حبس جسيمات الكوارك المشحونة

تحدث العملية المسماة الهادرونات عندما تتحد جسيمات تسمى الكواركات والجلوونات لتكوين الهادرونات، حيث أن الهادرونات عبارة عن جسيمات دون ذرية مركبة مكونة من كواركين أو ثلاثة كواركات، بمجرد أن يتم دمجها، فإن الكواركات والغلوونات تكون محاصرة في الهادرونات.

حبس الكوارك المشحونة

لقد قام الفيزيائيون النوويون في المصادم الأيوني الثقيل النسبي (RHIC) بقياس الوفرة النسبية لبعض الهادرونات ثنائية وثلاثية الكوارك التي تم إنشاؤها في تصادم أيونات الذهب، على وجه الخصوص دراسة الجسيمات التي تحتوي على كواركات ساحرة وثقيلة، والتي يسهل تعقبها من الجسيمات الأخف.

تكشف القياسات أن هناك الكثير من الهادرونات ثلاثية الكواركات أكثر مما كان متوقعًا في ظل تفسير مقبول على نطاق واسع لكيفية تكوين الهادرونات، وتشير النتائج إلى أن الكواركات في حساء الجسيمات الكثيفة التي تم إنشاؤها في المصادم الأيوني الثقيل النسبي (RHIC) تتحد لتتزاوج أو تتضاعف ثلاث مرات.

تأثير حبس الكواركات المشحونة

إن الهدرونات المكونة من كواركين أو ثلاثة هي اللبنات الأساسية للمادة المرئية في هذا العالم، حيث يتضمن ذلك البروتونات والنيوترونات التي تشكل نوى الذرات كما يصفها العلماء في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، لكن العلماء لا يرون أبدًا لبنات البناء الداخلية (الكواركات والغلونات) كأجسام حرة؛ لأن الكواركات دائمًا ما تكون محصورة داخل الجسيمات المركبة.

ويؤدي تصادم حزم الطاقة من نوى الذهب في المصادم الأيوني الثقيل النسبي (RHIC) إلى إذابة الحدود بين البروتونات الفردية والنيوترونات، مما يجعل الكواركات حرة مؤقتًا، ويمكن أن يساعد تتبع الجسيمات التي تتدفق من تصادمات (RHIC) علماء الفيزياء النووية على فهم الهادرون وكيفية حفظ القوة النووية القوية للكواركات، بحيث تكون محصورة لبناء بنية كل شيء مرئي في هذا العالم.

خصائص وفوائد حبس الكواركات المشحونة

• تصادمات الأيونات الثقيلة في المصادم الأيوني الثقيل النسبي (RHIC)، وهي منشأة مستخدم تابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة تخلق بلازما كوارك غلوون (QGP) حيث يتم تحرير الكواركات مؤقتًا من حدودها العادية داخل الهادرونات.

• يمكن أن يساعد تتبع الوفرة النسبية للهادرونات المكونة من كواركين وثلاثة كواركات ناشئة من QGP الخاص بمركز RHIC للعلماء على فرز التفسيرات النظرية لعملية الهادرونات.

• قام الباحثون بتكبير جسيمات لامدا وهي ثلاثية الكواركات الساحرة، والتي تتحلل على بعد أقل من 0.1 ملليمتر من مركز الاصطدام، وقام STAR أيضًا بحساب جسيمات ثنائية الكوارك تسمى (D mesons)، وهي أخف الجسيمات التي تحتوي على كواركات ساحرة، يتم دراستها لاكتشاف ضعف التفاعل، حيث وجدها بأعداد متساوية تقريبا.

أدلة على حبس الكواركات المشحونة

البروتون

في البداية، توقع الفيزيائيون أنه مع الطاقة الكافية يجب أن نكون قادرين على تحرير الكواركات ومراقبتها مباشرة، وهذا لم يثبت أنه ممكن، فلا توجد حتى الآن ملاحظة مباشرة لشحنة كسرية أو أي كوارك معزولة، وعندما يتم وضع طاقات كبيرة في التصادمات، يتم تكوين جسيمات أخرى -ولكن لا تظهر الكواركات.

هناك دليل شبه مباشر على الكواركات مقنع تمامًا، حيث أدت تجارب تشتيت الالكترونات من البروتونات في مركز SLAC أن هناك ثلاث شحنات شبيهة بالنقاط بمعنى أن أحجامها أصغر بكثير من الطول الموجي للمسبار داخل البروتون، وقدم هذا الدليل جميع الاعترافات باستثناء الأكثر تشككًا بوجود صلاحية للبنية التحتية للكوارك من الهادرونات.

أدت التجارب الحديثة ذات الطاقة العالية دفعات من الجسيمات في تصادمات، مما يوحي بشدة بوجود ثلاثة كواركات في النوكليون، ونظرًا لأن الكواركات مرتبطة بإحكام شديد، فإن الطاقة الموضوعة في فصلها تسحبها بعيدًا فقط قبل أن تبدأ في التحول إلى جسيمات أخرى.

الشحنة الكهربائية للكواركات المحصورة

إن النموذج القياسي للكون يوضح أن كل نوع من الكوارك يأتي بثلاثة ألوان أو إصدارات، كل منها نوع من الشحنة النووية القوية شبيه بالشحنة الكهربائية، حيث يأتي الدليل الأولي من البروتون والنيوترون.

حيث أن وجهة النظر لهذه الجسيمات هي أن البروتون يتكون من كواركين علويين وكوارك سفلي ولا شيء آخر، في حين أن النيوترون هو نفسه بروتون مع استبدال كوارك علوي واحد مع كوارك سفلي، وتأتي شحناتهم فقط من شحنات الكواركات التي تحتويها مضافة معًا.

في السبعينات أدرك العلماء أن بروتونًا مصنوعًا حقًا من اثنين كوارك علوي وواحد كوارك سفلي والعديد من أزواج الكواركات المضادة للكوارك والعديد من الغلوونات، حيث تسمى الكواركات الثلاثة الأولى (كواركات التكافؤ) وتسمى الجسيمات المتبقية (البحر)ومع ذلك، فإن البحر لا يحمل أي رسوم.

إن الأكثر سحراً بكثير مما كان متوقعاً هو من خلال تفسير الهادرونات المسمى بالتجزئة، حيث تقوم الكواركات أو الغلوونات النشطة بإثارة الفراغ والانقسام لتشكيل أزواج كوارك مع كوارك مضادة والتي تتحد فيما بعد؛ وتدعم النتائج آلية بديلة تُعرف باسم الالتحام، حيث تجعل بلازما كوارك غلوون (QGP) الكثيفة الكواركات قريبة بما يكفي لإعادة الاتحاد في جسيمات مركبة مباشرة.