نبذة مختصرة -جدا- عن مكونات الكون!

كان العلماء يعتقدون أن المادة تتكون من ذرات لا يمكن أن تتجزأ، ثم وجدوا أن الذرات تتكون من الكترونات (1897م) و نواة (1911م)، ثم اكتشفوا أن النواة تحتوي على نيوترونات (1932م) بالإضافة إلى البروتونات (1917م)، ثم اكتشفوا وجود مئات الجسيمات النووية -تسمى: باريونات و ميزونات وغيرها – بناء على رصد الإشعاع الكوني و على تجارب المسارعات النووية… ثم اقترحوا في النهاية أن الكون يتكون من كواركات (اكتشف آخرها عام 1995م) ومنها تتكون مكونات النواة، و لبتونات (اكتشف آخرها عام 2000م) و أحدها الالكترون. و يتفاعل بعضها ببعض عن طريق جسيمات تسمى: بوزونات (اكتشف آخرها عام 2012م) و أحدها الضوء، و المعادلات التي تحكم كل ذلك تكون النظرية العلمية التي تعرف بالنموذج المعتمد لفيزياء الجسيمات -يترجم أحيانا بالنموذج المعياري أو القياسي- و هي نظرية صلبة تدعمها التجارب منذ ما يزيد عن 40 عاما!1

دون أن نسترسل في حديث تاريخي مطول، وجد العلماء أنهم كلما أرادوا أن يغوصوا في المادة أكثر (ليكتشفوا العالم الأوليّ الصغير -أي لبنات المادة)؛ كلما احتاجوا إلى بناء أجهزة أكبر (مسارعات\معجلات و كواشف) و ذات طاقة أعلى… ثم وجدوا أن المسارع كلما ازداد كبرا و بالتالي طاقةً، كلما اقترب الوضع الحاصل في داخله من الوضع الذي يفترض العلماء أنه قريب من بداية الكون (حسب نظرية الانفجار العظيم، أو على الأقل ما قبل مليارات السنين).

بكل اختصار، فيزياء الطاقة العالية (أو فيزياء الجسيمات) هو العلم الذي يدرس اللبنات الأولية التي تتكون منها المادة و يدرس التفاعلات (التداخلات/القوى) بينها، و النظرية الراسخة التي تتوافق مع التجربة هي تسمى النموذج المعتمد لفيزياء الجسيمات كما ذكرت.

إن نظرة العلماء الحالية عن الكون و ما يحويه تتلخص فيما يلي:
الكون عبارة عن جسيمات أولية يتفاعل بعضها ببعض عن طريق قوى محددة، و تنتقل هذه القوى بين تلك الجسيمات بواسطة جسيمات ناقلة.

القوى/التداخلات الأربع الأساس:
يعتقد العلماء أن القوى التي تحكم جميع التفاعلات في الكون هي أربع:

1. التداخل النووي الشديد (و هو المسؤول عن ربط مكونات النواة ببعضا)
2. التداخل الكهرومغناطيسي (الكهرباء و المغناطيسية)
3. التداخل النووي الضعيف (و هو المسؤول عن تحلل النواة و بالتالي وجود العناصر المشعة)
4. الجاذبية (و هي المسؤولة عن سقوط الأجسام إلى الأرض!)

و يعتقد العلماء أن هذه القوى تعود إلى أصل مشترك (قوة واحدة)؛ لذلك فهم في سعي دؤوب لتوحيدها، و قد استطاعوا أن يوحدوا بين القوة النووية الضعيفة و القوة الكهرومغناطيسية فيما يسمى القوة الكهروضعيفة، و وضعوا النموذج المعتمد و هو الذي يصف القوة النووية الشديدة و القوة الكهروضعيفة، و كل ما يتعلق بهما من ظواهر، و لكنه (أي النموذج المعتمد) يهمل الجاذبية لأنها ضعيفة جدا مقارنة بالقوى الأخرى.

المادة:
يعتقد العلماء أن المادة في الكون تتكون من جسيمات تسمى فرميونات و هي نوعان:

1. كواركات: و هي ست أنواع و كل نوع له ثلاثة شحنات لونية (ليست كهربائية و إنما شحنة خاصة بالجسيمات التي تتفاعل مع بعضها عن طريق القوى النووية و ليست كل الجسيمات تفعل ذلك)، و لها جسيمات مضادة (أي نفس الخصائص و لكن عكس الشحنة الكهربية و اللونية).
2. لبتونات: و هي أيضا ست أنواع (بعضها تحمل شحنة كهربية فقط و الأخرى لا تحمل أي شحنة)، و لها جسيمات مضادة.

و أخيرا فإن البوزوناتهي التي تنقل القوى (التداخلات) بين الجسيمات. فمثلا، تقوم الفوتونات (الضوء) بنقل القوة الكهرومغناطيسية بين الأجسام المشحونة كهربيا! و الـ “جلونات” تقوم بنقل القوة النووية الشديدة بين الكواركات، و تقوم بوزونات w و z بنقل القوة الضعيفة بين الكواركات و اللبتونات!

إن تلك النظرة ليست كاملة، لأن النموذج المعتمد لا يفسر كل الظواهر الفيزيائية المتعلقة بالجسيمات الأولية، و لا يشمل الجاذبية. كذلك فإن النموذج المعتمد يفترض نوعا من البوزونات تسمى (بوزونات هيجز)، و هذه البوزونات لم يثبت وجودها بعد –على الرغم من أن الدلائل تكاد تؤكد وجودها-. (تحديث 2013: في شهر جولاي 2012 تم اكتشاف جسيم له خصائص جسيم هيجز و لكنه ما زال تحت الدراسة. تحديث عام 2015: ازدادت ثقة المجتمع العلمي بأن الجسيم المكتشف هو جسيم هيجز)

لقد أدت الحاجة إلى التحقق من وجود بوزونات هيجز، و غيرها من الأسئلة التي لا نملك إجابة عنها في مجال الجسيمات الأولية و علم الكون، إلى إنشاء أضخم مسارع في العالم بتكلفة تزيد عن 10 مليارات يورو بواسطة المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية CERN، و يقع هذا المسارع الذي يبلغ محيطه 27 كم، و على عمق 100 متر تحت الأرض، و يحتوي على خمس كواشف منها أضخم كاشف في العالم ATLAS، و يقع هذا المسارع بين دولتي سويسرا و فرنسا. و هو ما يسمى المصادم الهادروني الضخم (تجربة الانفجار العظيم) The LHC.

إن المجتمع العلمي في جميع أنحاء العالم -و تحديدا فيزيائيو الطاقة العالية- ينتظر بدء عمل هذه التجربة الجديدة، في سبتمبر القادم ٢٠٠٨م و ذلك ترقبا للنتائج المهمة التي ستخرج عنها بإذن الله.

نعود إلى النموذج المعتمد لنذكر بعض محاسنه و بعض مساوئه التي تفرض على العلماء البحث عن ما بعد النموذج المعتمد.

محاسن النموذج المعتمد:

1. يعطي وصفا جيدا للقوة النووية الشديدة و القوة الكهروضعيفة و يضعهما في إطار عام واحد.
2. يفسر العدد الهائل من الجسيمات الأولية التي تنتج عن التصادمات في المسارعات، و كذلك الأشعة الكونية.
3. يربط ربطا وثيقا بين علم الجسيمات الأولية و علم الكون من خلال دراسات الجسيمات الفلكية و فرضية تضخم الكون.

مساوئ:

1. لا يحدد كتل الجسيمات الأولية
2. يفترض جسيمات ناقلة (بوزونات هيجز) لم يتم رصدها (تحديث عام 2015: تم رصد جسيم هيجز عام 2012م.)
3. يتجاهل القوة الرابعة (الجاذبية).
4. يفترض أن النيوترينات (تنبه أننا لا نعني النيوترونات) ليست ذات كتلة، بعكس ما تظهره التجارب الحديثة و تؤكده.
و غيرها
5. لا يفسر المادة المظلمة

هذه باختصار نبذة سريعة جدا عن فيزياء الطاقة العالية، و إليكم بعض المواقع المقترحة للاستزادة:

– Powers of ten (لعبة تفاعلية بسيطة من موقع سيرن لتوضيح مقياس محتويات الكون بالمتر و مضاعفاته -تجد اللعبة في منتصف/يسار الصفحة)

– ُThe scale of the Universe by Fotoshop (لعبة أخرى لمقياس الكون. و لكن ما بعد ١٠^-١٨ هي افتراضات لا يمكن اختبارها تجريبيا لأنها بعيدة جدا عن مستوى طاقات التجارب الحالية)

– The particle adventure (موقع تفاعلي تم تحديثه مؤخرا، و هو يقدم معلومات خفيفة و مجزأة و أشكال توضيحية عن: الأنموذج القياسي… و عن أهداف المصادم الهادروني الضخم، و عن المسارعات و الكواشف)