النكهة (فيزياء الجسيمات)

جميع الشحنات المختلفة المذكورة أعلاه محفوظة لأن مؤثرات الشحنة المقابلة يمكن فهمها على أنها مولدات للتناظرات التي تتبادل مع الهاميلتوني. وبالتالي، فإن القيم الذاتية لمؤثرات الشحنة المختلفة محفوظة.

الأعداد الكمومية المحفوظة بشكل مطلق في النموذج القياسي هي:

• الشحنة الكهربائية ( Q )
• الدوران النظائري الضعيف ( T3 ₎
• عدد الباريونات ( ب )
• عدد الليبتون ( L )

في بعض النظريات، مثل نظرية التوحيد الكبرى ، يمكن انتهاك حفظ عدد الباريونات والليبتونات الفردية، إذا تم الحفاظ على الفرق بينهما ( B − L ) (انظر الشذوذ الكيرالي ).

تحافظ التفاعلات القوية على جميع النكهات، ولكن يتم انتهاك جميع أرقام الكم للنكهة (تغييرها، وعدم الحفاظ عليها) بواسطة التفاعلات الكهروضعيفة .

جميع اللبتونات تحمل عددًا ليبتونيًا L = 1. بالإضافة إلى ذلك، تحمل اللبتونات عزمًا نظائريًا ضعيفًا ، T3 _، يساوي -1/2 للبتونات المشحونة الثلاثة ( الإلكترون ، والميون ، والتاو ) ، و+ 1/ 2 للنيوترينوات الثلاثة المرتبطة بها . يُقال إن كل ثنائي من ليبتون مشحون ونيوترينو ذي عزمين نظائريين T3 متعاكسين يُشكل جيلًا واحدًا من اللبتونات . علاوة على ذلك ، يُعرَّف عدد كمي يُسمى الشحنة الفائقة الضعيفة ، YW _، يساوي -1 لجميع اللبتونات اليسارية . ^{[ 1 ]} يُقاس كل _من العزم النظائري الضعيف والشحنة الفائقة الضعيفة في النموذج القياسي .

يمكن إسناد ستة أعداد كمية لليبتونات: عدد الإلكترون، وعدد الميون، وعدد تاو، والأعداد المقابلة للنيوترينوات ( نيوترينو الإلكترون ، ونيوترينو الميون ، ونيوترينو تاو ). هذه الأعداد محفوظة في التفاعلات القوية والكهرومغناطيسية، ولكنها تُنتهك في التفاعلات الضعيفة. لذلك، فإن هذه الأعداد الكمية للنكهات ليست ذات فائدة كبيرة. من المفيد أكثر استخدام عدد كمي منفصل لكل جيل : عدد الليبتون الإلكتروني (+1 للإلكترونات ونيوترينوات الإلكترون)، وعدد الليبتون الميون (+1 للميونات ونيوترينوات الميون)، وعدد الليبتون التاو (+1 لليبتونات التاو ونيوترينوات التاو). مع ذلك، حتى هذه الأعداد ليست محفوظة تمامًا، إذ يمكن أن تختلط نيوترينوات الأجيال المختلفة ؛ أي أن نيوترينوًا من نكهة معينة يمكن أن يتحول إلى نكهة أخرى . يتم تحديد قوة هذه الخلطات بواسطة مصفوفة تسمى مصفوفة Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (مصفوفة PMNS).

تحمل جميع الكواركات عددًا باريونيًا B = ± + 1/3 ، بينما تحمل جميع الكواركات المضادة عددًا باريونيًا B = − + 1/3 . كما تحمل جميعها إيزوسبين ضعيفًا ، T3 = ± + 1/2 . تُسمى الكواركات الموجبة الشحنة (الكوارك العلوي، وكوارك السحر، وكوارك القمة) بالكواركات العلوية ، _ولها T3 = ± + 1/2 ؛ أما الكواركات السالبة الشحنة ( الكوارك السفلي ، وكوارك الغريب ، وكوارك القاع) فتُسمى بالكواركات السفلية ، ولها _T3 = − + 1/2 . يُمثل كل زوج من الكواركات العلوية والسفلية جيلًا واحدًا _من الكواركات . 

بالنسبة لجميع أعداد الكمّ الخاصة بنكهات الكواركات المذكورة أدناه، فإن الاصطلاح هو أن شحنة النكهة والشحنة الكهربائية للكوارك لهما نفس الإشارة . وبالتالي، فإن أي نكهة يحملها ميزون مشحون لها نفس إشارة شحنته. للكواركات أعداد الكمّ الخاصة بنكهات الكواركات التالية:

• المكون الثالث من الإيزوسبين ( عادة ما _يكون فقط " _{الإيزوسبين "} ) ( I3 ) ، والذي له قيمة _I3 = 1/2 للكوارك العلوي و I3 = -1/2 للكوارك السفلي .
• الغرابة ( S ₎ : تُعرَّف على النحو التالي: _S = − ns + ns̅، حيث يُمثل ns عدد الكواركات الغريبة ₍ s ) ، ويمثل ns̅ عدد الكواركات _{المضادة الغريبة} ( s ₎ . وقد قدّم موراي جيل مان هذا العدد الكمومي . يُعطي هذا التعريف الكوارك الغريب غرابة تساوي -1 للسبب المذكور أعلاه.
• السحر ( C ): يُعرَّف على أنه C = n _{_c} - n _{_c̅} ، حيث يمثل n _{_c} عدد كواركات السحر ( c )، ويمثل n _{_c̅} عدد مضادات كواركات السحر. قيمة كوارك السحر هي +1.
• القاعية (أو الجمال ) ( B ′ ): تُعرف على أنها B ′ = − n _b + n _{b ̅} ، حيث يمثل n _b عدد الكواركات السفلية ( b ) ويمثل n _{b ̅} عدد الكواركات المضادة السفلية.
• التفوق (أو الحقيقة ) ( T ): يُعرَّف على أنه T = n _t − n _{t ̅} ، حيث يمثل n _t عدد الكواركات العلوية ( t ) ويمثل n _{t ̅} عدد الكواركات العلوية المضادة. ومع ذلك، نظرًا لقصر عمر النصف للكوارك العلوي (عمر النصف المتوقع يبلغ فقط(5 × 10⁻²⁵ ثانية  )، وبحلول الوقت الذي يصبح فيه قادرًا على التفاعل بقوة، يكون قد تحلل بالفعل إلى نوع آخر من الكواركات (عادةً إلى كوارك سفلي ). لهذا السبب ^، لا يتحلل الكوارك العلوي إلى هادرون ، أي أنه لا يُكوّن أي ميزون أو باريون .

تُحدد هذه الأعداد الكمومية الخمسة، بالإضافة إلى عدد الباريونات (وهو ليس عددًا كموميًا للنكهة)، أعداد جميع نكهات الكواركات الست بشكل منفصل (بصيغة n _q − n _{q ̅} ، أي يُحسب الكوارك المضاد بعلامة السالب). وهي محفوظة في كل من التفاعل الكهرومغناطيسي والتفاعل القوي (ولكن ليس في التفاعل الضعيف). ومنها يمكن بناء الأعداد الكمومية المشتقة.

• الشحنة الفائقة ( Y ): Y = B + S + C + B ′ + T
• الشحنة الكهربائية ( Q ): Q = I ₃ + 1 / 2 Y (انظر صيغة جيل مان-نيشيجيما )

مصطلحا "غريب" و"غرابة" أقدم من اكتشاف الكوارك، لكنهما استمرا في الاستخدام بعد اكتشافه حفاظًا على التناسق (أي أن غرابة كل نوع من أنواع الهادرونات ظلت ثابتة)؛ حيث يُشار إلى غرابة الجسيمات المضادة بـ +1، والجسيمات بـ -1 وفقًا للتعريف الأصلي. وقد أُدخل مفهوم الغرابة لتفسير معدل اضمحلال الجسيمات المكتشفة حديثًا، مثل الكاون، واستُخدم في تصنيف الطرق الثمانية للهادرونات وفي نماذج الكواركات اللاحقة . وتُحفظ هذه الأعداد الكمومية في ظل التفاعلات القوية والكهرومغناطيسية ، ولكن ليس في ظل التفاعلات الضعيفة .

بالنسبة للاضمحلالات الضعيفة من الرتبة الأولى، أي العمليات التي تتضمن اضمحلال كوارك واحد فقط، فإن هذه الأعداد الكمومية (مثل الكوارك الساحر) لا يمكن أن تتغير إلا بمقدار 1، أي أنه بالنسبة للاضمحلال الذي يتضمن كواركًا ساحرًا أو كواركًا مضادًا، سواء كان الجسيم الساقط أو ناتجًا ثانويًا للاضمحلال، فإن ΔC = ±1 ؛ وبالمثل، بالنسبة للاضمحلال الذي يتضمن كواركًا سفليًا أو كواركًا مضادًا، فإن ΔB ′ = ±1 . وبما أن عمليات الرتبة الأولى أكثر شيوعًا من عمليات الرتبة الثانية (التي تتضمن اضمحلال كواركين)، فيمكن استخدام هذا كقاعدة اختيار تقريبية للاضمحلالات الضعيفة. 

يُعدّ مزيج خاص من نكهات الكواركات حالةً ذاتيةً لجزء التفاعل الضعيف من الهاميلتوني ، لذا يتفاعل بطريقة بسيطة للغاية مع بوزونات W (حيث تُخالف التفاعلات الضعيفة المشحونة خاصية النكهة). ​​من جهة أخرى، يُعدّ فرميون ذو كتلة ثابتة (حالة ذاتية لجزئي التفاعل الحركي والقوي من الهاميلتوني) حالةً ذاتيةً للنكهة. ويُشكّل التحويل من الأساس السابق إلى أساس الحالة الذاتية للنكهة/الحالة الذاتية للكتلة للكواركات أساس مصفوفة كابيبو-كوباياشي-ماسكاوا (مصفوفة CKM). تُشابه هذه المصفوفة مصفوفة PMNS للنيوترينوات، وتُحدّد كميًا تغيرات النكهة في ظل التفاعلات الضعيفة المشحونة للكواركات.

تسمح مصفوفة CKM بانتهاك CP إذا كان هناك ثلاثة أجيال على الأقل.

أعداد الكمّ الخاصة بالنكهة قابلة للجمع. لذا، فإن للجسيمات المضادة نكهة مساوية في المقدار للجسيم ولكن معاكسة في الإشارة. ترث الهادرونات عدد الكمّ الخاص بالنكهة من كواركات التكافؤ الخاصة بها : وهذا هو أساس التصنيف في نموذج الكواركات . تنطبق العلاقات بين الشحنة الفائقة والشحنة الكهربائية وأعداد الكمّ الأخرى الخاصة بالنكهة على الهادرونات والكواركات على حد سواء.

في بعض الحالات (على سبيل المثال، عندما تكون كتل الكواركات أصغر بكثير من مقياس كسر التناظر الكيرالي البالغ 250  ميغا إلكترون فولت)، لا تُسهم كتل الكواركات بشكلٍ كبير في سلوك النظام، ويمكن تجاهل كتل أخف الكواركات، كتقريبٍ أولي، في معظم الحالات، كما لو كانت كتلتها صفرًا. عندئذٍ، يمكن نمذجة السلوك المُبسّط لتحويلات النكهة بنجاح على أنها تعمل بشكلٍ مستقل على الأجزاء اليسرى واليمنى من كل حقل كواركي. يُوصف هذا التناظر التقريبي للنكهة بواسطة مجموعة كيرالية SU _L ( N _f ) × SU _R ( N _f ) .

إذا كانت جميع الكواركات تمتلك كتلًا غير صفرية ولكنها متساوية، فإن هذا التناظر الكيرالي ينكسر إلى تناظر متجهي لمجموعة النكهة القطرية SU( Nf ₎ ، التي تُطبق التحويل نفسه على حلزونية الكواركات. يُعد هذا الاختزال في التناظر شكلًا من أشكال كسر التناظر الصريح . وتُحدد قوة كسر التناظر الصريح بكتل الكواركات الحالية في الديناميكا اللونية الكمومية.

حتى لو كانت الكواركات عديمة الكتلة، يمكن كسر تناظر النكهة الكيرالية تلقائيًا إذا احتوى فراغ النظرية على مكثف كيرالي (كما هو الحال في الديناميكا اللونية الكمومية منخفضة الطاقة). وهذا يُنتج كتلة فعّالة للكواركات، والتي غالبًا ما تُعرّف بكتلة كوارك التكافؤ في الديناميكا اللونية الكمومية.

تشير تحليلات التجارب إلى أن كتل الكواركات الحالية للنكهات الأخف أصغر بكثير من مقياس QCD ، ΛQCD _، وبالتالي فإن تناظر النكهة الكيرالي يُعد تقريبًا جيدًا لـ QCD بالنسبة للكواركات العلوية والسفلية والغريبة. وينبع نجاح نظرية الاضطراب الكيرالي ، وحتى النماذج الكيرالية الأبسط ، من هذه الحقيقة. كتل كواركات التكافؤ المستخرجة من نموذج الكواركات أكبر بكثير من كتلة الكوارك الحالية. وهذا يدل على أن QCD يشهد كسرًا تلقائيًا لتناظر النكهة الكيرالي مع تكوّن مكثف كيرالي . وقد تكسر أطوار أخرى من QCD تناظرات النكهة الكيرالية بطرق أخرى.

إن مفهوم الأيزوسبين والغرابة والشحنة الفائقة يسبق نموذج الكوارك. وقد تم تقديم أول هذه الأعداد الكمومية، وهو الأيزوسبين، كمفهوم في عام 1932 من قبل فيرنر هايزنبرغ ، ^{[ 5 ]} لشرح تناظرات النيوترون المكتشف حديثًا آنذاك (رمزه n):

• كتلة النيوترون والبروتون ( رمزه p ) متطابقة تقريبًا: فهما متقاربان في الطاقة، ولذلك يُشار إليهما غالبًا باسم " النيوكليونات " ، وهو مصطلح يتجاهل اختلافاتهما الجوهرية. على الرغم من أن البروتون يحمل شحنة كهربائية موجبة، والنيوترون متعادل، إلا أنهما متطابقان تقريبًا في جميع الجوانب الأخرى، وتفاعلات قوة الربط النووي بينهما (الاسم القديم لقوة اللون المتبقية) قوية جدًا مقارنةً بالقوة الكهربائية بين بعضها، لدرجة أنه لا جدوى من إيلاء اهتمام كبير لاختلافاتهما.
• قوة التفاعل القوي بين أي زوج من النيوكليونات هي نفسها، بغض النظر عما إذا كانوا يتفاعلون كبروتونات أو كنيوترونات.

تم تجميع البروتونات والنيوترونات معًا كنيوكليونات ومعاملتها كحالات مختلفة لنفس الجسيم، لأن كلاهما لهما نفس الكتلة تقريبًا ويتفاعلان بنفس الطريقة تقريبًا، إذا تم إهمال التفاعل الكهرومغناطيسي (الأضعف بكثير).

لاحظ هايزنبرغ أن الصياغة الرياضية لهذا التناظر تشبه، من بعض النواحي، الصياغة الرياضية للدوران غير النسبي ، ومن هنا جاء اسم "الأيزوسبين". يُنسب النيوترون والبروتون إلى الثنائي (التمثيل ذو الدوران ½ ، أو 2 ، أو التمثيل الأساسي ) لـ SU( 2 )، حيث يرتبط البروتون والنيوترون بإسقاطات أيزوسبين مختلفة I3 = ½ و ½⁻ على التوالي. أما البيونات _، فتُنسب إلى الثلاثي (التمثيل ذو الدوران 1، أو 3 ، أو التمثيل المرافق ) لـ SU ( 2). مع ذلك ، ثمة اختلاف عن نظرية الدوران: فالفعل الجماعي لا يحافظ على النكهة ( في الواقع، الفعل الجماعي هو تبادل للنكهة تحديدًا).

عند بناء نظرية فيزيائية للقوى النووية ، يمكن ببساطة افتراض أنها لا تعتمد على التناظر النظائري، على الرغم من أن التناظر النظائري الكلي ينبغي أن يكون محفوظًا. وقد أثبت مفهوم التناظر النظائري فائدته في تصنيف الهادرونات المكتشفة في خمسينيات وستينيات القرن العشرين (انظر حديقة الجسيمات )، حيث تُنسب الجسيمات ذات الكتلة المتشابهة إلى مضاعف تناظر نظائري من نوع SU(2) .

أدى اكتشاف الجسيمات الغريبة مثل الكاون إلى ظهور عدد كمي جديد محفوظ بفعل التفاعل القوي: الغرابة (أو ما يعادلها من الشحنة الفائقة). وقد تم تحديد صيغة غيل-مان-نيشيجيما في عام 1953، والتي تربط بين الغرابة والشحنة الفائقة من جهة، والدوران النظائري والشحنة الكهربائية من جهة أخرى. ^{[ 6 ]}

بمجرد أن أصبح فهم الكاونات وخاصية غرابتها أكثر وضوحًا، بدأ يتضح أنها أيضًا جزء من تناظر موسع يحتوي على الإيزوسبين كمجموعة فرعية. أطلق موراي جيل مان على هذا التناظر الأكبر اسم " الطريق الثماني" ، وسرعان ما تم التعرف عليه على أنه يتوافق مع التمثيل المرافق لـ SU(3) . لفهم أصل هذا التناظر بشكل أفضل، اقترح جيل مان وجود كواركات علوية وسفلية وغريبة تنتمي إلى التمثيل الأساسي لتناظر نكهة SU(3).

لتفسير الغياب الملحوظ للتيارات المحايدة المتغيرة النكهة ، طُرحت آلية GIM عام 1970، والتي قدمت الكوارك الساحر وتنبأت بميزون J/psi . ^{[ 7 ]} وقد تم اكتشاف ميزون J/psi بالفعل عام 1974، مما أكد وجود الكواركات الساحرة. يُعرف هذا الاكتشاف بثورة نوفمبر . وأصبح عدد الكم للنكهة المرتبط بالكوارك الساحر يُعرف باسم سحر .

تم التنبؤ بالكواركات السفلية والعلوية في عام 1973 من أجل تفسير انتهاك CP ، ^{[ 8 ]} مما يعني أيضًا وجود رقمين كميين جديدين للنكهة: القاعية والقمة .