الكواركات: تعريفها، وجودها وأنواعها

ما هي الكواركات؟

الكواركات هي المكون الأساسي للمادة ويتم تعريفها على أنها جسيمات أولية، فهي ليست مكونة من أي جسيمات أخرى. تتحد هذه الكواركات لتنتج جسيمات مركبة تسمى الهادرونات، وأكثرها استقرارًا هي النيوترونات والبروتونات وهي مكونات النوى الذرية. يمكننا تعريف الكوارك على أنه: نوع من الجسيمات الأولية ومكون أساسي للمادة، حيث لا يمكن أن توجد الكواركات بشكل مستقل، كل بروتون أو نيترون يتكون من ثلاثة الكواركات، أما الالكترون فهو جسيم أولي مثل الكواركات

نظرية وجود الكواركات:

بحلول الخمسينيات من القرن الماضي، كان الفيزيائيون ينشئون مكتبة من الجسيمات المعروفة. حيث قاموا بفهرسة الأنواع المختلفة وخصائصها، ولكن ما كان مفقودًا هو النظرية الأساسية وراء وجودها. أصبحت هذه النظرية تُعرف في النهاية باسم النموذج القياسي، ولكن من أجل الوصول إلى ذلك، كان لا بد من القيام بالعديد من الاكتشافات الحيوية، بما في ذلك اكتشاف الكواركات. وكان الأمر الأكثر إثارة للحيرة هو وجود جسيمات تسمى hyperons، والتي كانت غير مستقرة وتتحلل بسرعة كبيرة، ولكن ليس في الجسيمات التي كان من المتوقع أن تتحلل فيها. أدرك جيل مان أنه لا بد من وجود خاصية كمومية غير معروفة في العمل، والتي سماها "الغرابة" بسبب عدم توقعها كلها. حيث أن "الغرابة" تمثل أحد الأرقام الكمية ولدينا كذلك الشحنة والدوران.

تم وضع نظرية وجود الكواركات لأول مرة من طرف الفيزيائيين موراي جيل مان وجورج زويغ، اللذين كانا يعملان في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في سنة 1964 حيث توصلا إلى استنتاج مفاده أن الكواركات موجودة بشكل مستقل عن بعضها البعض، لم تكن استنتاجات جيل مان وزويغ بل تم بناؤها بدلاً من ذلك على خلفية سنوات عديدة من العمل الجاد والاكتشافات الدقيقة من قبل مجتمع فيزياء الجسيمات.

إذا تحلل جسيم برقم كمي معين، فيجب أن تضيف نواتجها الثانوية إلى تلك الأرقام الكمية التي كانت للجسيم المتحلل. علاوة على ذلك، فإن الأرقام الكمومية لجسيم معين لها "درجات من الحرية" وهي أساسًا نطاق القيم التي يمكن أن تمتلكها هذه الأرقام. تسمى درجات الحرية هذه بالمتعددة، والنمط الذي يمكن فيه ترتيب هذه المجموعات المتعددة بين جسيمات مختلفة دفع جيل مان وزويغ للاعتقاد بأن الجسيمات ومضاعفاتها يمكن تفسيرها إذا تم تشكيل كل جسيم من جسيمين أو ثلاثة جسيمات أصغر.

أطلق زويغ على هذه الجسيمات الأولية الصغيرة اسم "aces"، لكن الاسم لم ينتشر. أطلق جيل مان، الذي كان دائمًا واحدًا من الأسماء التي لا تُنسى، الكواركات، المشتقة في سطر من رواية جيمس جويس التجريبية، استيقظ فينيغان: "ثلاثة الكواركات لمستر مارك!" في الرواية، تشير الكواركات إلى الأطفال الثلاثة للشخصية الرئيسية، السيد مارك.

في سنة 1964تمت الإشارة إلى هذه الكواركات بالكواركات "العلوية" و "السفلية" و "الغريبة". الكواركات العلوية والسفلية لا تشير في الواقع إلى أي شيء، في حين أن الكوارك الغريب يحتوي على عدد كمي من الغرابة -1، ولهذا السبب يطلق عليه "غريب"، في حين أن الكواركات العلوية والسفلية لها غرابة قدرها 0.

على الرغم من أن النظرية كانت ذكية، إلا أنها لم تنتشر على الفور لعدم وجود دليل تجريبي على الكواركات. جاء ذلك بعد أربع سنوات في عام 1968 في مركز ستانفورد الخطي المعجل في ولاية كاليفورنيا. أطلق المجربون لاحقًا اسم الميونات على البروتونات، ووجدوا دليلًا على أن الميونات كانت تتكون من ثلاثة جسيمات أصغر موجودة داخل البروتونات، ولكل من هذه الجسيمات الأصغر شحنة كهربائية خاصة بها. هذه الجسيمات هي الكواركات.

اتضح أن هناك بالفعل ستة أنواع من الكواركات في المجموع. إلى جانب الكواركات العلوية والسفلية والغريبة، توجد أيضًا الكواركات "ساحرة" و "علوية" و "سفلية". كل واحد له مجموعته الخاصة من الأعداد الكمومية، وكتلتهما مختلفة تمامًا، فالكواركات العلوية والسفلية هي الأقل كتلة، السبب الوحيد الذي يجعل العلماء يعرفون أن أمثال الكواركات العلوية والسفلية موجودة هو أن مسرعات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير قادرة على إنتاجها لفترة وجيزة.

ومما يزيد صعوبة دراسة الكواركات حقيقة أنها، في ظل الظروف العادية، لا توجد بمفردها. هم دائمًا مرتبطون ببعضهم البعض بواسطة القوة النووية القوية، والتي تسمح لهم بتكوين جزيئات مركبة تسمى الهادرونات. تسمى الجسيمات المكونة من كواركين بالميزونات، والجسيمات المكونة من ثلاثة الكواركات تسمى الباريونات، والتي تشمل البروتونات (كواركان علوي وواحد سفلي) ونيوترونات (كوارك علوي و كواركان سفليان). هناك جسيمات تسمى رباعي الكواركات مكونة من أربعة كواركات، و خماسيات مكونة من خمسة الكواركات، وبعضها شبه مستقر. ولكن في النهاية تتحلل.

أنواع الكواركات:

هي : أعلى، تحت، قمة، قاع، غريب، سحر وتسمى جسيمات دون الذرية أما الأنواع الثلاثة الأساسية للكوارك هي: أعلى ، تحت ، غريب والجدول التالي يوضح أنواع الكواركات:

الكتلة (MeV) Mass  (MeV)	قمة** top**	قاع** bottom**	سحر** charm**	غرابة** strangeness**	الشحنة charge	رقم الباريون baryon number	نوع الكوارك quark type
5-15	0	0	0	0	−(1/3)e	1/3	أسفل (د) down (d)
2-8	0	0	0	0	+(2/3)e	1/3	فوق (ش) up (u)
100 - 300	0	0	0	−1	−(1/3)e	1/3	غريب (ق) strange (s)
1000 - 1600	0	0	1	0	+(2/3)e	1/3	سحر (ج) charm (c)
4100 - 4500	0	−1	0	0	−(1/3)e	1/3	أسفل (ب) bottom (b)
180.000	1	0	0	0	+(2/3)e	1/3	أعلى (ر) top (t)

الجسيمات المضادة للكواركات:

تُعرف الجسيمات المضادة التي تتوافق مع كل نوع من الكواركات باسم Antiquarks. أو الكواركات المضادة وتمتلك نفس الكتلة ونفس متوسط ​​العمر ونفس الدوران المقابل للكواركات، لكن الخصائص الأخرى مثل الشحنة الكهربائية والشحنات الأخرى لها إشارة معاكسة.

اثنا عشر جسيمًا أساسيًا، أي ستة الكواركات وست لبتونات (النوع الآخر) هي اللبنات الأساسية لكل شيء في الكون. تتميز الكوارك واللبتونات على أساس النكهات. الأنواع الستة هي: أسفل (د) down (d)، فوق (ش) up (u)، غريب (ق) strange (s)، سحر (ج) charm (c)، أسفل (ب) bottom (b)، أعلى (ر) top (t)

بعض الحقائق عن الكواركات والمادة:

- عندما تشكل الكون، تكونت كميات متساوية من المادة والمادة المضادة.

- عندما يتلامس جسيم من المادة وجسيم من المادة المضادة مع بعضهما البعض، فإنهما يفنيان إلى طاقة نقية.

لكن السؤال المطروح إذا تم تكوين المادة والمادة المضادة بكميات متساوية، وإذا كانت المادة والمادة المضادة تختفيان عندما يتلامسان مع بعضهما البعض ـ لماذا كل شيء رأيته في الكون مصنوع في الغالب من المادة؟ أين ذهبت المادة المضادة؟