تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تقسم الجسيمات الأولية حسب النموذج المعياري إلى كواركات، وليبتونات، وبوزونات حاملة القوى، وهي وسيطية التفاعلات بين الكوركات والليبتونات. القوى الأساسية الأربعة التي تتفاعل من خلالها الجسيمات الأولية هي: القوى النووي القوية ووسيطها الغليونات، والقوى النووية الضعيفة ووسيطها البوزونات، والقوى الكهرومغناطيسية ووسيطها الفوتونات، والقوى التجاذبية ووسيطها الغرافيتون. ^[1]

ما هي الليبتونات؟

إن كلمة ليبتون (Lepton) مشتقّة من الكلمة اليونانية  (Leptos) أي خفيف. الليبتونات عبارة عن جسيماتٍ نقطية لا يمكن تقسيمها، وهي الجسيمات الأصغر في الطبيعة. تتكون عائلة الليبتونات من ست جسيمات، ثلاثة منها مشحونة وثلاثة غير مشحونة (معتدلة الشحنة)، وتنقسم عائلة الليبتونات إلى ثلاث عائلاتٍ مكونة من الليبتونات (Leptons)، وجميع الليبتونات عبارة عن فرميونات سبينها يساوي 1/2 وثلاث عائلات مكونة من أضداد الليبتونات (Anti-Leptons)، وأيضاً سبين كل ضديد ليبتون يساوي 1/2.

 عائلات الليبتونات

1- العائلة الأولى

تتكون من الإلكترون ^–e والنيوترينو المرافق للإلكترون أو النيوترينو الإلكتروني v_e، ويعتبر الإلكترون أصغر الليبتونات كتلة، حيث تبلغ كتلته السكونية0.511  ميغا إلكترون فولت، وهو جسيم مستقر أي لا يتفكك. النيوترينو الإلكتروني هو جسيم كتلته السكونية معدومة، وغير مشحون وسبينه يساوي 1/2، ويتفاعل تفاعلاً ضعيفاً جداً مع المادة.

2- العائلة الثانية

تتكون من الميون [math]\mu ^{-}[/math] والنيوترينو المرافق للميون أو النيوترينو الميوني [math]\nu _{\mu }[/math]، وهو يشبه الإلكترون بتدخله في التأثيرات المتبادلة الضعيفة، ولكن كتلته أكبر بكثير من كتلة الإلكترون، وهي تساوي 106 ميغا إلكترون فولت، لذلك ندعوه بالإلكترون الثقيل، ويمكن إنتاج الميون مخبرياً بسهولة.

كما يتولد في طبقات الجو العليا، النيوترينو الميوني [math]\nu _{\mu }[/math] يختلف عن النيوترينو المرافق للإلكترون في تفكك بيتا الإلكتروني، حيث يتحول النيوترون إلى بروتون، وجسيم بيتا السالب، وضديد النيترينو الإلكتروني، كما في المعادلة التالية:

[math]n\to p+e^{-}+\overline{\nu _{e}}[/math]

3- العائلة الثالثة

تتكون من الليبتون تاو [math]\tau ^{-}[/math] والنيوترينو المرافق للتاو أو النيوترينو التاوي [math]\nu _{\tau }[/math]، واسمه مشتق من اليونانية (Triton) أي الثالث، أما كتلة الليبتون [math]\tau ^{-}[/math]، فهي أكبر بكثيرٍ من كتلة بقية الليبتونات، وهي تساوي 1777 ميغا إلكترون فولت، وهو جسيمٌ أولي غير مستقر، وفترة حياته أقصر بكثيرٍ من فترة حياة الميون. ^[2]

عائلات أضداد الليبتونات

1- العائلة الأولى

تتكون من ضديد الإلكترون [math]e^{+}[/math] وضديد النيوترينو الإلكتروني [math]\overline{\nu _{e}}[/math].

2- العائلة الثانية

تتكون من ضديد الميون [math]\mu ^{+}[/math] وضديد النيوترينو الميوني [math]\overline{\nu _{\mu }}[/math].

3- العائلة الثالثة

تتكون من الليبتون تاو [math]\tau ^{+}[/math] وضديد النيوترينو التاوي [math]\overline{\nu _{\zeta }}[/math]. يصنف ضديد التاون من الجسيمات غير مستقرة أيضاً، وفترة حياته تساوي [math]2.9\times 10^{-13}s[/math]

كيف اكتشفت عائلات الليبتونات؟

رغم وجود العديد من الأدلة على صحة ما ذكرناه بخصوص وجود نيوترينو خاص بالإلكترون، وآخر خاص بالميون، لكن لم تتمّ المصادقة على ذلك حتى عام 1962 بعد أن تمَّ تحضير حزمةٍ من ضديد النيوترينو الميوني [math]\overline{\nu _{\mu } }[/math] الناتج عن تفكك الميزون [math]\pi ^{-}[/math] كما هو مبين في المعادلة التالية:

[math]\pi ^{-}\to \mu ^{-}+\overline{\nu _{\mu }}[/math]

حيث يتفاعل ضديد النيوترينو الميوني مع البروتون مكونا النيوترون وضديد الميون، كما هو موضح من خلال التفاعل التالي:

[math]\overline{\nu _{\mu }}+p\to \mu ^{+}+n[/math]

ولكن لا يمكن حصول التفاعل التالي:

[math]\overline{\nu _{\mu }}+p\to e^{+}+n[/math]

وبالتالي نستنج بأن الأزواج: [math]\left (\nu _{e},e \right )[/math] و [math]\left (\nu _{\mu },\mu \right )[/math] تحفظ كل على حده.

عام 1975 تمّ اكتشاف الليتبون [math]\tau ^{-}[/math] والنيوترينو التابع له [math]\nu _{\tau }[/math] من قبل العالم الفيزيائي Martin Perl الذي مُنح جائزة نوبل على اكتشافه هذا الليبتون خلال تجربة تصادم الإلكترون مع البوزيترون المسرّعين في مسرّع جسيمات ستانفورد، وثبت وجود زوجٍ ثالثٍ [math]\left ( \nu _{\tau },\tau \right )[/math].

كيف تتفكك الميونات؟

الميونات جسيمات أولية غير مستقرة فترة حياتها حوالي 2.2 ميكرو ثانية.يتفكك ضديد الميون إلى ضديد الإلكترون والنيوترينو الإلكتروني، وضديد النيترينو الميوني (كما هو موضح في المعادلة الأولى أدناه)، بينما يتفكك الميون إلى الإلكترون، وضديد النيوترينو الإلكتروني والنيوترينو الميوني (كما هو موضح في المعادلة الثانية):

[math]\mu ^{+}\to e^{+}+\nu {e}+\overline{\nu {\mu }}[/math]

[math]\mu ^{-}\to e^{-}+\overline{\nu {e}}+\nu {\mu }[/math]

يتمُّ تفككها من خلال المرور بمرحلة انتقالية، ويتمُّ خلالها ولادة جسيمٍ يطلق عليه اسم البوزون الافتراضي W (وسيط التفاعلات الضعيفة) والنيوترينو الميوني، ومن ثم يتفكك البوزون W ليعطي إلكتروناً وضديد النيوترينو الإلكتروني وفق المعادلتين التاليتين، وكما هو موضح في الشكل التخطيطي:

[math]\mu ^{-}\to w^{-}+\nu _{\mu }[/math]

[math]w ^{-}\to e^{-}+\overline{\nu _{e}}[/math]

كما ذكرنا سابقاً عندما تتفكك الميونات وأضدادها يصدر نوعين من النيوترينو (النيوترينو الميوني، وضديد النيوترينو الإلكتروني أو النيوترينو الإلكتروني، وضديد النيوتروني الميوني)، إذا كان هذان النوعان من النيوترينوات متماثلان لأفنى أحدهما الآخر، وأنتجوا فوتونات لأنهما متضادان وفق التفاعل التالي:

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

التفاعل السابق ممكن الحدوث إذا كان النيوترينو وضديده متطابقان بالرغم من أن النيوترينوات تتبادل التأثير من خلال التفاعلات الضعيفة، والفوتون ينطلق من خلال التفاعلات الكهرومغناطيسية. فشلت جميع التجارب في الحصول على مثل هذا التفاعل، وهذا يعني أن النيوترينو وضديده ينتميان لعائلتين مختلفتين. بشكلٍ عام، فإن النيوترينو الإلكتروني يرافق تفكك بيتا الإلكتروني، بينما النيوترينو الميوني ينتج عن تفكك الميون. ^{[2] [3]}

كيف تتفكك التاونات؟

لم يتمّ رصد التاون في أي عمليةٍ طبيعية على الأقل في العصر الحالي لتطور الكون، ولكن في الأزمنة المنصرمة عندما كان الكون حاراً، وكان للجسيمات طاقة أكبر بكثير مما هي عليه الآن، كان يمكن لعائلات الليبتونات أن تنتج بكثرة خلال تفاعل الجسيمات، كان هذا منذ بلايين السنين، ولكن حالياً يتمُّ تصنيع التاون مخبرياً. وتتفكك التاونات بآليتين: ^[4]

1- يتفكك [math]\tau ^{-}[/math] لينتج نيوترينو تاوي وبوزون ^–w ثم يتفكك البوزون ^–w لينتج الإلكترون، والنيوترينو الإلكتروني.

كما هو مبين في الشكل التالي:

2- أو يتفكك  التاون [math]\tau ^{-}[/math]  إلى الميون والنيوترينو التاوي وضديد النيوترينو الميوني، كما في المعادلة التالية:

بينما يتفكك ضديد التاون  [math]\tau ^{+}[/math]  إلى ضديد الميون والنيوترينو الميوني، وضديد النيوترينو التاوي، كما في المعادلة التالية:

[math]\tau ^{+}\to \mu ^{+}+\nu {\mu }+\overline{\nu {\tau }}[/math]

 كيف تتذبذب النيوترينوات؟

إن فكرة تذبذب النيوترينو كانت بادرةً شجاعة وجريئة جداً على اعتبار أن النيوترينو جسيمة عديمة الكتلة مؤلفة من مركبين (النيوترينو وضديده)، لكن بعد اكتشاف النيوترينو الميوني أصبح واضحاً أن التذبذبات بين نكهتي (نوعي) نيوترينو ممكنة إذا كانت النيوترينوات مدموجة.

بحث Potecorvo عام 1967 إمكانية تناقص تدفق النيوترينو الشمسي التي تعود إلى تذبذب النيوترينو الإلكتروني إلى النيوترينو الميوني، وفي عام 1969 طور Potecorvo نموذج التذبذب بشكلٍ أكبر، حيث أخذ بالاعتبار تذبذبات كلا النمطين: تذبذب النيوترينو الإلكتروني إلى النيوترينو الميوني، وتذبذب النيوترينو الإلكتروني أو الميوني إلى ضديد النيوترينو الإلكتروني أو الميوني. بعد عدة سنوات أجريت العديد من الأبحاث حول تذبذبات النيوترينو، والتي أكدت أن الدمج بين نكهتي نيوترينو ينبغي أن يُفهم بشكلٍ مماثل، كالدمج بين الكواركات.

عام 2002 قدمت تجربة تذبذب النيوترينو الشمسي الكندية (SNO) دليلاً نموذجياً على اختفاء النيوترينو الشمسي (النيوترينو الإلكتروني). في عام 2011 وثق كل من فريقي (T2K) و(MINOS) تذبذبات النيوترينو الميوني إلى النيوترينو الإلكتروني. ^[5]