على مدى 115 عامًا مضت ، اكتشف الفيزيائيون أن كل شيء تقريبًا ، بما في ذلك الحجارة والمطر والشمس وضوء الشمس ، وموجات المحيط وموجات الراديو ، يمكن وصفها من حيث الجسيمات (والمجالات المقابلة لها). اكتشفت التجارب مجموعة متنوعة من أنواع الجسيمات التي تبدو اليوم أولية لنا (أي أنها لا تتكون من جزيئات أولية أكثر). كل التنوع المعقد لعالمنا المألوف يتكون من مجموعة صغيرة من هذه الجسيمات. الجزيئات المتبقية عابرة ، وتتحلل بسرعة بحيث لا نلبيها في الظروف العادية. لكن يمكنهم الحفاظ على مفاتيح أسرار الكون التي لا تزال غير متاحة لنا.
في هذه المقالة ، ستجد نظرة عامة صغيرة على الفهم الحالي للجسيمات وتنظيمها في فئات. شيء مثل جدول دوري من الجسيمات مع اثنين من الحيل. بالإضافة إلى ذلك ، ستتعلم ما يفعله حقل هيجز ودوره الحاسم في حياة الكون للجسيمات.
يتم تقليل فهمنا الحالي ، إلى جانب أبسط الفرضيات حول تشغيل الجسيم وحقل هيجز ، إلى مجموعة من المعادلات تسمى "النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات" ، أو ببساطة "النموذج القياسي". تحتوي الجسيمات الأولية في النموذج القياسي تاريخياً على أسماء غريبة للغاية ، بالإضافة إلى تشتت الكتلة الكبيرة. في الشكل. 1:
• قمت برسم جزيئات أثقل في الأعلى وجزيئات خفيفة في الأسفل. وفقًا لمنطقي ، فإن الجسيمات عديمة الكتلة هي الحد الأدنى ، ولا يوجد حد أعلى لكتلة الجسيمات. أي أن هناك أرضية صلبة بالأسفل ، وفوق السماء فقط.
• بدلاً من الكتل ، أقتبس من طاقات الكتلة المكافئة (E = mc
2 ) ، والتي يستخدمها عادة فيزيائيو الجسيمات. إن تتبع الطاقة التي لا تختفي ولا تظهر أسهل من تتبع كتلة الجسيمات التي يمكن أن تتغير في عمليات معينة ، على سبيل المثال ،
أثناء الاضمحلال . وحدة GeV تساوي تقريبًا طاقة الكتلة لأخف ذرة ، الهيدروجين.
• لقد حددت ثلاث فئات من الجسيمات: اللبتونات المشحونة (الأقراص الزرقاء) والنيوترينو (الأقراص السوداء) والكواركات (الأقراص الحمراء). تنقسم الكواركات عادة إلى فئتين ، العلوي والسفلي ، تختلف فقط في الشحنة الكهربائية. ستتضح أهمية هذا التصنيف لاحقًا.
• في المستطيلات ، أشرت إلى ثلاثة تفاعلات مع جزيئاتها الحاملة. استبعدت التفاعل الرابع ، الجاذبية ، حتى لا تسد الصورة.
• حقل هيجز (أو شيء يلعب دوره) في الطبيعة لا يساوي الصفر. لقد عينته من خلال خلفية خضراء.
التين. 1
ما نوع هذه الجسيمات؟ كل منهم لديه جسيمات مضادة ، لكن للإيجاز أنا أغفلها. دعونا نراجع هيكل المادة بسرعة ، ونفككها حتى نصل إلى المستوى المطلوب.
• تتكون الذرات ، التي يبلغ نصف قطرها حوالي مليار مرة أصغر من رأسك ، من إلكتروناتها ونوياتها الذرية.
• الذرات تمتص وتطلق جزيئات الضوء والفوتونات. يحدث هذا بسبب التفاعل الكهرومغناطيسي الذي يحمله الفوتون (أي عندما تعمل الكهرومغناطيسية ، فإن الفوتونات موجودة دائمًا).
• تتكون النوى الذرية من البروتونات والنيوترونات ، أصغر بـ 100،000 من الذرة نفسها ، وتتكون في الغالب من الكواركات العلوية والسفلية (والعلامات القديمة) والغلونات.
• البروتونات والنيوترونات لا تنهار ، ويتم الاحتفاظ بها أيضًا داخل النواة بسبب التفاعل القوي الذي يحمله 8 أنواع من الجلوونات.
• الشمس مشرقة ، وتتحلل بعض النوى الذرية بسبب تحويل الكواركات من نوع إلى كواركات من نوع آخر. في هذه الحالة ، تنبعث الإلكترونات والنيوترينوات ، هذه الجسيمات تأتي مباشرة من مركز الشمس.
• هذا التحول في الكواركات وانبعاث النيوترينوات يرجع إلى التفاعل الضعيف الذي تحمله الجسيمات W
+ و W
- و Z
0 .
• آخر تفاعل معروف هو الجاذبية ، التي من المفترض أن تحمل الجاذبية. نظرًا لضعف الجاذبية المذهل ، يصعب اكتشاف هذا الجسيم.
يتم تحديد جميع جوانب عالمنا تقريبًا بواسطة هذه الجسيمات. ولكن هناك آخرون. يسمى الإلكترون والنيوترينو 1 والكوارك العلوي والكوارك السفلي "جيل" واحد من الجسيمات - في هذه الحالة ، فإن الجيل يعني نفس الجيل من شجرة العائلة. هناك جيلين أثقل ، لكل منهما نسخ موزونة من هذه الجسيمات الأربعة.
• الجيل الثاني يتكون من الميون والنيوترينو 2 والكوارك المسحور والكوارك الغريب.
• الجيل الثالث يتكون من تاو ، نيوترينو 3 ، تي-كوارك وبي-كوارك.
يقسم هيكل الأجيال هذه الجسيمات إلى طبقات أفقية. يمكن أيضًا تقسيمها رأسيًا إلى الفصول التي ذكرتها: غالبًا ما يتحدث الناس عن "جسيمات من النوع الإلكتروني" أو "leptons المشحونة" ، في إشارة إلى الإلكترون والميون والتاو ، ويتحدثون عن "النيوترينو" بشكل عام ، ويقسم الكواركات إلى "العلوي" (علوي ، مسحور ، ر) و "سفلي" (سفلي ، غريب ، ب).
قد تتساءل عن سبب تسمية النيوترينوات بهذه الأسماء المملة مقارنة بالجسيمات الأخرى. لقد أطلقنا عليهم اسمًا مختلفًا ، ولكن خلال العشرين عامًا الماضية تعلمنا الكثير عنهم ، ولا نزال نتعلم. ربما عندما يهدأ الغبار ، سنعطيهم أسماء جديدة.
لا نعرف سوى القليل عن جسيم هيجز ، لكننا سنتعلم المزيد في المستقبل القريب.
دعونا نلقي نظرة على الجماهير المختلفة. ليس لديهم انتشار كبير فحسب ، ولكن ليس لديهم أيضًا أي نظام صريح. فيما يلي بعض الملاحظات حول الكتل ، بدءًا من الجسيمات الأخف وزنًا:
• من المحتمل ألا يكون للفوتون والجرافيتون كتلة - يجب أن تكون كتلتهما صغيرة بشكل مدهش حتى تكون هناك مجالات مغناطيسية بين المجرات يمكن ملاحظتها وهياكل ضخمة للكون.
• جلونز ليس لها كتلة ، بقدر ما هو منطقي - يقضون حياتهم في الأسر داخل الهدرونات مثل البروتونات ، وقياس كتلتها مباشرة ليس سهلاً.
• جادل المنظرون منذ فترة طويلة حول وجود كتلة النيوترينو. حلت تجارب العقد الماضي هذا النزاع (على الرغم من حقيقة أن الأدلة التي تم الحصول عليها غير مباشرة ، لا يزال هناك مجال للمناورة). كتل النيوترينو صغيرة جدًا ، وأثقلها أخف بمليون مرة على الأقل من أخف ذرة (هيدروجين) ، وكتلة الأخف وزنًا أصغر.
• كتل الجسيمات الأخرى معروفة. الإلكترون أخف بحوالي 1800 مرة من الهيدروجين ، و t-quark أثقل بحوالي 400000 مرة من الإلكترون ، وأخف بنسبة قليلة فقط من ذرة الذهب. تبلغ كتلة الجسيمات W و Z حوالي نصف كتلة الكوارك تي.
• جميع الجسيمات ذات الكتلة الكبيرة لها بسبب التفاعل مع مجال هيجز. يمكن للنيوترينوات الحصول على الكتلة ليس بشكل مباشر ، لكن حقل هيجز يلعب دورًا مهمًا لهم أيضًا. لقد لاحظت هذه الحقيقة من خلال الإطارات الخضراء بسماكات مختلفة على الأقراص التي تشير إلى الجسيمات.
• طاقة الكتلة لجسيم هيجز هي 125 ج.ف.
في الشكل. 2 جمعت الجزيئات والتفاعلات بشكل مختلف.
التين. 2
يوضح الشكل أي الجزيئات تؤثر بشكل مباشر على أي منها. لقد رسمت خطوطًا بين جميع أنواع الجسيمات التي تتفاعل مباشرة مع بعضها البعض. ما هو مثير للاهتمام أن نلاحظ:
• لا يوجد شيء يسمى غالبًا جزيئات المادة - اللبتونات المشحونة أو النيوترينوات أو الكواركات - يتفاعل مع بعضها البعض.
• تتفاعل جزيئات المادة بشكل مباشر فقط مع الجسيمات التي تنقل التفاعلات!
وهذا ما يفسر سبب تسمية ناقلات التفاعل بهذه الطريقة. عندما يتفاعل إلكترون في ذرة مع كوارك علوي في نواة ذرية ، فإنه لا يفعل ذلك مباشرة. يتفاعل الإلكترون مباشرة مع الفوتون ، ويتفاعل الكوارك مع الفوتون ، ونتيجة لذلك (فهو معقد وغير بديهي) اتضح أن الإلكترون ينجذب إلى الكوارك ، والعكس صحيح. وبالمثل ، فإن التفاعل بين الكواركين غير مباشر ، ويأتي من التفاعل المباشر للكواركات مع الجلونات. لا تحدث جميع التفاعلات المعروفة بين جزيئات المادة بشكل مباشر ؛ حيث يشارك حاملو التفاعلات فيها. عند فتح الباب ، تعمل الفوتونات.
يشير الشكل أيضًا إلى عدة خصائص مهمة للتفاعلات وفئات الجسيمات:
• جميع جزيئات فئة معينة تخضع لتفاعل واحد - وهذا هو ما يحدد انتمائها إلى الطبقة. تشعر النيوترينوات فقط بتفاعل ضعيف. فقط الكواركات والغلونات تشعر بتفاعل قوي.
• تظهر الخطوط المنحنية أن بعض شركات التفاعل تتفاعل مباشرة مع نفسها أو مع شركات أخرى. يتفاعل الغلوون مع أنفسهم ، لكن الفوتون لا يتفاعل مع نفسه (على الأقل ليس بشكل مباشر).
• بمعنى ما ، جسيم هيجز هو أيضًا ناقل للتفاعل. لكن هذه حالة خاصة. كلما كان التأثير الذي أحدثه تفاعل هيجز على الجسيم أقوى ، زادت كتلة هذا الجسيم في مجال هيغيرز غير صفري. (هذا البيان صحيح للجسيمات المعروفة ، ولكن قد لا يكون صحيحًا لأولئك الذين لم يتم اكتشافهم بعد). قمت بتمييزه بتدرج المجال الأخضر ، الذي يصبح أغمق في الأعلى ، مما يعني تضخيم تأثير الجسيمات الثقيلة. وبالمثل ، يتفاعل جسيم هيجز بقوة أكبر مع الجسيمات الثقيلة مقارنة بالجسيمات الخفيفة.
يبدو هذا العالم غريبًا بشكل رهيب ، ولكن سواء كنت تريده أم لا ، فهو عالمنا. يمكنك رؤية بعض المخططات التي تم وضع علامة عليها تقريبًا ، ولكن لا يزال لا يوجد تنظيم واضح. يرتبط عدم التنظيم بطريقة أو بأخرى بحقل (أو الحقول) هيجز.