle zoo)، لكن لوحظت أنماط في حديقة الجسيمات أدت إلى تبسيط الأفكار مثل “الكواركات”.
الهدرونات واللبتونات – Hadrons and Leptons:
يمكن أيضًا تجميع الجسيمات بشكل ظاهر وفقًا للقوى التي تشعر بها بينهم، تتأثر جميع الجسيمات “حتى تلك التي بدون كتلة” بالجاذبية، لأنّ الجاذبية تؤثر على المكان والزمان اللذين توجد فيهما الجسيمات، تتأثر جميع الجسيمات المشحونة بالقوة الكهرومغناطيسية، وكذلك الجسيمات المحايدة التي لها توزيع داخلي للشحنة، “مثل النيوترون بعزمه المغناطيسي”، يتم إعطاء أسماء خاصة للجسيمات التي تشعر بالقوى النووية القوية والضعيفة.
اللبتونات – Leptons:
الهادرونات هي جسيمات تشعر بالقوة النووية الشديدة، في حين أنّ اللبتونات هي جسيمات لا تشعر بها، يعد البروتون والنيوترون والبيونات أمثلة على الهادرونات، الإلكترون والبوزيترون والميونات والنيوترينوات هي أمثلة على اللبتونات، وهذا الاسم يعني “الكتلة المنخفضة”، تشعر اللبتونات بالقوة النووية الضعيفة، في الواقع، تشعر جميع الجسيمات بالقوة النووية الضعيفة، هذا يعني أنّ الهادرونات تتميز بقدرتها على الشعور بالقوى النووية القوية والضعيفة.
شرح الجسيمات الأولية اللبتونات:
اللبتونات والكواركات هي اللبنات الأساسية للمادة، أي أنّها تعتبر “الجسيمات الأولية”، هناك ستة لبتونات في الهيكل الحالي، وهي جسيمات الإلكترون والميون والتاو والنيوترينوات المرتبطة بها، تسمّى الأنواع المختلفة من الجسيمات الأولية (flavors)، وتعتبر النيوترينوات هنا ذات صفة مختلفة تمامًا.
المبادئ المهمة لجميع تفاعلات الجسيمات هي الحفاظ على رقم ليبتون (lepton) والحفاظ على رقم الباريون (baryon)، الآن بعد أن أصبح لدينا دليل تجريبي على ستة لبتونات، فإنّ السؤال المناسب هو “هل هناك المزيد؟”، يفترض النموذج القياسي الحالي أنّه لا يوجد أكثر من ثلاثة أجيال، أحد الأدلة التجريبية على ذلك هو نسبة “وفرة الهيدروجين / الهيليوم” المقاسة في الكون، عندما يتم نمذجة عملية الانشطار النووي من الانفجار العظيم، فإنّ عدد أنواع النيوترينوات يؤثر على وفرة الهيليوم، تتوافق الوفرة المرصودة مع ثلاثة أنواع من النيوترينوات.
كواحد من اللبتونات، يُنظر إلى الإلكترون على أنّه أحد الجسيمات الأولية، إنّه فرميون من الدوران (1/2) وبالتالي مقيد “بمبدأ استبعاد باولي”، وهي حقيقة لها آثار رئيسية على بناء الجدول الدوري للعناصر، الجسيم المضاد للإلكترون، “البوزيترون”، متطابق في الكتلة ولكن له شحنة موجبة، إذا واجه إلكترون وبوزيترون بعضهما البعض، فسوف يهلكان بإنتاج شعاعي جاما، من ناحية أخرى، تتمثل إحدى آليات تفاعل الإشعاع مع المادة في إنتاج زوج من زوج الإلكترون والبوزيترون، يرتبط بالإلكترون نيوترينو الإلكترون.
