الجسيمات دون الذرية هي اللبنات الأساسية للكون، وهي مكونات أصغر من الذرة. إنها أساسية لفهم قوانين الطبيعة وبنية المادة. خلال هذا الدرس، نبدأ في استكشاف هذه الجسيمات وخصائصها وكيفية تفاعلها، مما يضع الأساس لفهم فيزياء الجسيمات.
النموذج القياسي هو النظرية التي تصف ثلاث من القوى الأساسية الأربعة المعروفة في الكون، باستثناء الجاذبية، ويصنف جميع الجسيمات دون الذرية المعروفة. ويصنف هذه الجسيمات إلى فرميونات (جسيمات المادة) وبوزونات (حاملات القوة).
وتنقسم الفرميونات أيضًا إلى كواركات ولبتونات، بينما تشمل البوزونات الفوتونات، وبوزونات W وZ، والغلوونات، وبوزون هيغز. تتحد الكواركات لتشكل البروتونات والنيوترونات، وهي مكونات النوى الذرية، بينما تشتمل اللبتونات على إلكترونات تدور حول النواة.
الكواركات تأتي في ستة أنواع أو "نكهات": أعلى، أسفل، سحر، غريب، أعلى، وأسفل. إنهم يواجهون القوى الأساسية الأربع، بما في ذلك القوة النووية القوية التي تجمعهم معًا داخل البروتونات والنيوترونات. لا يتم العثور على الكواركات في عزلة أبدًا بسبب ظاهرة تسمى "الحبس اللوني"؛ وهي موجودة في أزواج أو في مجموعات من ثلاثة، وتشكل هادرونات مثل البروتونات (اثنان كواركات علوية وكوارك واحد سفلي) والنيوترونات (اثنان كواركات سفلية وكوارك واحد علوي).
من ناحية أخرى، لا تواجه اللبتونات القوة النووية الشديدة. الإلكترون هو اللبتون الأكثر شهرة، والذي يوجد غالبًا في السحابة المحيطة بالنواة الذرية. تشمل اللبتونات الأخرى الميون، والتاو، والنيوترينوات المقابلة لهما، وهي عديمة الكتلة تقريبًا وتتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة.
البوزونات هي جسيمات تتوسط القوى الأساسية. والفوتون هو الحامل للقوة الكهرومغناطيسية، أما بوزونات W وZ فهي المسؤولة عن القوة النووية الضعيفة، المسؤولة عن عمليات الاضمحلال النووي. تحمل الغلوونات القوة النووية الشديدة، وتجمع الكواركات معًا داخل البروتونات والنيوترونات. ويرتبط بوزون هيغز، الذي تم اكتشافه في عام 2012 في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، بمجال هيغز، الذي يعطي كتلة للجسيمات.
كل نوع من الجسيمات في النموذج القياسي له جسيم مضاد مماثل، متطابق في الكتلة ولكنه معاكس في خصائص أخرى مثل الشحنة الكهربائية. عندما تلتقي الجسيمات والجسيمات المضادة، فإنها تفنى، وتحول كتلتها إلى طاقة وفقًا لمعادلة أينشتاين، \(E = mc^2\) حيث \(E\) هي الطاقة، \(m\) الكتلة، و \(c\) هي سرعة الضوء.
كانت العديد من التجارب محورية في فهمنا للجسيمات دون الذرية:
QCD هي النظرية التي تشرح القوة النووية الشديدة، وهي إحدى القوى الأساسية الأربع، التي تعمل بين الكواركات والجلونات. ويفترض أن الكواركات تحمل خاصية تسمى "شحنة اللون" وأن تبادل الغلوونات، التي تحمل أيضًا شحنة لونية، يتوسط القوة القوية. تتناقص قوة القوة الشديدة مع اقتراب الكواركات، وهي خاصية تُعرف باسم "الحرية المقاربة".
تعمل النظرية الكهروضعيفة على توحيد القوى الكهرومغناطيسية والقوى النووية الضعيفة في إطار واحد. وهو يشرح كيف أن هاتين القوتين تتصرفان كقوة واحدة عند مستويات الطاقة العالية (مثل تلك التي أعقبت الانفجار الكبير مباشرة). وتتنبأ النظرية بوجود بوزونات W وZ، والتي تم تأكيدها تجريبيًا لاحقًا.
على الرغم من نجاحه، فإن النموذج القياسي ليس كاملا. فهو لا يتضمن الجاذبية التي تصفها النظرية النسبية العامة، ولا يفسر المادة المظلمة والطاقة المظلمة التي تشكل معظم الكون. تقترح نظريات مثل التناظر الفائق ونظرية الأوتار امتدادات للنموذج القياسي، حيث تقدم جسيمات ومفاهيم جديدة في محاولة لمعالجة هذه الألغاز.
في الختام، فإن الجسيمات دون الذرية، وهي المكونات الأساسية للمادة، جزء لا يتجزأ من فهم بنية الكون والقوى الأساسية التي تشكله. تستمر دراسة هذه الجسيمات، من خلال الأطر النظرية مثل النموذج القياسي والتجارب الرائدة، في تحدي وتوسيع معرفتنا بالكون.
