Published in: الفيزياء

الكواركات

Author د. جاسم الفواز

Published on: 6 فبراير، 2024

د. جاسم الفواز

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هو الكوارك؟

الكوارك (Quarks) هو اللبنة الأساسية للمادة المرئية في الكون، فإذا تمكنا من تكبير الذرة، فسنرى أنها تتكون من إلكتروناتٍ تتجمع في مداراتٍ حول النواة التي بدورها تتكون من البروتونات والنترونات. وإذا تمكنا من تكبير أحد تلك البروتونات أو النيوترونات، فسنجد أنه يتكون من ثلاث جسيماتٍ صغيرةٍ جداً تُدعى بالكواركات، فالكوارك إذاً هو جسيمٌ أوليٌّ مثل الإلكترون، أي لا توجد جسيماتٌ داخل هذا الجسيم (حتى تاريخ كتابة هذا المقال الكوارك والإلكترون جسيماتٌ أولية).

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.

كيف ترتبط الكواركات مع بعضها؟

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

ما علاقة الكواركات بنشأة الكون؟

وجود الكوارك بشكلٍ منفردٍ يتطلب ذلك طاقةً هائلةً وضخمة غير متوفرةٍ في الطبيعة الآن، بينما تحققت هذه الشروط في بداية نشأة الكون، فبعد حوالي 10 أجزاء من المليار من الثانية بعد الانفجار الكبير كانت درجة الحرارة حوالي 2 تريليون درجة مئوية، وكان الكون مليئاً بما يُعرف باسم بلازما كوارك-غلون.

وهي عبارةٌ عن مزيجٍ جسيمي من الكواركات والغلونات الحرة، ولكن مع انخفاض درجة الحرارة والضغط بسرعة مع توسُّع الكون الوليد، أصبحت الكواركات مرتبطةً ببعضها البعض لتشكّل البروتونات والنترونات التي شكلت في النهاية أساس كل المادة المرئية التي نراها اليوم في الكون، من النجوم والمجرات إلى الكواكب والبشر.

على الرغم من أن بلازما كوارك-غلون كانت موجودةً قبل 13.8 مليار سنة فقط في أعقاب الانفجار الكبير، إلا أن العلماء نجحوا في إعادة إنشائها في تجارب مُسرّعات الجسيمات عن طريق اصطدام نواتين ثقيلتين ببعضهما البعض بسرعةٍ قريبةٍ من سرعة الضوء، وذلك في مخابر المُسرّع الأوروبي سيرن (CERN) في عام 2000. وعلى هذا النحو، فإن دراسة بلازما كوارك-غلون في تجارب مُسرّعات الجسيمات هي طريقةٌ مهمّةٌ لفهم أفضل للظروف في الكون في أعقاب الانفجار الكبير. ^[1]

ما هي أنواع الكواركات؟

هنالك ستة أنواعٍ من الكوراكات (تسمّى نكهات الكوارك)، وهي:

1- الكوارك العلوي (Up) الأقل كتلة بين جميع الكواركات، وهو الأكثر استقرارًا، ويشار إليهم بالرمز u.

2- الكوارك السفلي (Down)، ويرمز له بالحرف d.

3- الكوارك القمي (Top)، ويرمز له بالحرف t.

4- الكوارك القاعي (Bottom)، ويرمز له بالحرف b.

5- الكوارك الغريب (Strange)، ويرمز له بالحرف s.

6- الكوارك الساحر (Charm)، ويرمز له بالحرف c.

ما هي الشّحنة الكهربائية للكواركات؟

الشحنة الكهربائية للكواركات ليست عددًا صحيحًا، فالشحنة الكهربائية للكوارك الساحر، والكوارك العلوي تساوي موجب ثلثين من شحنة الإلكترون ([math]\frac{+2}{3}*e[/math])، حيث تُشير e لشحنة الإلكترون، في حين أن الشحنة الكهربائية في الكوارك الغريب والسفلي تساوي سالب ثُلث شحنة الإلكترون ([math]\frac{1}{3}*e[/math]-).

ما هي أنواع الكواركات داخل البروتون والنترون؟

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 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.

هل هنالك جسيماتٌ أخرى داخل الكوارك؟

بعد 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. ^[3]