جسيمات الكوارك الأولية

إن الكوارك عضو في مجموعة من الجسيمات دون الذرية الأولية التي تتفاعل عن طريق القوة الشديدة، ويعتقد أنها من بين المكونات الأساسية للمادة؛ وترتبط الكواركات ببعضها البعض عن طريق القوة الشديدة لتكوين البروتونات والنيوترونات بنفس الطريقة التي تتحد بها الجسيمات الأخيرة بنسب مختلفة لتكوين نوى ذرية.

ما هو الكوارك

الكواركات هي جسيمات أولية حقيقية، أي أنه ليس لديها هيكل ظاهر ولا يمكن تحويلهم إلى شيء أصغر، بالإضافة إلى ذلك، يبدو أن الكواركات تحدث دائمًا مع كواركات أخرى أو معها الكواركات المضادة والجسيمات المضادة معا، لتشكيل الهادرونات التي تطلق على جسيمات شديدة التفاعل، والتي تشمل كل من الباريونات والميزونات.

وينظر إليها على أنها جسيمات أولية في النموذج القياسي الحالي، وهناك ست نكهات من الكواركات يمكنهم حساب جميع الميزونات والباريونات المعروفة، حيث إن الباريونات الأكثر شيوعًا هي البروتون والنيوترون، والتي تتكون كل واحدة من الكواركات العلوية والسفلية، ولوحظ أن الكواركات تحدث فقط في مجموعات من كواركين ميزونات وثلاثة كواركات باريونات.

لماذا سمي الكوارك بهذا الاسم

اكتشف العلماء في الستينيات أن البروتونات والنيوترونات تتكون من جسيمات أصغر مما كان يعتقد، وفي البداية أطلق عليها اسم كواركات؛ تأتي الجسيمات دون الذرية في العديد من الأنواع المختلفة من الفئات الثلاث الرئيسية هي اللبتونات والكواركات والبوزونات المقاسة.

كما تشمل بوزونات القياس الفوتون الذي يشارك في القوة الكهرومغناطيسية، وهي القوة المسؤولة عن الأحداث الكهربائية والمغناطيسية، فمنها ما يشارك في القوة الضعيفة المسؤولة عن أنواع معينة من الاضمحلال الاشعاعي، ومنها ما يشارك في القوة الشديدة المسؤولة عن ربط مكونات النواة، ومن المفترض أن هناك ما هو مسؤول عن قوة الجاذبية.

تحدد التوليفات الخاصة من الكواركات نوع الجسيمات المتكونة، حيث يتكون البروتون من كواركين علويين وكواركين سفليين، بينما يتكون النيوترون من كوارك علوي وكواركين سفليين، حيث يُعتقد أن كل المادة في الكون تتكون من الكواركات واللبتونات، كما أن الهادرون المكون من ثلاثة كواركات مثل البروتون أو النيوترون يسمى باريون، بينما الجسيم المكون من كواركين يقال إنه ميزون.

الكوارك المضاد

الكواركات المضادة هي الجسيمات الأساسية، وهي التي تتكون منها النيوكليونات، أي البروتونات والنيوترونات، بالإضافة إلى الجسيمات الأخرى؛ هناك 6 أنواع من الكوارك، اثنان منها يوجدان في البروتونات والنيوترونات تعرف باسم السفلية والعليا، حيث تشكل الكواركات الستة مع الكواركات المضادة عائلة الكواركات وتكون خصائص الكواركات المضادة مشابهة لخصائص الكوارك المقابل، لكن مع الإشارة المعاكسة.

دليل وجود ستة كواركات

عندما يزداد مربع طاقة الإلكترون بمعامل يقارب المائة، يبدأ البروتون في إظهار دليل على التركيب، فينخفض ​​المقطع العرضي للتشتت المرن بشكل حاد، بينما يظل المقطع العرضي للتشتت الكلي للأحداث التي تنتج جسيمات أخرى (معظمها ميزونات ) ثابتًا تقريبًا.

يشير هذا إلى أن الإلكترون يتشتت من شيء داخل البروتون يكون عديم البنية عند هذه الطاقات، كما أصبحت مراكز التشتت الأصغر داخل البروتون تسمى كواركات، وهذا النوع من نتائج التشتت هو إحدى الخطوات التي أدت إلى الصورة الحالية للبروتون على أنه مكون من كواركين علويين وسفلي.

في نطاق الطاقة حتى ستة بالمئة جيجا إلكترون فولت، ينخفض ​​المقطع العرضي للتشتت المرن للإلكترونات من نوى الكربون بشكل كبير؛ وذلك لأنه من غير المحتمل أن تظل نواة الكربون سليمة تحت هذا القصف النشط.

القوى الرابطة والكواركات الضخمة

تميل قوى الارتباط التي تحملها الغلونات إلى أن تكون ضعيفة عندما تكون الكواركات قريبة من بعضها داخل بروتون أو هادرون آخر على مسافات تقل عن عشرة أو خمسة عشر مترًا، حيث تتصرف الكواركات كما لو كانت حرة تقريبًا، وهذا الشرط يسمى بالحرية المقاربة.

عندما يتم فصل الكواركات عن بعضها كما هو الحال عند محاولة إخراجها من البروتون فإن تأثير القوة يزداد، وذلك بسبب أن الغلونات تمتلك القدرة على تكوين غلونات أخرى أثناء تحركها بين الكواركات، وهكذا إذا بدأ الكوارك في الابتعاد عن رفاقه بعد أن اصطدم بجسيم متسارع، حيث إن الغلونات تستخدم الطاقة التي تستمدها من حركة الكوارك لإنتاج المزيد من الغلونات.

كلما زاد عدد الغلونات المتبادلة بين الكواركات، كلما أصبحت قوى الارتباط الفعالة أقوى، حيث إن توفير طاقة إضافية لاستخراج الكوارك يؤدي فقط إلى تحويل تلك الطاقة إلى كواركات جديدة وكواركات مضادة يتحد معها الكوارك الأول، حيث تُلاحظ هذه الظاهرة في مسرعات الجسيمات عالية الطاقة في إنتاج نفاثات من الجسيمات الجديدة التي يمكن أن ترتبط بكوارك واحد.

إن الكواركات المضادة المرتبطة معا، والتي تحققت من خلال تكوين الميزونات تشير بقوة إلى أن الكواركات تحدث في أزواج، حيث وجد أن الكوارك العلوي يحمل الكتلة الأكبر، إذ أنه لم يتم توضيح سبب كون الكوارك العلوي أكبر بكثير من الجسيمات الأولية الأخرى، لكن وجوده يكمل النموذج القياسي وهي النظرية السائدة لمخطط لبنات البناء الأساسية للطبيعة.

ما هو كوارك الألوان

• اظهر تفسير الكواركات ككيانات مادية فعلية في البداية مشكلتين رئيسيتين، وهي يجب أن تحتوي الكواركات على نصف عدد صحيح من قيم الدواران وهو الزخم الزاوي الجوهري لكي يعمل النموذج، ولكن في نفس الوقت بدا أنها تنتهك مبدأ استبعاد باولي الذي يحكم سلوك جميع الجسيمات التي تسمى فرميونات، والتي لها دوران نصف عدد صحيح فردي.

• في العديد من تكوينات البارون المشيدة من كواركات، يجب تعيين كواركين أو حتى ثلاثة كواركات متطابقة في نفس الحالة الكمية، وهو ترتيب يحظره مبدأ الاستبعاد؛ أيضا بدأت الكواركات تتحدى التحرر من الجسيمات التي تتكون منها، على الرغم من أن الكواركات المقيدة كانت قوية، إلا أنه بدا من غير المحتمل أن تكون قوية بما يكفي لتحمل القصف بواسطة حزم الجسيمات عالية الطاقة من المسرعات.

كيف يتم حل المشكلات التي ظهرت بسبب اعتبار الكوارك كيانات مادية؟

• تم حل هذه المشكلات من خلال إدخال مفهوم اللون، كما تمت صياغته في الديناميكا اللونية الكمومية في نظرية التفاعلات القوية هذه، والتي نشرت أفكارها المهمة والتي تقول أنه لا علاقة للون بألوان العالم اليومي، بل يمثل خاصية الكواركات مصدر القوة القوية للالوان أحمر وأخضر ويُنسب اللون الأزرق إلى الكواركات المضادة.

• يجب أن تحتوي جميع مجموعات الكواركات على خليط من هذه الألوان الخيالية التي تلغي بعضها البعض، مع عدم وجود لون صافٍ للجسيم الناتج، الباريون مثلا يتكون دائمًا من مزيج من كوارك أحمر وواحد أخضر وواحد أزرق.

• تلعب خاصية اللون في القوة الشديدة دورًا مشابها لدور الشحنة الكهربائية في القوة الكهرومغناطيسية، وكما تشير الشحنة إلى تبادل الفوتونات بين الجسيمات المشحونة، فإن اللون أيضًا ينطوي على تبادل جسيمات عديمة الكتلة تسمى الغالونات بين الكواركات.

• مثلما تحمل الفوتونات القوة الكهرومغناطيسية، تنقل الغلوونات القوى التي تربط الكواركات معًا، حيث تغير الكواركات لونها عندما تصدر وامتصاص الغلوونات، ويحتفظ تبادل الغلوونات بالتوزيع الملائم للكوارك.