تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تطلق تسمية الباريونات (Baryons) على الجسيمات الثقيلة، وكلمة باريون مشتقة من اليونانية (Baryons) أي ثقيلة. تحتوي الباريونات على الكواركات، وهي تشارك بالقوى الأربعة الأساسية في الطبيعة (القوى النووية القوية، والضعيفة، والقوى الكهرومغناطيسية، وقوى التجاذب).

ممّ تتكون مجموعة الباريونات؟

تتكون من: ^[1]

1- النيوكليونات (Nucleons)

وتشمل البروتونات p والنيوترونات n التي تشكل مكونات النواة، يتكون البروتون P من كواركين علوي (up)، وكوارك سفلي (Down)، ويحمل البروتون شحنةً كهربائيةً موجبة ومساوية بالقيمة لشحنة الإلكترون، بينما يتكون النيوترون من كواركين سفلي وكوارك علوي، ولا يحمل شحنةً كهربائية، وكتلته مساوية تقريباً لكتلة البروتون.

2- الهايبرونات (Hyperons)

وتشمل الجسيم لامدا ( [math]\Lambda ^{\circ }[/math]Lambda)، سيغما ( [math]\Sigma ^{\pm \circ }[/math]Sigma)، إكسا ( [math]\Xi ^{\circ -}[/math]Xi)، وأومغا ([math]\Omega ^{-}[/math] Omega). الهايبرونات أثقل من النيوكليونات، تنتج بواسطة التأثيرات المتبادلة القوية، لكنها تتفكك بواسطة التأثيرات المتبادلة الضعيفة (باسثناء Σ⁰).

يتكون الباريون دلتا من كوارك علوي، وكوارك سفلي، وكوارك غريب Strange(s)، وغالباً ما ينتج من تصادم الجسيمات عالية الطاقة. أما الباريون سيكما وإكسا، فتختلف مكوناتها من الكواركات، وهي مبينة في الجدول اللاحق، وتمتلك عائلة الباريونات سيكما شحناتٍ كهربائية مختلفة. الباريون أومغا يحتوي على ثلاث كواركات s.

3- الرنينات (Resonances)

وتشمل دلتا ([math]\Delta [/math] Delta) تمثل الرنينات الحالات المثارة للنيوكليونات وللهايبرونات، وتتفكك بواسطة التأثيرات المتبادلة القوية، وذات فترات حياةٍ قصيرة جداً ([math]10^{-23}[/math]) ثانية. وتختلف مكوناتها من الكواركات، وتمتلك شحناتٍ كهربائية مختلفة.

ما هي خصائص الباريونات؟

1- الباريونات جسيمات أولية، وكل باريون يحتوي على ثلاث كواركات، بينما تحتوي الباريونات المضادة على ثلاث كواركات مضادة، فعلى سبيل المثال: يحتوي البروتون على كواركين علوي (up)، وكوارك سفلي (down)، بينما يحتوي البروتون المضاد على كواركين علوي مضاد، وكوارك سفلي مضاد.

2- تخضع الباريونات لإحصاء فيرمي-ديراك، فهي فرميونات، وتمتلك سبين نصف صحيح ½,3/2, 5/2,…….

3- تشارك في جميع التأثيرات المتبادلة.

4- جميع الباريونات جسيمات غير مستقرة باستثناء البروتون.

5- تمتلك الباريونات عدداً باريوني B مساوياً الواحد، والذي يمثل وجود ثلاث كواركات.

6- تتعلق كتلة وطاقة الباريونات بمكوناتها من الكواركات.

7- تمتلك شحنة موجبة، أو سالبة، أو حيادية، ويتعلق ذلك بمكوناتها من الكواركات. ^[2]

ما هو العدد الباريوني؟

نحن نعلم أن النيوترون جسيم غير مستقر، وفترة حياته حوالي 12 دقيقة. أما البروتون، فجسيم شديد الاستقرار، وتقدر فترة حياته الوسطى بحوالي [math]10^{31}[/math] سنة. كان من الممكن وقبل اكتشاف الجسيمات المضادة أن نعلل استقرار البروتون بأنه أصغر جسيم يحمل شحنةً موجبة، لكن بعد اكتشاف البوزيترون (الجسيم المضاد للإلكترون) لم يعد هذا التعليل مقبولاً.

فما المانع من تفكك البروتون إلى بوزيترون أو بيون مع إصدار فوتونات تحمل الفائض من الطاقة الناتجة عن هذا التفكك، ولاسيما أن البروتون يمتلك طاقةً كافية لتفككه بأكثر من آلية:

[math]\rho \to e^{+}+\gamma [/math]

[math]\rho \to \pi ^{+}+\gamma [/math]

[math]\rho \to \pi ^{+}+\pi ^{-} [/math]

إن كل تفكك إشعاعي لا يخلو بمبادئ الانحفاظ لابدّ أن يتمّ ولو بصورةٍ نادرة. أما إذا تعذر حدوث تفاعلٍ معين، فلا بدّ من وجود مبدأ انحفاظ يمنع حدوث هذا التفاعل.

مثلاً: لو نظرنا في إمكانية حدوث تفاعل تقكك البروتون إلى بوزيترون بأنه غير ممكن على الرغم من تحقيقه مبادئ الانحفاظ الأربعة، وهي: الشحنة الكهربائية (حيث شحنة البروتون 1+ وكذلك البوزيترون، بينما الفوتون عديم الشحنة)، كذلك مجموع عزم الحركة، ومجموع عزم الدوران والطاقة محفوظة خلال التفكك السابق.

إن عدم حصول هذه التفاعلات السابقة يدعو إلى الاعتقاد بوجود مبدأ انحفاظٍ خامس، ولهذا أدخل مفهوم العدد الباريوني، وهو عدد كوانتي يمثل وجود ثلاث كواركات في الباريونات. تمتلك كل الباريونات عدداً باريونياً (Baryon Number) يرمز له (B) مساوياً (1+)، بينما تمتلك الباريونات المضادة عدداً باريونيا مساوياً (1-). أما الليبتونات (كالإلكترون، والبوزيترون، والفوتون)، فعددها الباريوني يساوي الصفر.من هنا توصل الفيزيائيون إلى قانون انحفاظٍ جديد، وهو انحفاظ العدد الباريوني. ^[3]

ما هو مبدأ انحفاظ العدد الباريوني؟

ينصُّ هذا المبدأ على محافظة كل جملة مستقلة ومعزولة على عددٍ باريوني ثابت.إن مبادئ الانحفاظ الأربعة مشتقة جميعها من عالمنا اليومي الذي نعيشه، ثم انتقل العمل بها إلى عالم الذرة والنواة. أما مبدأ انحفاظ العدد الباريوني، فهو مختصٌّ بعالم النواة فقط.

بعض الأمثلة على انحفاظ العدد الباريوني

1- تتفكك نواة اليورانيوم 238 إلى نواة الثوريوم 234، ويرافق ذلك إصدار جسيم ألفا (نواة ذرة الهليوم 4). بما أن العدد الكتلي لليورانيوم 238 أي يحتوي على 238 بروتون ونيوترون أي الرقم الباريوني قبل التفكك يساوي 238، بينما تحتوي نواة الثوريوم على 234 بروتون ونيوترون، فالعدد الباريون لنواة الثوريوم يساوي 234 والعدد الباريوني لجسيمة ألفا يساوي 4، وبالتالي يكون مجموع العدد الباريوني لنواتج التفكك يساوي 238، وبهذا يتساوى العدد الباريوني قبل التفكك وبعده.

2- في حال تفكك أضداد الجسيمات، مثل: تفكك النيوترون المضاد إلى بروتون مضاد وبوزيترون، فإن العدد الباريوني قبل التفكك يساوي (1-) وهو العدد الباريوني للنيوترون المضاد، بينما العدد الباريوني للبروتون المضاد يساوي (1-)، والعدد الباريوني للبوزيترون (الذي يعتبر من الليبتونات) يساوي (0)، وبالتالي مجموع العدد الباريوني لنواتج التفكك يساوي (1-)، أي هناك انحفاظ في العدد الباريوني.

3- في حالة تلاقي جسيم مع مضاده كما هو الحال في تفاعل البروتون والبروتون المضاد وفناؤهما بإصدار فوتونات، إن العدد الباريوني للجسيمات قبل التفاعل هو (1+) للبروتون و(1-) للبروتون المضاد، فمجموع العدد الباريوني للجسيمات قبل التفاعل يساوي الصفر، وبما أن العدد الباريوني للفوتونات يساوي الصفر إذاً هذا التفاعل ممكن الحدوث لتحقق قانون انحفاظ العدد الباريوني. ^{[3] [4]}

استنتاج العدد الباريوني للباريونات

1- استنتاج العدد الباريوني لفوتونات غاما والبيون المتعادل

كما ذكرنا سابقاً العدد الباريوني للبروتون يساوي الواحد، وحتى يتحقق انحفاظ العدد الباريوني في التفاعلات التالية يجب أن يكون العدد الباريوني لفوتونات غاما والبيون المتعادل B=0.

2- استنتاج العدد الباريوني للبيون الموجب والسالب

وفق التفاعلين التاليين:

وعلى اعتبار أن النيوترون يملك عدداً باريونياً يساوي الواحد بسبب التشابه في الخصائص بين البروتون والنيوترون، ولتحقيق انحفاظ العدد الباريوني في التفاعلات، بناءً على ذلك سوف يكون العدد الباريوني للبيون الموجب والبيون السالب يساوي الصفر.

3- استنتاج العدد الباريوني للهايبرونات ?=B (Hyperons)

حيث أن العدد الباريوني للبيونات والكاوونات يساوي الصفر.

ما هي تطبيقات الباريونات؟

للباريونات تطبيقات في مجالات عديدة نذكر منها: ^[2]

1- أبحاث فيزياء الجسيمات

يتمُّ دراسة الباريونات في تجارب الجسيمات عالية الطاقة لفهم الخصائص الأساسية للمادة والقوى التي تحكم الكون.

2- علم الكون (Cosmology)

تمَّ اجراء أبحاث كثيرة على الباريونات لفهم تكوين الكون وتطوره.

3- الطاقة النووية (Nuclear Power)

تستخدم النيوترونات في المفاعلات النووية الانشطارية للحصول على الطاقة الكهربائية من محطات الطاقة النووية.

4- التصوير الطبي (Medical Imaging)

تستخدم البروتونات في تقنيات العلاج البروتوني، حيث يستفاد من طاقة البروتونات المودعة في الجسم البشري في استهداف الخلايا السرطانية وتدميرها دون إلحاق الضرر بالخلايا السليمة.