الفصل الثامن

المادة العجيبة (والمادة المضادة)

للطبيعة منظومة ثلاثية الأطراف، أو «أجيال». سننظر في هذا الفصل إلى المادة المضادة، وإلى لغز وجود قدر قليل للغاية منها، كما سنلقي نظرةً على التناظر بين الأجيال التي تظهر فعليًّا وكأنها متطابقة لولا تبايُن كتلتها، كما سنستعرض الأفكار التي تقضي بأن تعدُّد الأجيال قد يكون له علاقة باختفاء المادة المضادة، وسنستعرض التجارب التي تحاول معرفة ما إذا كان هذا صحيحًا أم لا، وفي النهاية سنلقي نظرة على المادة الغريبة.

***

الغرابة

قابلنا بالفعل الجسيمات الأساسية التي تتألف منها المادة الموجودة على الأرض، إلا أن مخطَّط الطبيعة يحوي ما هو أكثر من هذا. تضربنا الأشعة الكونية الآتية من الفضاء الخارجي على نحو متواصل، وهذه الأشعة تتكون من أنوية العناصر التي أُنتِجت في النجوم وفي الأحداث الكارثية في الأماكن الأخرى من الكون، وهذه الجسيمات تندفع عبر الفضاء وبعضها تقتنصه المجالات المغناطيسية للأرض، ومن ثَمَّ يضرب الطبقات العليا من الغلاف الجوي منتجًا وابلًا من الجسيمات الثانوية. في أربعينيات القرن العشرين وخمسينياته، مثَّلَتِ الأشعة الكونية مصدرًا نَشِطًا لاكتشاف أشكال المادة التي لم تكن معروفة بعدُ على الأرض، بعض هذه الأشكال لها خواص غير معتادة وصارت تُعرَف بالجسيمات «الغريبة»، واليوم بتنا نعرف ما يميِّز هذه الجسيمات عن البروتونات والنيوترونات والبايونات المألوفة: أنها تحتوي على نوع جديد من الكواركات، نوع صار يُعرَف باسم «الكوارك الغريب».

هناك باريونات غريبة وميزونات غريبة. تتكون الباريونات الغريبة من ثلاثة كواركات يكون أحدها على الأقل كواركًا غريبًا، وكلما زاد عدد ما يحويه الباريون من كواركات غريبة، زادت درجة «غرابته». يتكون الميزون من كوارك وكوارك مضاد، وبناءً عليه يكون الميزون الغريب هو ذلك الذي يحتوي إما على كوارك غريب أو على كوارك غريب مضاد. جاء اكتشاف الجسيمات الغريبة قبل اكتشاف أن الباريونات والميزونات مكوَّنة من كواركات بسنوات عديدة، وقد أدت خصائص مجموعة من الجسيمات الغريبة بالمُنظِّرين إلى ابتكار مصطلح الغرابة، الذي يحمل في كثير من جوانبه شبهًا بالشحنة؛ إذ إن الغرابة تُحفَظ عندما تؤثِّر القوة الشديدة على الجسيمات، وبذلك أصبح بوسعنا تفسير أي العمليات مفضَّل وأيها غير مفضل، بواسطة حساب مقدار الغرابة التي يملكها كل جسيم من الجسيمات المشاركة. وقد تحدد أن الميزونات المختلفة تحمل غرابة مقدارها +١ أو −١، أما الباريونات الغريبة فقد وُجِد وفق هذا النظام أنها تحمل غرابة مقدارها −١ أو −٢ أو −٣. وقد صرنا اليوم نفهم ما يحدِّد ذلك؛ فمقدار الغرابة «السالبة» التي يحملها جسيم ما يتناسب مع عدد الكواركات الغريبة الموجودة داخله. ربما كان من الملائم أكثر لو أننا قسنا مقدار الغرابة استنادًا إلى أن كل كوارك غريب يحمل وحدة واحدة من الغرابة الموجبة، لكنه ليس كذلك؛ ولهذا نحن ملتزمون بهذه المصادفة التاريخية التي وفقًا لها يترجم عدد الكواركات الغريبة إلى غرابة سالبة، فيما يترجم عدد الكواركات الغريبة المضادة إلى غرابة موجبة. (وقد تسبَّبت مصادفة تاريخية مشابهة في الشحنة السالبة للإلكترون.)

جدول ٨-١: باريونات ذات لف مغزلي ١ / ٢.

باريون	الكواركات	الشحنة	الغرابة	الطاقة المكافئة للكتلة (ميجا إلكترون فولت)
بروتون	علوي علوي سفلي	+١	٠	٩٣٨
نيوترون	سفلي سفلي علوي	٠	٠	٩٤٠
لامدا	علوي سفلي غريب	٠	−١	١١١٥
سيجما	علوي علوي غريب	+١	−١	١١٨٩
سيجما	علوي سفلي غريب	٠	−١	١١٩٢
سيجما	سفلي سفلي غريب	−١	−١	١١٩٧
زي	علوي غريب غريب	٠	−٢	١٣١٥
زي	سفلي غريب غريب	−١	−٢	١٣٢١

الكوارك الغريب يحمل شحنة كهربية مقدارها −١ / ٣، تمامًا مثل الكوارك السفلي، وهو أثقل من الكوارك السفلي بإجمالي طاقة مكافئة لكتلته قدرها نحو ١٥٠ ميجا إلكترون فولت، لكن من حيث كل الجوانب الأخرى يبدو الكوارك الغريب والكوارك السفلي متماثلين، وبسبب الكتلة الأثقل للكوارك الغريب مقارَنةً بالكوارك العلوي أو السفلي، في كل مرة يحل كوارك غريب محل كوارك علوي أو سفلي داخل البروتون أو النيوترون يكون الباريون الناتج أثقل بنحو ١٥٠ ميجا إلكترون فولت لكل وحدة من الغرابة (السالبة).

جدول ٨-٢: باريونات ذات لف مغزلي ٣ / ٢.

تجاوبات الباريونات	الكواركات	الغرابة	الطاقة المكافئة للكتلة (ميجا إلكترون فولت)
دلتا	سفلي سفلي سفلي	٠	١٢٣٢
سيجما	سفلي سفلي غريب	−١	١٣٨٠
زي	سفلي غريب غريب	−٢	١٥٣٠
أوميجا	غريب غريب غريب	−٣	١٦٧٠

يُظهِر (الجدول ٨-١) الباريونات الشبيهة بالبروتونات والنيوترونات، والتي لها لف مغزلي قدره ١ / ٢، إلى جانب شحناتها الكهربية وغرابتها ومقدار كتلتها (طاقتها المكافئة بالميجا إلكترون فولت). ليست القاعدة دقيقة تمامًا لكنها على الأقل صحيحة من الناحية النوعية (الكتل الفعلية، كما كان الحال مع البروتون والنيوترون، تعتمد أيضًا على القوى الكهربية المختلفة العاملة بين مكونات الجسيم، وعلى حقيقة أن أحجام الجسيمات التي تقارب نحو ١٠^−١٥ أمتار، ليست كلها متماثلة، وذلك بفضل الطبيعة المعقَّدَة للقوى المؤثرة عليها). تتحقق القاعدة بصورة أكثر دقة في مجموعة الباريونات الغريبة ذات اللف المغزلي ٣ / ٢ التي تتشارك التجاوب ، كما يظهر في (الجدول ٨-١).

هناك أيضًا ميزونات ذات غرابة مقدارها +١، على غرار الكاوون أو الكاوون ، وأخرى ذات غرابة مقدارها −١ على غرار الكاوون المضاد والكاوون المضاد ، والتي تحمل طاقةً مكافئةً قدرها نحو ٥٠٠ ميجا إلكترون فولت. هناك أيضًا ميزونات تحتوي على كوارك غريب وكوارك غريب مضاد، ومن ثَمَّ لا تكون هناك أي غرابة إجمالية. هذه التركيبة من الكوارك الغريب والكوارك الغريب المضاد تؤدي إلى ميزون ثالث متعادل الشحنة الكهربية، يُعرَف باسم جسيم إيتا الأولي وذلك إضافةً إلى الميزون باي والميزون إيتا متعادلي الشحنة الكهربية اللذين قابلناهما في الفصل الرابع.

هذه الميزونات مكوَّنة من كوارك وكوارك مضاد بإجمالي لف مغزلي قدره صفر. هناك أيضًا مجموعة يكون فيها إجمالي اللف المغزلي للكوارك والكوارك المضاد واحدًا، والجسيمات الغريبة التي ينطبق عليها هذا الوصف تُعرَف باسم الكاوون ، و، و، و؛ وهي شبيهة بالميزونات ، و و المعروفة بالرموز و و (رو وأوميجا وفاي).

السحر

ليست الكواركات السفلية وحدها هي التي لها أبناء عمومة أثقل منها؛ وهي الكواركات الغريبة، بل للكواركات العلوية أيضًا نُسَخٌ أثقل منها تُسمَّى «الكواركات الساحرة». الكوارك الساحر يحمل شحنة كهربية، وله لف مغزلي قدره +٢ / ٣ مثل الكوارك العلوي، بَيْدَ أنه أثقل من الكوارك العلوي بطاقة مكافئة قدرها نحو ١٥٠٠ ميجا إلكترون فولت. أما فيما يخص النواحي الأخرى كافة، يبدو الكوارك العلوي والكوارك الساحر متماثلين.

في حالة الكواركات الغريبة، تَمكَّنَّا من تكوين باريونات وميزونات غريبة أثقل بنحو بضعة مئات ميجا إلكترون فولت من نظيراتها ذات النكهات العلوية والسفلية. يحدث أمر مشابه في حالة الكواركات الساحرة، لكن بسبب كتلتها الأثقل، تكون الميزونات والباريونات الساحرة أثقل هي الأخرى؛ إذ يصل أخفها إلى نحو ١٩٠٠ ميجا إلكترون فولت، أو ما يساوي تقريبا ٢ جيجا إلكترون فولت. هذه الكتلة الأثقل هي أحد الأسباب وراء صعوبة إنتاج هذه الجسيمات بسهولة في الأشعة الكونية، ولم يصبح وجود الجسيمات والكواركات الساحرة معروفًا إلا مع استحداث تجارب خاصة في معجلات الجسيمات ذات الطاقات العالية في الربع الأخير من القرن العشرين.

يستطيع الكوارك الساحر الارتباط في مجموعات ثلاثية مع أي توليفة من الكواركات العلوية أو السفلية أو الغريبة، وذلك من أجل تكوين الباريونات الساحرة، بل الباريونات الساحرة الغريبة أيضًا. وقد رُصِدت بضعة أمثلة على اتحاد كواركين ساحرين مع كوارك علوي أو سفلي أو غريب. ونحن نتوقع أنه بمقدور ثلاثة كواركات ساحرة الاتحاد لتكوين باريون ذي وحدات ثلاث من السحر، لكننا في انتظار أدلة واضحة على حدوث مثل هذا الأمر.

يستطيع الكوارك الساحر الاتحاد مع كوارك مضاد منفرد من الكواركات (المضادة) العلوية أو السفلية أو الغريبة، إلا أن أشهر الأمثلة على ذلك هو ما يحدث حين يتَّحِد كوارك ساحر مع كوارك ساحر مضاد، ، ما يؤدي إلى شريك متعادل الشحنة الكهربية يضاف إلى البايونات وجسيمات إيتا المؤلَّفة من الكواركات ، أو أو كما سبق وأسلفنا. تبلغ كتلة جسيمات إيتا الساحرة الناتجة، ، ما يقل عن ٣٠٠٠ ميجا إلكترون فولت، أي نحو ٣ جيجا إلكترون فولت، ومن ثَمَّ فهي أخف مثال على النطاق الكامل المعروف باسم «طيف الجسيمات الساحرة».

شكل ٨-١:

اللف المغزلي للميزونات المؤلَّفة من كواركات. اللف المغزلي للكوارك العلوي، ، والسفلي، ، يضاف بعضهما لبعض بحيث يؤلفان الجسيم رو، ، الموجب الشحنة، أو يلغي بعضهما بعضًا بحيث يؤلفان الجسيم باي، ، الموجب الشحنة. تحدث توليفات مشابهة لأي خليط من النكهات العلوية والسفلية والغريبة للكواركات مع نظيرتها المضادة، والأمر عينه ينسحب على النكهات الساحرة والقاعية والقمية. ومن بين النتائج العديدة الممكنة أوضحنا بالشكل الجسيم ساي الذي يصل فيه مجموع اللف المغزلي إلى واحد، وشريكه الجسيم إيتا الساحر، ، الذي يتلاشى فيه اللف المغزلي إلى الصفر.

شكل ٨-٢:

الميزونات ذات اللف المغزلي ١ التي يمكن إنتاجها بسهولة في عمليات إفناء الإلكترونات والبوزيترونات. إضافة إلى ذلك، من الممكن إنتاج فوتون أو بوزون ، وهي الجسيمات التي لا تتكون من كواركات، بهذه الطريقة.

من خلال ذلك الطيف تم اكتشاف خاصية السحر للمرة الأولى. يتكون جسيم إيتا الساحر، ، حين يتحد كلٌّ من الكوارك الساحر والكوارك الساحر المضاد، ولكلٍّ منهما لف مغزلي قدره ١ / ٢، بحيث يساوي اللف المغزلي الصافي صفرًا (انظر الشكل ٨-١). ومن الممكن أيضًا أن يتَّحِد لفاهما المغزليان بحيث يصير الناتج الإجمالي واحدًا صحيحًا، وهنا سيُنتِج حالة أثقل قليلًا ذات طاقة قدرها نحو ٣٫١ جيجا إلكترون فولت تُعرَف بالجسيم ساي، . حين يلتقي إلكترون ببوزيترون ويفني كلٌّ منهما الآخر، فإنهما يكونان أكثر استعدادًا لهذا حين يكون إجمالي لفيهما المغزليين واحدًا صحيحًا. في مثل هذا التفاعل يتم الحفاظ على الطاقة وأيضًا على مقدار اللف المغزلي، وهذا له تأثير يتمثَّل في أنه لو وافق مقدارُ الطاقة المجتمع للإلكترون والبوزيترون مقدارَ الطاقة المكافئة للميزون ذي اللف المغزلي واحد — والمؤلف من كوارك وكوارك مضاد (ومن ثم فهو متعادل الشحنة الكهربية) — فمن ثم هذا الميزون سيُنتَج من الطاقة المتخلفة عن عملية الإفناء للإلكترون والبوزيترون. وهكذا، على سبيل المثال، إذا اصطدم إلكترون ببوزيترون على نحو مباشِر وكانت طاقتهما الإجمالية نحو ٠٫٨ جيجا إلكترون فولت — وهي كتلة الجسيمات و ذات اللف المغزلي واحد — فمن الممكن أن يتكوَّن أي من هذين الميزونين، أما إذا بلغت الطاقة نحو ١ جيجا إلكترون فولت فستتكون الميزونات من كوارك غريب وكوارك غريب مضاد، ، وتحديدًا الجسيم فاي، ، أما إذا بلغت الطاقة ٣٫١ جيجا إلكترون فولت، فسينتج الميزون ساي، ، المكوَّن من كوارك ساحر وكوارك ساحر مضاد. هذه هي الكيفية التي عُثِر بها على أولى أمثلة طيف الجسيمات الساحرة في العام ١٩٧٤، والكيفية التي تم الكشف بها تدريجيًّا عن طيف الجسيمات.

الجسيمات التي تحتوي على كواركات غريبة أو ساحرة ليست مستقرة؛ إذ إن كتلتها أكبر من تلك الخاصة بالميزونات أو الباريونات التي لا تحتوي على أي كواركات غريبة أو ساحرة، ومن ثَمَّ فإن طاقتها الحقيقية — الممثَّلَة بكتلتها مضروبة في مربع سرعة الضوء — أكبر؛ ولهذا رغم أنه من الممكن إنتاج الجسيمات الغريبة والساحرة في التصادمات العالية الطاقة داخل المعجلات، أو حتى في الطاقات القصوى التي سادت الحقبة التي تلت الانفجار العظيم مباشَرَةً، فإنها ستتحلل على الفور مخلِّفَةً كواركات علوية وسفلية داخل الباريونات «التقليدية» القادرة على البقاء في ظروف عالمنا الطبيعية، أما الميزونات فستدمر ذاتيًّا بفعل الإفناء المتبادل بين الكوارك والكواراك المضاد، منتِجَةً فوتونات أو إلكترونات ونيوترينوات كمنتجات نهائية مستقرة.

الكواركات القاعية والقمية

رأينا سلفًا كيف أن الطبيعة أوجدت مجموعة ثانية من نكهات الكواركات — الكواركات الغريبة والساحرة — باستخدام نفس الشحنات الكهربية لكن بكتل أثقل من نظيرتها العلوية والسفلية. قد يتساءل أحدهم عن سبب ذلك، إلا أن تلك ليست نهاية القصة؛ إذ أوجدت الطبيعة مجموعةً ثالثة من الكواركات الأثقل، بنفس الشحنات الكهربية التي تحملها المجموعتان السالفتان. وهكذا صار لدينا الكواركات القاعية ()، ولها طاقة مكافئة تبلغ نحو ٤٫٥ جيجا إلكترون فولت، وشحنة كهربية قدرها −١ / ٣، والكواركات القمية () ولها طاقة مكافئة تبلغ نحو ١٨٠ جيجا إلكترون فولت (ليس هذا خطأ مطبعيًّا!) وشحنة كهربية قدرها +٢ / ٣، إلا أن الكيفية التي حشدت بها الطبيعة مثلَ هذه الكتلة الضخمة، المماثلة لكتلة ذرة كاملة لعنصر الذهب، في مساحة قدرها ١٠^−١٨ أمتار، ستظل أحد أكبر ألغاز القرن الحادي والعشرين. في بعض الكتابات يطلق على هاتين النكهتين اسم الكوارك الحقيقي والكوارك الجميل، بدلًا من القمي والقاعي، إلا أنه تم الاتفاق بصورة عامة على التسمية الثانية، ومن ثَمَّ سأشير لهذه الكواركات هنا باسم الكواركات القمية والقاعية.

توجد باريونات وميزونات تحتوي على كواركات قاعية أو كواركات قاعية مضادة، وهي بالتبعية أثقل من نظيراتها المحتوية على الكواركات الغريبة الأخف الحاملة للشحنة عينها. أخف الميزونات القاعية له كتلة، أو طاقة مكافئة، قدرها نحو ٥ جيجا إلكترون فولت، وبالمثل هناك باريونات قاعية. لن نجني الكثير من الكتابة تفصيلًا عن خصائص هذه الباريونات، لكن إذا أردتَ التعرف عليها فما عليك إلا الذهاب إلى جدول الجسيمات الغريبة، وإحلال كوارك قاعي محل كل كوارك غريب، ثم تضيف كتلةً قدرها نحو ٤٫٥ جيجا إلكترون فولت لكل كوارك قاعي أو كوارك قاعي مضاد. أثارت الميزونات القاعية قدرًا من الاهتمام لأن سلوكها قد يمنحنا دلائل لحل لغزِ سببِ تكوُّن الكون من المادة على حساب المادة المضادة. هناك أيضًا حالات «طيف الجسيمات القاعية» المشابِهة لحالات طيف الجسيمات الساحرة، وأخف هذه الحالات، التي تتكون من كوارك قاعي وكوارك قاعي مضاد، لها كتلة قدرها نحو ٩٫٥ جيجا إلكترون فولت.

هنا قد تتوقَّع وجود الميزونات والباريونات المحتوية على كواركات قمية، وأن تكون خصائصها مشابِهةً لخصائص الجسيمات الساحرة (نظرًا لأن الكواركات القمية والساحرة لها الشحنة عينها)، وأن السمة المميزة الأساسية ستكون أنها أثقل بنحو ٢٠٠ جيجا إلكترون فولت من نظيراتها الساحرة. وقد يكون هذا هو الحال بالفعل، لكن لا أحد يعرف يقينًا بعدُ؛ لأننا لا نملك أي منشأة يمكنها إنتاج مثل هذه الجسيمات الضخمة بكمية تكفي لدراستها بالتفصيل المطلوب. ومع ذلك، هناك شك كبير في أن لمثل هذه الجسيمات وجودًا فعليًّا. المشكلة هي أن الكواركات القمية، بسبب ضخامتها الهائلة، غير مستقرة للغاية، وتتحلل في أقل من ١٠^−٢٥ ثوانٍ، غالبًا قبل أن يتاح لها الوقت لاقتناص كواركات أو كواركات أخرى مضادة كي تكوِّن الحالات المترابطة التي نطلق عليها الميزونات والباريونات.

يحدث التحلل بواسطة عملية مشابهة لتلك الخاصة بنشاط بيتا الإشعاعي. فمثلما يتحوَّل النيوترون إلى بروتون حين يتحول الكوارك السفلي إلى كوارك علوي (أخف)، مُطلِقًا طاقةً على صورة إلكترون ونيوترينو (من الناحية التقنية نيوترينو مضاد)، على النحو التالي:

شكل ٨-٣:

عمليات التحلل الأساسية للكواركات. كل سهم يشير للأسفل يطلق بوزيترونًا ونيوترينو، ، بينما كل سهم يشير للأعلى يطلق إلكترونًا ونيوترينو مضادًّا، . يُظهِر الشكلُ أيضًا مسارين أقل ترجيحًا مبينين بالسهمين المتقطعين.

فإن الكواركات الأثقل تحاكي هذا السلوك. يكون الفارق بين الشحنات الكهربية لأي كواركات إما صفر أو ١. في الحالة الأخيرة يمكن أن يقع التحلُّل من الكوارك الأثقل إلى الكوارك الأخف عن طريق إطلاق إلكترون أو بوزيترون على الترتيب (إلى جانب نيوترينو أو نيوترينو مضاد)، وهكذا يتكون لدينا متتالية من عمليات التحلل على النحو التالي:

وفي الخطوة الأخيرة يمكن أن يتبقى لدينا جسيم مستقر، على غرار البروتون، لكن من الممكن — وإن كان من غير المرجح — أن يتم التغاضي عن خطوة من خطوات سلسلة التحلل، على سبيل المثال أو . أيضًا من المحتمل أن تتخذ الكواركات الساحرة طريقًا بديلًا ، أو . للكواركات العلوية، ، والسفلية، ، كتل متشابهة، وهو ما ينعكس على الكتل المتشابهة لكلٍّ من البروتون والنيوترون، وهذا يجعل عملية التحلل من كوارك سفلي إلى علوي، ، عمليةً بطيئةً، على سبيل المثال نصف العمر الخاص بالنيوترون الحر يبلغ طوله عشرَ دقائق. الفوارق الأخرى في الكتل أكبر، ومن ثَمَّ تقع عمليات التحلل على نحو أسرع، وفي حالة الكوارك القمي — كما نشك — تكون عملية التحلل بدرجة من السرعة بحيث لا يتاح الوقت أمام الباريونات القمية أو الميزونات القمية للتكوُّن من الأساس.

كيف رُتِّبَ هذا؟

يتكون عالمنا من كواركات علوية وسفلية، وإلكترونات ونيوترينوات، وهذه النيوترينوات تُعرَف باسم «النيوترينوات الإلكترونية»، ورمزها ، وذلك للإشارة إلى حقيقة أنها شقيقة الإلكترونات. توجد ثلاث مجموعات من الكواركات في الطبيعة؛ إذ توجد أيضًا النكهات الساحرة والغريبة، وأيضًا القمية والقاعية، التي هي بمنزلة نسخ أثقل من الكواركات العلوية والسفلية ذات الشحنة الكهربية +٢ / ٣ و−١ / ٣. لكن هذا التقسيم الثلاثي لا ينطبق على الكواركات وحدها، بل هناك ثلاث مجموعات من كل جسيم ينتمي لعائلة اللبتونات بالمثل.

فهناك نسخة أثقل للإلكترون، تُعرَف بالميوون، ورمزها ، وهي سالبة الشحنة الكهربية شأن الإلكترون. ويبدو الميوون (ونظيره الميوون المضاد، ) مماثلًا في كل الجوانب تقريبًا للإلكترون أو البوزيترون، خلا أنه أثقل منهما بنحو ٢٠٧ مرات، بطاقة مكافئة تبلغ نحو ١٠٥ ميجا إلكترون فولت. في تفاعلات التحلل الضعيف، يُصاحَب الميوون بنيوترينو، بَيْدَ أنه نيوترينو مختلف عن النيوترينو الذي يصاحب الإلكترون، ونطلق على هذا النيوترينو اسم «النيوترينو الميووني»، ورمزه (وهناك، بالطبع، جسيم مضاد له اسمه النيوترينو الميووني المضاد ورمزه ).

ثمة مجموعة ثالثة من اللبتونات، وهي تتألف من التاوون، وهو جسيم سالب الشحنة يُشبِه الإلكترون، بَيْدَ أن كتلته تصل إلى نحو ٢ جيجا إلكترون فولت (ورمزه ، بينما الجسيم المضاد له رمزه )، والنيوترينو المصاحب له يُدعَى النيوترينو التاووني ورمزه (أما الجسيم المضاد له فرمزه ).

تتمايز النيوترينوات حسب كتلتها، تلك الكتلة الصغيرة للغاية بما يجعل قياسها مستحيلًا، إلا أننا بدأنا في الحصول على مقياس للفروقات الضئيلة بين كتلها. باختصار، يبدو أن الكتلة هي الملمح الأساسي الفارق بين أفراد «الأجيال» الثلاثة للجسيمات الأساسية. ومن واقع دراسة البوزون نعرف أنه لا وجود لأي نيوترونات أخف من ذلك في الطبيعة، سبب هذا هو أننا قادرون على قياس مدة بقاء البوزون ، وقد تبيَّنَ أن هذه المدة تتوافق مع تلك التي حسبها الفيزيائيون النظريون في حالة وجود ثلاث مجموعات متمايزة فقط من النيوترينوات يمكن أن تُنتَج عندما يتحلل هذا البوزون، فكلما زادت المجموعات، زادت سرعة تحلل البوزون نظرًا لأن كل مسار متاح من شأنه أن يزيد أكثر وأكثر من عدم استقرار البوزون ، وإذا كان هناك وجود لأي نيوترينوات خفيفة أخرى، فستتسبب هذه النيوترينوات في تقصير مدة بقاء البوزون ، وهو ما يتناقض مع ما تم رصده في الواقع العملي. من هذا نخلص إلى أن هناك ثلاثَ مجموعات متمايزة فقط من هذه النيوترينوات الخفيفة.

جدول ٨-٣: الكواركات واللبتونات. تبلغ كتلة الكواركات العلوية والسفلية ما بين ٥ إلى ١٠ ميجا إلكترون فولت تقريبًا، فيما تبلغ كتلة الكواركات الغريبة نحو ١٥٠ ميجا إلكترون فولت. حين تكون الكواركات حبيسةً داخل الهادرونات فإنها تكتسب طاقة إضافية، وتسلك كما لو أن لها كتلة قدرها نحو ٣٥٠ ميجا إلكترون فولت ونحو ٥٠٠ ميجا إلكترون فولت على الترتيب. الكتل الفعلية للكواركات الأثقل لا تتأثر على هذا النحو البليغ حين تكون حبيسة الهادرونات. تبلغ كتلة الكواركات الساحرة نحو ١٫٥ جيجا إلكترون فولت، والقاعية نحو ٤٫٥ جيجا إلكترون فولت، والقمية نحو ١٨٠ جيجا إلكترون فولت.

الكواركات		اللبتونات
الشحنة = +٢ / ٣	الشحنة = −١ / ٣	الشحنة = −١	الشحنة = ٠
كوارك علوي	كوارك سفلي	إلكترون	نيوترينو إلكتروني
كوارك ساحر	كوارك غريب	ميوون	نيوترينو ميووني
كوارك قمي	كوارك قاعي	تاوون	نيوترينو تاووني

في ضوء هذه النتيجة، وفي ضوء ظننا بأن كل نوع من هذه النيوترينوات يقترن بلبتون سالب الشحنة، وأن هذه اللبتونات بدورها تقترن بنوعين من الكواركات — العلوية والسفلية ذات اللف المغزلي +٢ / ٣ و−١ / ٣ — بهذا نكون قد حدَّدنا المجموعة الكاملة لهذه الجسيمات الأساسية. لكل واحد من هذه اللبتونات والكواركات لف مغزلي قدره ١ / ٢، ومن ثَمَّ يبدو أن الطبيعة أنتجت لنا ثلاثة أجيال من الجسيمات الأساسية ذات اللف المغزلي ١ / ٢. لماذا ثلاثة؟ لا نعرف لهذا السؤال إجابة. لِمَ لم تكتفِ الطبيعة بمجموعة واحدة؟ لا نعرف الإجابة يقينًا لكننا نشك في أن الإجابة قد يكون لها علاقة بلغز آخَر: لماذا عدم التوازن هذا بين المادة والمادة المضادة في الكون؟

لغز المادة المضادة

تحيط بالمادة المضادة هالة من الغموض، تلك المادة التي يُفترض أن تكون نسخةً مطابقة من المادة المألوفة لدينا، لكن يكون فيها اليمين يسارًا، والشمال جنوبًا، ويسير الزمن فيها على نحو معكوس. وأكثر خصائص هذه المادة شهرةً هي قدرتها على تدمير المادة في غمضة عين، بحيث تحوِّل المادة التي تتألف منها أجسامنا إلى طاقة صافية. في الخيال العلمي، تغري الكواكب المكوَّنَة من المادة المضادة المسافرين جاذبةً إياهم نحو هلاكهم، حتى بينما تمد ذرات الهيدروجين المضاد محركات مركباتهم الفضائية بالطاقة. لكن في الواقع الفعلي، ووفق كل ما توصلنا إليه بعد عقود من الأبحاث الفيزيائية التجريبية، فإن الكون الوليد كان كأتون متقد من الطاقة، توازنت فيه مقادير المادة والمادة المضادة. وهذا يستدعي السؤال: لماذا لم تفنَ المادة والمادة المضادة في رقصة محمومة من الإفناء المتبادل؟ وما السبب وراء وجود أي شيء في كوننا اليوم، بعد مرور نحو أربعة عشر ألف مليون عام على مولده؟

يمس هذا اللغز حقيقة وجودنا ذاته؛ فأجسامنا تتألف من المادة، شأنها شأن كل شيء آخَر نعرفه في الكون، وليس هناك مناجم للمادة المضادة على الأرض، وهذا أمر مفهوم لأنها ستُدمَّر على الفور من قِبَل المادة المحيطة بها مُحدِثةً نتائج كارثية. بصورة ما، في غضون لحظات من الانفجار العظيم، تمكَّنَتِ المادة من أن تكون لها الكلمة العليا، وفنيت المادة المضادة، واستمرت الطاقة الحرارية المتخلفة عن هذا الدمار (اليوم تبلغ حرارتها ٣ درجات فوق الصفر المطلق، وتُعرَف باسم إشعاع الخلفية الكوني)، وفي نهاية المطاف تكتَّلَ ما تبقَّى من مادة مكوِّنًا مجرات النجوم. لا بد من وجود ما يميِّز المادة عن المادة المضادة، وهذا الفارق المميز هو ما جعل الكلمة العليا للمادة.

سنصف في الفصل التالي تتابُع الأحداث الذي مكَّنَ أجزاء المادة الأساسية من التكوُّن داخل النجوم، إلى أن كوَّنَتْ في النهاية المادةَ الكثيفةَ التي نجدها اليوم. أما في هذا الفصل فسنناقش مسألةَ الاختلاف بين المادة والمادة المضادة.

انشغل الفيزيائيون وعلماء الكونيات بهذه المسألة لسنوات. ظهر أحد الأدلة الحاسمة الخاصة بهذا الأمر عام ١٩٦٤، ومؤخرًا فقط — في أعقاب المزيد من الاكتشافات والتطورات التكنولوجية — صار من الممكن الاستفادة من هذا الدليل وربما حسم المسألة تمامًا. كان هذا الدليل هو اكتشاف أن ثمة انعدامًا بسيطًا في التوازن تظهره الطبيعة؛ ميلًا في سلوك بعض الجسيمات «الغريبة» بعينها، على غرار الكاوون المتعادل الشحنة الذي لا يحاكيه على نحو دقيق نظيره المضاد .

اكتُشِفت الجسيمات الغريبة عام ١٩٤٧ وسط الحطام المتخلف عن اصطدام الأشعة الكونية بطبقة الغلاف الجوي العليا، وقد ساعد إدراكنا أن هناك مادة عجيبة من نوعٍ ما في الكون على تحفيزنا لبناء معجلات الجسيمات، التي صارت قادرةً على إنتاج جسيمات غريبة — على غرار ميزونات كيه (التي تحتوي على كاوون) — بوفرة. وهكذا في عام ١٩٦٤ اكتشف فريق من العلماء في مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك أنه في نحو كل مليون عملية تحلُّل لميزونات كيه، أخفقت المادة والمادة المضادة في التوازن لمرة واحدة.

يتسم انعدام التناظر هذا بأنه طفيف للغاية، لدرجة أن تقصِّيه كان من أكثر عمليات القياس صعوبةً وحساسيةً في الفيزياء الحديثة، وقد حدث تقدُّم مفاجِئ عام ١٩٧٧ عند اكتشاف أول أمثلة على الجسيمات «القاعية»، وإدراك أنها في حقيقتها النُّسَخ الأثقل للجسيمات الغريبة. ومثلما تُبرِز الجسيماتُ الغريبة الفارقَ بين المادة والمادة المضادة، يمكن أن يحدث الأمر عينه مع الجسيمات القاعية. وبالفعل، حين أكَّدَ اكتشاف الكواركات القمية والقاعية أن الطبيعة أوجدت ثلاثة أجيال من الكواركات، ومن الكواركات المضادة، بدت المعادلات الناتجة على نحو مدهش وكأنها تقضي ضمنًا بأن عدم التناظر بين المادة والمادة المضادة في الجسيمات القاعية كان حتميًّا. لقد تَمَّ التنبؤ بأن انعدام التناظر الطفيف للغاية بين الكاوون والكاوون المضاد ، سيكون كبيرًا في حالة الميزونات القاعية و. هل يمكن لوجود ثلاثة أجيال، وتحديدًا وجود الكواركات القاعية، أن يحمل بشكلٍ ما مفتاحَ حلِّ هذا اللغز؟ فبما أن الكواركات القاعية كانت وفيرة في اللحظات الأولى من عمر الكون، هل يمكن لها أن تحمل سرَّ ظهورِ هذا الكون غير المتناظر، الذي تهيمن عليه المادة اليوم؟

للإجابة على هذا السؤال كان من الضروري إنتاج مليارات من الميزونات القاعية والميزونات القاعية المضادة، ودراستها تفصيلًا. ولتحقيق هذا المأرب صُمِّمَت «مصانع الميزونات القاعية» — وهي معجلات تتصادم فيها الإلكترونات والبوزيترونات على طاقات قدرها نحو ١٠ جيجا إلكترون فولت، ومن ثَمَّ تُنتَج الميزونات القاعية والميزونات القاعية المضادة فيها بغزارة — وشيدت في كاليفورنيا واليابان. إنها آلات صغيرة الحجم نسبيًّا بمعايير فيزياء الجسيمات الحديثة، لا يزيد محيطها عن بضع مئات من الأمتار، بَيْدَ أنها تحوي حِزَمًا عالية الكثافة يجري التحكُّم فيها بمستوى كبير غير مسبوق من الدقة.

اكتمل المعجلان عام ١٩٩٩، وبعد الاختبار التجريبي بدأ المعجلان في جمع البيانات، لكن الحصول على نتائج حاسمة سيتطلب إنتاج ودراسة أعداد هائلة من الجسيمات القاعية. الأمر أشبه بإلقاء عملة: فقد تتسبَّبت الصدفة في ظهور أحد الوجهين خمس أو عشر مرات على التوالي، لكن لو استمر هذا في الحدوث، فلا بد من أن شيئًا ما يميِّز هذه العملة. وهكذا الحال عند دراسة الجسيمات دون الذرية السريعة الزوال؛ فهي تعيش لأقل من غمضة عين، وما يتبقَّى بعد موتها — بقايا حفرياتها لو شئتَ أن تسميها هكذا — هو ما نجحنا في فك شفرته، ونحن بحاجة لأعداد كبيرة للغاية من هذه الحفريات كي نعرف ما إذا كانت الفوارق حقيقيةً أم نتاجَ الصدفة.

هناك أنواع عديدة من الحفريات يمكن دراستها، وقد بدأت فِرَقٌ متخصِّصة في المعجلَيْن في جمع وقياس خصائص العديد من هذه الحفريات. ضمن هذه الحفريات هناك نوع معين يُعرَف باسم «تفاعل الجسيم ساي-الكاوون القصير» — فيه يتحلل الميزون القاعي أو الميزون القاعي المضاد مخلفًا الجسيم ساي، إلى جانب خليط معين من الكاوونات والكاوونات المضادة — يتنبَّأ المنظرون أنه سيكون أوضح المؤشرات على وجود اختلافٍ بين المادة القاعية والمادة القاعية المضادة. وبحلول عام ٢٠٠٣ صار من الجلي أن هذه التحللات تُظهِر فارقًا كبيرًا بين المادة والمادة المضادة، حسب ما جرى بالفعل التنبؤ به، وسنحتاج عدة سنوات من دراسة خصائص الجسيمات القاعية، من أجل تحديد ما إذا كانت الإجابة الكاملة للغزِ انعدامِ التناظر بين المادة والمادة المضادة على المستوى الكبير تكمن في البذور الأساسية للمادة، أم أن انعدام التناظر الذي تُظهِره الجسيمات الغريبة والقاعية ما هو إلا ظاهرة غامضة مقتصرة على هذه الصور العجيبة من الجسيمات.

فيزياء الجسيمات

فيزياء الجسيمات

نبذة عن الكتاب

الفهرس