فيزيائيون يحققون اكتشافا يمكنه اختبار قوانين الطبيعة!

معا- أعلنت المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) عن اكتشاف أربعة جسيمات جديدة تماما في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في جنيف.

وهذا يعني أن المصادم LHC وجد الآن ما مجموعه 59 جسيما جديدا، بالإضافة إلى "بوزون هيغز" الحائز جائزة نوبل، منذ أن بدأ في اصطدام البروتونات - الجسيمات التي تشكل النواة الذرية مع النيوترونات - في عام 2009.

والمثير في الأمر أنه في حين أن بعض هذه الجسيمات الجديدة كانت متوقعة بناء على النظريات الراسخة، إلا أن بعضها كان أكثر إثارة للدهشة، وفقا لـباتريك كوبنبورغ، زميل باحث في فيزياء الجسيمات بالمعهد الوطني الهولندي للفيزياء دون الذرية، وهاري كليف، عالم فيزياء الجسيمات في جامعة كامبريدج.

ويهدف LHC إلى استكشاف بنية المادة على أقصر مسافات وأعلى طاقات فُحصت في المختبر - اختبار أفضل نظرية حالية عن الطبيعة: النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. ومكّن المصادم LHC العلماء من اكتشاف "بوزون هيغز"، آخر قطعة مفقودة من النموذج. ومع ذلك، ما تزال النظرية بعيدة عن الفهم الكامل.

وتتمثل واحدة من أكثر ميزاته إثارة للقلق، في وصفه للقوة الشديدة التي تحافظ على تماسك النواة الذرية. وتتكون النواة من البروتونات والنيوترونات، والتي تتكون كل منها بدورها من ثلاثة جسيمات صغيرة تسمى الكواركات.

وإذا قمنا بإيقاف تشغيل القوة الشديدة لثانية واحدة، فإن كل المادة ستتفكك على الفور إلى حساء من الكواركات السائبة - وهي حالة كانت موجودة للحظة عابرة في بداية الكون.

وتقوم نظرية التفاعل القوي، التي يطلق عليها ظاهريا "الديناميكا اللونية الكمومية"، على أسس صلبة للغاية. وتصف كيف تتفاعل الكواركات من خلال القوة الشديدة عن طريق تبادل جزيئات تسمى الغلوونات. ويمكن التفكير في الغلوونات كنظائر للفوتون الأكثر شيوعا، جسيم الضوء وحامل القوة الكهرومغناطيسية.

ومع ذلك، فإن الطريقة التي تتفاعل بها الغلوونات مع الكواركات تجعل القوة الشديدة تتصرف بشكل مختلف تماما عن الكهرومغناطيسية. وبينما تضعف القوة الكهرومغناطيسية عندما تفصل بين جسيمين مشحونين، تزداد القوة الشديدة في الواقع عندما تفصل بين كواركين.

ونتيجة لذلك، فإن الكواركات محبوسة إلى الأبد داخل جسيمات تسمى الهادرونات - وهي جسيمات مكونة من كواركين أو أكثر - والتي تشمل البروتونات والنيوترونات. ما لم تقم، بالطبع، بتحطيمها بسرعات لا تصدق.

ولتعقيد الأمور أكثر، تحتوي جميع الجسيمات في النموذج القياسي على جسيمات مضادة متطابقة تقريبا مع نفسها ولكن بشحنة معاكسة (أو خاصية كمومية أخرى). وإذا قمت بسحب كوارك من البروتون، فستكون القوة في النهاية قوية بما يكفي لتكوين زوج كوارك-كوارك مضاد، مع دخول الكوارك المُنشأ حديثا إلى البروتون.

وينتهي الأمر ببروتون و"ميزون" جديد تماما، جسيم مصنوع من كوارك وكوارك مضاد. وقد يبدو هذا غريبا ولكن وفقا لميكانيكا الكم، التي تحكم الكون على أصغر المقاييس، يمكن للجسيمات أن تخرج من الفضاء الفارغ.

وأثبت ذلك مرارا وتكرارا من خلال التجارب - لم نشهد كواركا منفردا من قبل. والميزة غير السارة لنظرية القوة القوية هي أن حسابات ما يمكن أن تكون عملية بسيطة في الكهرومغناطيسية، يمكن أن ينتهي بها الأمر إلى أن تكون معقدة بشكل مستحيل. لذلك لا يمكننا (حتى الآن) إثبات "نظريا" أن الكواركات لا يمكن أن توجد بمفردها.

والأسوأ من ذلك، أننا لا نستطيع حتى حساب مجموعات الكواركات التي ستكون قابلة للحياة في الطبيعة وأيها غير قابل للحياة.

وعندما تم اكتشاف الكواركات لأول مرة، أدرك العلماء أن العديد من التركيبات يجب أن تكون ممكنة من الناحية النظرية. وشمل ذلك أزواج من الكواركات والكواركات المضادة (الميزونات)؛ ثلاثة كواركات (باريونات)؛ ثلاثة الكواركات المضادة (antibaryons)؛ اثنين من الكواركات واثنين من الكواركات المضادة (رباعي الكواركات)؛ وأربعة كواركات وواحد من الكواركات المضادة (بنتاكواركات) - طالما أن عدد الكواركات ناقص، الكواركات المضادة في كل مجموعة كان مضاعفا لثلاثة.

وفي عام 2003، اكتشفت "تجربة بيل" في اليابان جسيما لا يناسب أي مكان. واتضح أنها الأولى من سلسلة طويلة من التيتراكواركات.

وتعد الجسيمات الأربعة الجديدة المكتشفة مؤخرا، جميعها رباعي الكواركات مع زوج كوارك ساحر واثنين من الكواركات الأخرى. وكل هذه الأشياء هي جسيمات بالطريقة نفسها التي يعتبر بها البروتون والنيوترون جسيمات. ولكنها ليست جسيمات أساسية: الكواركات والإلكترونات هي لبنات البناء الحقيقية للمادة.

واكتشف LHC الآن 59 هادرونا جديدا. وتشمل هذه التيتراكواركات التي اكتُشفت مؤخرا، ولكن أيضا الميزونات والباريونات الجديدة. وكل هذه الجسيمات الجديدة تحتوي على كواركات ثقيلة.

وهناك لغز آخر يتمثل في كيفية ارتباط هذه الجسيمات ببعضها البعض بواسطة القوة الشديدة.

ويدعي البعض أنها تشبه "الجزيئات" التي تتكون من اثنين من الهادرونات غير المترابطة. ويسمح كل هادرون تم العثور عليه حديثا، للتجارب بقياس كتلته وخصائصه الأخرى، والتي تخبرنا شيئا عن سلوك القوة القوية. وهذا يساعد على سد الفجوة بين التجربة والنظرية. وكلما وجدنا المزيد من الهادرونات، كان بإمكاننا ضبط النماذج بشكل أفضل مع الحقائق التجريبية.

وهذه النماذج ضرورية لتحقيق الهدف النهائي للمصادم LHC: إيجاد فيزياء تتجاوز النموذج القياسي. وعلى الرغم من نجاحاته، فإن النموذج القياسي بالتأكيد ليس الكلمة الأخيرة في فهم الجسيمات.

ويبحث المصادم LHC عن جسيمات أساسية جديدة يمكن أن تفسر هذه التناقضات. ويمكن أن تكون هذه الجسيمات مرئية في LHC، لكنها مخفية في خلفية تفاعلات الجسيمات. أو يمكن أن تظهر كتأثيرات ميكانيكية كمومية صغيرة في عمليات معروفة.

وفي كلتا الحالتين، هناك حاجة إلى فهم أفضل للقوة القوية للعثور عليها. ومع كل هادرون جديد، نحسن معرفتنا بقوانين الطبيعة، ما يقودنا إلى وصف أفضل لأهم خصائص المادة.