تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هو الميون؟

الميون (Muon) هو جسيمة دون ذرية يرمز لها بالرمز µ، وتدعى بالإلكترون الثقيل، وهي تمتلك شحنةً سالبة.

اكتشاف الميون

في عام 1935 وضع العالم يوكاوا نظريته، التي يقترح فيها تبادل جسيمات بين النيوكليونات (البروتونات، والنيوترونات)، وتحمل القوى النووية القوية، وهي ذات مدىً قصير (^15-10) متر. مما حدا بالعلماء بالبحث عن هذه الجسيمات، ففي عام 1937 قام كل من ستريت Street وستيرينسون Sterenson بإجراء التجربة التالية: وهي دراسة فقدان الطاقة للإشعاع الكوني عند مروره في لوحٍ من الرصاص في حجرة ضبابية، واتضح من الصور المأخوذة للحجرة تولد جسيماتٍ مُؤينة (الجسيمات المُؤينة تُنتج أيونات عند مرورها في مادةٍ ما) جديدة، فهي:

1- ليست بروتونات لأن الأيونات المتولدة عنها أقل من تلك الناتجة عن البروتونات.

2- ليست إلكترونات لأن معدل فقدانها للطاقة أقل من معدل فقدان الإلكترونات لطاقتها.

وجد العالم أندرسون (Anderson) عند تطبيق مجالاتٍ مغناطيسية على الجسيمات السابقة الذكر، انحراف هذه الجسيمات، مما يثبت أن هذه الجسيمات مشحونة بشحنةٍ كهربائيةٍ موجبةٍ وسالبة، ومن نصف قطر تقوس مسارها حدّد كتلها، والتي تساوي207 ضعف كتلة الإلكترون أي حوالي 106ميغا إلكترون فولت، أُطلق على هذه الجسيمات حينها بالميزونات Meson أو الميزون μ. اعتقد العلماء أن هذه الجسيمات لا يمكن أن تكون ميزونات يوكاوا، وذلك للأسباب التالية:

1- تملك هذه الجسيمات مدىً طويلاً يبلغ عدة أمتار. أما ميزونات يوكاوا، فيجب أن يكون مداها في حدود قطر النواة (^15-10) متر، فهي لا تستطيع أن تقطع سوى مسافةٍ قصيرةٍ جداً قبل أن يتمّ امتصاصها من قبل إحدى نوى المواد.

2- تتفاعل هذه الجسيمات مع المادة من خلال التأثيرات المتبادلة الضعيفة (يمكنها المرور من الغلاف الجوي كله دون حدوث أي تفاعل)، وكذلك من خلال التأثيرات المتبادلة الكهرومغناطيسية. أما ميزونات يوكاوا، فهي ذات تفاعلٍ قوي جداً هو التفاعل النووي بين النيوكليونات.

3- هذه الجسيمات ذات فترة حياةٍ طويلة مقارنةً مع ما تتوقعه التأثيرات المتبادلة القوية، ويساوي[math]2.2\times10^{-6}[/math] ثانية. ثم تتابع بعد ذلك اكتشاف العديد من جسيمات ميزون، مما دعا إلى تعريف مجموعة ثالثة للجسيمات الأولية، بالإضافة إلى مجموعة الباريون ومجموعة الليبتون، وهي مجموعة الميزون. ^[1]

مجموعة الميزون

أطلق على الجسيم الذي افترضه يوكاوا، والذي يحمل القوى النووية القوية أي المحافظة على توازن النواة مسمى البيون (Pion)، ويرمز له بالرمز [math]\sqcap [/math]، وقد يكون موجباً أو سالب الشحنة أو معتدلاً، بينما الميزون ميو (الميون) (Muon)، والذي يرمز له بالرمز µ يحمل القوى النووية الضعيفة، وهو سالب الشحنة، وأطلق عليه مسمى الإلكترون الثقيل لاشتراكه في بعض خصائص الإلكترون، واختلافه في بعض الخصائص. ^[2]

ما هي أوجه التقارب والاختلاف بين الميون والإلكترون؟

يمتلك الميون بعض الخصائص المختلفة عن خصائص الإلكترون، وهي:

1- يمتلك الميون كتلةً كبيرة، وتساوي 207 ضعف كتلة الإلكترون.

2- الإلكترون جسيم مستقر، ولا يتفكك في حين أن الميون يتفكك، وفترة حياته قصيرة، وتساوي [math]2.2\times10^{-6}[/math] ثانية.

بينما يشترك الميون مع الإلكترون في الخصائص التالية:

1- الإلكترون يمتلك شحنةً كهربائيةً سالبة، وله جسيمٌ مضادّ، وهو البوزيترون الذي يمتلك شحنةً كهربائيةً موجبة، كذلك يمتلك الميون شحنةً سالبة، ونرمز له بالرمز [math]\mu ^{-}[/math]، ويمتلك جسيمه المضاد شحنةً موجبة، ونرمز له بالرمز [math]\mu ^{+}[/math].

2- ليس هناك إلكترون معتدل الشحنة، وأيضاً ليس هناك ميون معتدل الشحنة.

3- عزم الدوران الذاتي (السبين) للإلكترون +½ وسبين جسيمه المضاد البوزيترون يساوي -½، كذلك يمتلك الميون السالب سبينا 1/2+ وجسيمه المضاد الميون الموجب سبينا يساوي 1/2-.

4- يمتلك الإلكترون والميون السالب والبوزيترون والميون الموجب خصائص مغناطيسية متقاربة.

5- يشارك كل من الإلكترون والبوزيترون والميون السالب والميون الموجب في التأثيرات المتبادلة النووية الضعيفة، وليس لهما أي دور في التأثيرات المتبادلة النووية القوية. ^[3]

كيف نفسر الكتلة الكبيرة للميون وعدم تبادله التأثير وفق التفاعلات النووية القوية؟

يعتبر الفرق بين الميون والإلكترون من ناحية الكتلة لغزاً محيراً، فالجسيمات ذات الكتلة الكبيرة تشترك في التفاعلات النووية القوية وفي التفاعلات النووية الضعيفة، في حين أن الجسيمات ضئيلة الكتلة تشترك في التفاعلات النووية الضعيفة فقط، ويبدو أن الحد الفاصل هو الميزون (البيون)، فهو أخف الجسيمات الثقيلة التي تشارك في التفاعلات النووية القوية.

أما كتلة الميون، فتساوي تقريبا ثلاث أرباع كتلة البيون، لذلك يصنف مع الجسيمات الخفيفة، وبالتالي لا يشارك في التفاعلات النووية القوية. التشابه بين الإلكترون والميون السالب من جهة والتشابه بين البوزيترون والميون الموجب من جهةٍ أخرى رغم الاختلاف الكبير في كتلهما، يقودنا إلى اعتبار الميون السالب إلكتروناً ثقيلاً والميون الموجب بوزيترونا ثقيلاً، ويصنف الميون وجسيمه المضاد من مجموعة الليبتونات.

وتطبق عليهما خصائص الليبتونات بأنها تحقق مبدأ انحفاظ العدد الليبتوني، حيث يمتلك الميون السالب عددا ليبتونيا 1+ كالإلكترون، بينما يمتلك ضديده الميون الموجب عدداً ليبتونيا 1- كالبوزيترون، بناءً على ذلك يجب أن يصنف الميون في مجموعة الليبتونات وليس الميزونات.

ما هي الذرة الميونية؟

إذا صدقت فرضية أن الميون هو نوعٌ خاصٌّ من الإلكترون، فإنه يلزم بالضرورة أن يكون للميون دوراً في بناء الذرة، كما هو الحال بالنسبة للإلكترون، وهذا فعلاً ما استطاع الفيزيائيون التحقق منه. كما نعلم حسب نموذج الذرة أن الإلكترون في الذرة يدور حول النواة في مداراتٍ محدودة نعبر عنها في الصورة الموجية للإلكترون بأنها مستويات ذات طاقاتٍ معينة.

ويمكن للميون السالب أن يحتل مكان الإلكترون في الذرة، وينوب عنه بفتراتٍ قصيرة، ونطلق على هذه الذرة مسمى الذرة الميونية (Muonic atom)، كما يمكننا الافتراض أن الميون الموجب بصورة مشابهة ينوب عن البوزيترون في ذرات أضداد المادة. ^[4]

ما هو وضع الميون السالب في الذرة الميونية؟

كما ذكرنا سابقاً أن كتلة الميون أكبر من كتلة الإلكترون بمقدار 207 مرة، أي يمثل موجةً ذات طاقةٍ أكبر، أي أعلى مستوى من الإلكترون، وبالتالي الفرق بين مستويين طاقيين أكبر، أي أن الفوتونات التي تصدرها ذرة ميزونية عند انتقال ميون سالب من مستوي طاقي ما إلى مستوى طاقي أخفض (لتعود الذرة الميزونية من وضع الإثارة إلى وضع الاستقرار)، تحمل طاقةً أكبر من الفوتونات الصادرة عن ذرة عادية مثارة، فبينما تصدر الذرة العادية فوتونات الضوء العادي تصدر الذرة الميونية فوتونات الأشعة السينية.

من الطبيعي أن تكون الذرات الميونية ذات عمرٍ قصير، لأن الميون السالب يتفكك خلال واحد من مليون من الثانية، كما هو واضح من المعادلتين التاليتين:  

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

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

حيث يتفكك الميون إلى الإلكترون والنيوترينو الموافق، وهكذا تعود الذرة الميونية إلى صنف الذرات الطبيعية (العادية).