الجسيمات الأولية الكوارك، أصغر من البروتون…

الجسيمات الأولية

الجسيمات الأولية هي الجسيمات الأساسية التي لا يمكن تقسيمها إلى جزيئات أصغر، وهي البنية الأساسية لكل شيء في الكون. هذه الجسيمات هي البناء الأساسي لجميع الذرات والجسيمات الأخرى التي نعرفها، وتتألف منها جميع المادة، وتنقسم الجسيمات الأولية إلى قسمين:
1- الكواركات (Quarks)
2- الليبتونات (Leptons)

وتعتبر هذه الجسيمات الأساسية هي البنية الأساسية لكل المادة، وتتفاعل مع بعضها البعض وتشكل المكونات الأساسية للذرات والجسيمات الأخرى التي نراها في الكون.

ما هي الكواركات؟

الكواركات هي الجزيئات الأساسية التي تتكون منها البروتونات والنيوترونات، وهي تشكل جزءًا من نظرية الكمايات للجسيمات الأولية. هناك ستة أنواع رئيسية للكواركات معروفة حاليًا

كيف اكتشف الكوارك؟

تمّ ذكر الكوارك لأول مرةٍ في عام 1964 من خلال عمل اثنين من الفيزيائيين هما موراي جيلمان (Murray Gell-Mann)، وجورج زويج (George Zweig)، وكلاهما كانا يعملان في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (CalTech)، حيث توصلا إلى استنتاجٍ مفاده وجود جسيماتٍ أوليةٍ داخل البروتونات والنترونات، وذلك إثر سنواتٍ عديدةٍ من العمل الشاق، والقياسات الدقيقة. لم تكن تسمّى هذه الجسيمات بالكوراكات بدايةً، حيث أطلق العالم زويج على هذه الجسيمات الأولية الصغيرة اسم (الآصات) (Aces)، لكن الاسم لم ينتشر، ولم يلق رواجاً في المجمع العلمي.

بينما العالم جيلمان أطلق على هذه الجسيمات اسم الكواركات، وهي تسميةٌ طريفة اشتقّها من روايةٍ بعنوان يقظة فينيجان (Finnegan’s Wake) للكاتب جيمس جويس (James Joyce’s)، حيث وردت عبارة ثلاثة كواركات للسيد مارك (Three quarks for Muster Mark)، وتشير كلمة كواركات في الرواية إلى أبناء الشخصية الرئيسية الثلاثة، وهو السيد مارك.

أنواع الكواركات:

1. كوارك الأسفل (Down Quark)
2. كوارك الأعلى (Top Quark)
3. كوارك الغريب (Strange Quark)
4. كوارك الجمالي (Charm Quark)
5. كوارك السفلي (Bottom Quark)
6. كوارك الأعلى (Top Quark)

كيف ترتبط الكواركات مع بعضها؟

ترتبط الكواركات بواسطة جسيماتٍ أوليةٍ تسمّى الغلونات (Gluon)، فمن خلال تبادل الغلونات بين الكواركات بشكلٍ دائمٍ تضمن بقاءها مرتبطة.

أنواع الكواركات داخل البروتونات والنيوترونات وتوزيعها:

وفقاً لتعريف الكوارك، فإن البروتونات والنيوترونات الموجودة داخل نواة الذرة تتكون من الكواركات، حيث يتكون البروتون من كواركٍ سفلي، واثنين من الكواركات العلوية (uud)، بينما النيوترون يتكون من كواركين سفلي، وكوارك واحد علوي (ddu).

ما هي شحنة الكواركات؟

قيم الشحنة الكهربائية الكسرية للكوارك تكون إما −¹⁄₃ أو +²⁄₃ من قيمة الشحنة الأولية حسب النكهة. فالكواركات العلوية والفاتنة وكواركات القمة (تعتبر كمجموعة كواركات العلوية) لها شحنة +²⁄₃، بينما الكواركات السفلية والغريبة والقعريّة (كواركات المجموعة السفلية) لها −¹⁄₃. ضديد الكوارك لها الشحنة المعاكسة للكوارك المطابق لها؛ بمعنى شحنة ضديد كواركات المجموعة العلوية هي −²⁄₃، وشحنة ضديد كواركات المجموعة السفلية تكون +¹⁄₃. بما أن الشحنة الكهربائية للهادرون هي مجموع شحنات الكواركات الأساسية، فعليه تكون شحنة الهادرونات عددا صحيحا: فشحنة تمازج ثلاث كواركات (باريون)، وثلاث ضديد كواركات (ضديد باريون)، أو كوارك وضديد كوارك (ميزون) تكون نتيجتها دائمًا عدد صحيح. فعلى سبيل المثال، الهادرون عنصر أساسي في نواة الذرة، شحنة النيوترونات والبروتونات تكون 0 و+1 بالترتيب؛ يتكون النيوترون من كواركين سفليين وكوارك علوي واحد، والبروتون يحتوي كواركين علويين وكوارك سفلي واحد.

الشّحنة اللونية (Color Charge) للكوارك:

هناك ثلاثة أنواع من ألوان الكواركات في الديناميكا اللونية الكمومية: ^[2]

1- الأزرق.

2- الأخضر.

3- الأحمر.

تسمّى خاصية الكواركات هذه بالشحنة اللونية، وتحتوي الغلونات أيضًا على شحنتين لونيتين تتوافقان مع اللون الأزرق، والأحمر، والأخضر.

القوى النووية القوية:

الكواركات تتفاعل مع بعضها البعض من خلال تبادل جسيمات الجلوكونات، وتسمى هذه التفاعلات بالقوى النووية القوية. هذه القوة تعتبر واحدة من القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة، وهي المسؤولة عن تثبيت الكواركات داخل الهادرونات.

في الختام:

لا يزال العلماء يبذلون جهودهم لاستكشاف هذا العالم المعقد ومكوناته، فبعد اكتشاف الكواركات داخل البروتونات والنيوترونات في أوائل السبعينيات، اقترح بعض العلماء أن الكواركات قد تحتوي في حدّ ذاتها على جسيماتٍ تُعرف باسم البريونات (Preons)، ولم تنتشر هذه النظرية كثيراً، بينما في الوقت الحالي يعتقد معظم الفيزيائيين أن أفضل وصفٍ للكواركات، والإلكترونات، وجميع الجسيمات الأخرى هو ما تصوره نظرية الأوتار الفائقة، لكن كل ذلك لا يزال طيّ النظريات المجرّدة الخالية من أي إثباتٍ تجريبيّ حقيقيّ.

شكراً على حسن متابعتكم ونرجوا أن يكون المقال قد نال استحسانكم.

المصادر:

1-  “Quark (subatomic particle)”. موسوعة بريتانيكا.
2- Cooper, K. (2022, November 1). Quarks: What are they? Space.com; Space.
3- Turito. (2022, September 5). Quark – definition, history, types and examples.
4- Matthews, R. (n.d.). Is there anything smaller than a quark? Sciencefocus.com.
5- https://pdg.lbl.gov/2023/listings/rpp2023-list-free-quark-searches.pdf
6- https://oloom.aspdkw.com/2020/01/%D9%85%D8%A7-%D9%87%D9%88-%D8%A7%D9%84%D9%83%D9%88%D8%A7%D8%B1%D9%83%D8%9F-%D9%88%D9%84%D9%85%D8%A7%D8%B0%D8%A7-%D8%B1%D8%A8%D9%85%D8%A7-%D9%84%D8%A7-%D8%AA%D9%83%D9%88%D9%86-%D8%A3%D9%83%D8%AB%D8%B1/