أساسيات فيزياء الجسيمات، يعتبر علم الفيزياء من العلوم الهامة والتي حظيت بمكانة كبيرة على مدار التاريخ، فقد يعتبر علم الفيزياء من أهم العلوم العلمية فهو العلم المفسر لما يحدث من ظواهر طبيعية على سطح الكرة الأرضية، وقد يحتوي علم الفيزياء على العديد من الفروع والأقسام وهناك العديد من المصطلحات الرئيسية في علم الفيزياء وأبرزها فيزياء الجسيمات، لذلك سنتناول موضوعاً بعنوان أساسيات فيزياء الجسيمات.
ما المقصود بفيزياء الجسيمات؟
في فيزياء الجسيمات ، الجسيم الأولي أو الجسيم الأساسي هو جسيم مجهول البنية ، وبالتالي ليس من المعروف ما إذا كان يتكون من جسيمات أخرى. تشمل الجسيمات الأولية المعروفة الفرميونات الأساسية والبوزونات الأساسية، يتكون العالم المادي من مجموعات من جسيمات دون ذرية أو أساسية مختلفة ، وهذه هي أصغر اللبنات الأساسية للمادة ، وتتكون جميع المواد باستثناء المادة المظلمة من جزيئات ، وهي نفسها مكونة من ذرات ، وتتكون الذرات من اثنين أجزاء ، نواة ذرية وسحابة إلكترونية ، الإلكترونات تدور حول نواة الذرة ، وما بداخل نواة الذرة ، النواة نفسها تتكون عمومًا من بروتونات ونيوترونات ، ولكن حتى هذه أجسام مركبة ، وداخل البروتونات والنيوترونات ، نجد الكواركات.
الجسيمات الأساسية في الفيزياء
الكواركات والإلكترونات هي بعض الجسيمات الأولية الأساسية ، وقد تم اكتشاف عدد من الجسيمات الأساسية في تجارب مختلفة ، والتي كان على الباحثين تنظيمها ، تمامًا كما فعل منديليف مع جدوله الدوري ، ويتلخص هذا في نموذج نظري (يتعلق بـ التفاعلات النووية الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية) تسمى النموذج القياسي.
أنواع الجسيمات في الفيزياء
غالبًا ما يُزعم أن الإغريق القدماء كانوا أول من حدد الأشياء التي ليس لها حجم ، ومع ذلك فقد تمكنوا من بناء العالم من حولنا من خلال تفاعلاتهم ، وبما أننا قادرون على مراقبة العالم بتفاصيل أصغر وأصغر من خلال القوة المتزايدة المجاهر ، من الطبيعي أن نتساءل عن ماهية هذه الأشياء، يعتقد العلماء أنهم وجدوا بعضًا من هذه الأشياء: الجسيمات دون الذرية ، أو الجسيمات الأساسية التي ليس لها حجم لا يمكن أن يكون لها بنية تحتية ، ويسعون إلى شرح خصائص هذه الجسيمات وإظهار كيف يمكن استخدامها لشرح محتويات هذه الجسيمات. الكون ، هناك نوعان من الجسيمات الأساسية: جسيمات المادة ، بعضها يتحد لإنتاج العالم من حولنا ، وجسيمات القوة ، أحدها الفوتون ، المسؤول عن الإشعاع الكهرومغناطيسي ، مصنفة في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، الذي يضع نظريات حول كيفية تفاعل اللبنات الأساسية للمادة ، والتي تحكمها القوى الأساسية ، وجزيئات المادة هي الفرميونات بينما جسيمات القوة هي البوزونات.
بنية جسيمات المادة في الفيزياء
تنقسم جسيمات المادة إلى مجموعتين وهما كواركات ولبتونات ، وهناك ستة ، لكل منها شريك مماثل ، وتنقسم اللبتونات إلى ثلاثة أزواج ، يحتوي كل زوج على جسيم أولي به شحنة وجسيم بدون شحنة ، وهو أخف بكثير. ويصعب جدًا اكتشافه ، أخف هذه الأزواج هو الإلكترون والنيوترينو الإلكتروني، الإلكترون المشحون مسؤول عن التيارات الكهربائية ، وشريكه غير المشحون ، المعروف باسم إلكترون نيوترينو ، ينتج بغزارة في الشمس ويتفاعل بشكل ضعيف مع محيطه لدرجة أنه يمر عبر الأرض دون عوائق. يمر مليون منهم عبر كل سنتيمتر مربع من جسمك كل ثانية ، ليلا ونهارا، يتم إنتاج نيوترينوات الإلكترون بأعداد لا يمكن تصورها أثناء انفجارات المستعر الأعظم ، وهذه الجسيمات هي التي تشتت العناصر الناتجة عن الاحتراق النووي في الكون. تشمل هذه العناصر الكربون الذي صنعناه ، والأكسجين الذي نتنفسه ، وكل شيء آخر على الأرض تقريبًا. من التفاعل مع الجسيمات الأساسية الأخرى ، فهي حيوية لوجودنا ، ويبدو أن أزواج النيوترينو الأخرى هي مجرد نسخ أثقل من الإلكترون، نظرًا لأن المادة العادية لا تحتوي على هذه الجسيمات مثل الجسيمات الموجودة في نواة الذرة ، فقد يبدو الأمر معقدًا غير ضروري ، ولكن خلال الثواني الأولى إلى العشر ثوانٍ من الكون بعد الانفجار العظيم ، كانت ضرورية لتأسيس بنية الكون. نحن نعيش في عصر ليبتون، تنقسم الكواركات الستة أيضًا إلى ثلاثة أزواج بأسماء غريبة. تلتصق الكواركات العلوية والسفلية معًا لتشكيل البروتونات والنيوترونات التي تقع في قلب كل ذرة. أوضح العلماء مرة أخرى ، أنه يوجد فقط أخف زوج من الكواركات في المادة العادية ، ولكن ، مثل اللبتونات الأثقل ، لعبوا دورًا في اللحظات الأولى من الكون وساعدوا في إنشاء واحد قابل للحياة لوجودنا.
قوة الجسيمات الفيزيائية
هناك ستة جسيمات قوى في النموذج القياسي تخلق تفاعلات بين جسيمات المادة ، وهي مقسمة إلى أربع قوى أساسية: قوى الجاذبية ، والقوى الكهرومغناطيسية ، والقوى القوية والضعيفة، ويعد الفوتون أيضًا جسيمًا من الضوء وهو مسؤول عن المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تنشأ من تبادل الفوتونات من جسم مشحون إلى آخر ، وينتج الغلوون القوة المسؤولة عن تجميع الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات. عنصر من تلك البروتونات والنيوترونات معا لتشكيل نوى أثقل.
النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات
هناك جسيم نهائي يكمل استدعاء الجسيمات فيما يشار إليه بالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الموصوف حتى الآن، بوزون هيغز هو جسيم غريب ، وهو ثاني أثقل جسيم في النموذج القياسي ويقاوم تفسيرًا بسيطًا ، وغالبًا ما يُقال إنه أصل الكتلة ، وهذا صحيح ، فهو يعطي كتلة للكواركات ، وتشكل الكواركات البروتونات. والنيوترونات ، ولكن فقط 2٪ من كتلة البروتونات والنيوترونات توفرها الكواركات ، وبقية الطاقة الموجودة في الغلوونات، في هذه المرحلة ، نظر العلماء في جميع الجسيمات التي يتطلبها النموذج القياسي: ستة جسيمات قوة ، 24 جسيمًا ، وجسيم هيغز ، لما مجموعه 31 جسيمًا أساسيًا. على الرغم مما نعرفه عنهم ، لم يتم قياس خصائصهم جيدًا بما يكفي للسماح لنا بالقول بشكل قاطع أن هذه الجسيمات هي كل ما نحتاجه لبناء الكون الذي نراه من حولنا ، وبالتأكيد ليس لدينا جميع الإجابات ، ولكن النظرية لا تزال خاطئة، بذل علماء الفيزياء النظرية الكثير من الجهد في محاولة بناء نظرية تعطي إجابات معقولة في جميع الطاقات ، مع إعطاء نفس الإجابة مثل النموذج القياسي في جميع الظروف التي تم فيها اختبار النموذج القياسي ، يشير التعديل الأكثر شيوعًا إلى وجود جسيمات ثقيلة جدًا غير مكتشفة ، وحقيقة أنها ثقيلة ، يعني أن هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة لإنتاجها ، ويمكن اختيار خصائص هذه الجسيمات الإضافية لضمان أن النظرية الناتجة تعطي إجابات معقولة في جميع الطاقات ، ولكن لا يوجد تأثير على القياسات التي تتفق بشكل جيد مع النموذج القياسي.
ما هي المادة المضادة
نحن نعلم أيضًا وجود المادة المضادة ، وهو مفهوم يحبّه كثيرًا كتّاب الخيال العلمي ، لكنه موجود بالفعل. كثيرًا ما تُلاحظ جزيئات المادة المضادة ، على سبيل المثال ، يُستخدم البوزيترون (الجسيم المضاد للإلكترون) في الطب لرسم خريطة لأعضائنا الداخلية باستخدام التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. (PET) ، ومن المعروف أنه عندما يلتقي جسيم بجسيمه المضاد ، فإنهما يقضيان على بعضهما البعض وينتجان دفعة من الطاقة ، ويتم استخدام ماسح التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) للكشف عن ذلك، أيضًا ، يحتوي كل جسيم من المادة على جسيم شريك له نفس الكتلة ، ولكن الشحنة الكهربية المعاكسة ، لذلك يمكننا مضاعفة عدد جسيمات المادة (ستة كواركات وستة لبتونات) للوصول إلى العدد النهائي وهو 24، ونعطي كواركات المادة عددًا من +1 والكواركات المضادة بقيمة -1 ، إذا أضفنا عدد كواركات المادة بالإضافة إلى عدد كواركات المادة المضادة ، نحصل على العدد الصافي للكواركات في الكون ، وهذا لا يتغير أبدًا ، إذا لدينا طاقة كافية ، يمكننا إنشاء أي من كواركات المادة طالما أننا نخلق كواركات المادة المضادة في نفس الوقت ، في اللحظات الأولى من الكون ، كانت هذه الجسيمات تتشكل باستمرار ، والآن يتم إنشاؤها فقط في تصادم الكون أشعة مع أجواء الكواكب والنجوم.
وبختام مقالنا نكون تعرفنا إلى فيزياء الجسيمات الذي تعتبر أصغر بنية في المادة، حيث أن الجسيمات من العناصر الأساسية في المادة فهي حجر الأساس في بنائها، وكذلك فهي تحمل خصائص المادة وصفاتها، وبرغم أن العلماء استغرقوا الكثير من الوقت لمعرفتها ولكنهما ليومنا هذا لم يتمكنوا من تجزئتها ومعرفة مكوناتها.