فيزياء الجسيمات

فيزياء الجسيمات أو فيزياء الطاقة العالية هي دراسة الجسيمات والقوى الأساسية التي تُكوّن المادة والإشعاع . كما يدرس هذا المجال تركيبات الجسيمات الأولية حتى مستوى البروتونات والنيوترونات ، بينما تُسمى دراسة تركيبات البروتونات والنيوترونات بالفيزياء النووية .

تُصنَّف الجسيمات الأساسية في الكون ، وفقًا للنموذج القياسي ، إلى فرميونات (جسيمات المادة) وبوزونات (جسيمات حاملة للقوى). توجد ثلاثة أجيال من الفرميونات، مع أن المادة العادية تتكون فقط من الجيل الأول. يتألف الجيل الأول من كواركات علوية وسفلية تُشكِّل البروتونات والنيوترونات ، بالإضافة إلى الإلكترونات ونيوترينوات الإلكترون . التفاعلات الأساسية الثلاثة المعروفة التي تتوسطها البوزونات هي الكهرومغناطيسية ، والتفاعل الضعيف ، والتفاعل القوي .

تُشكّل الكواركات الهادرونات ، لكنها لا تستطيع الوجود منفردة. تُسمى الهادرونات التي تحتوي على عدد فردي من الكواركات بالباريونات ، بينما تُسمى تلك التي تحتوي على عدد زوجي بالميزونات . يُشكّل البروتون والنيوترون ، وهما باريونان ، معظم كتلة المادة العادية. الميزونات غير مستقرة، وأطولها عمراً لا يتجاوز بضعة أجزاء من مئة من الميكروثانية . تنشأ الميزونات نتيجة تصادمات بين جسيمات مُكوّنة من الكواركات، مثل البروتونات والنيوترونات سريعة الحركة في الأشعة الكونية . كما تُنتَج الميزونات في السيكلوترونات أو مُسرّعات الجسيمات الأخرى .

لكل جسيم جسيم مضاد له نفس الكتلة ولكن بشحنة كهربائية معاكسة . على سبيل المثال، الجسيم المضاد للإلكترون هو البوزيترون . يحمل الإلكترون شحنة كهربائية سالبة، بينما يحمل البوزيترون شحنة كهربائية موجبة. نظريًا، يمكن لهذه الجسيمات المضادة أن تُشكّل شكلًا مُناظرًا من المادة يُسمى المادة المضادة . بعض الجسيمات، مثل الفوتون ، هي جسيم مضاد لنفسها.

تُعدّ هذه الجسيمات الأولية إثارات للحقول الكمومية التي تحكم تفاعلاتها. تُعرف النظرية السائدة التي تُفسّر هذه الجسيمات والحقول الأساسية، إلى جانب ديناميكياتها، بالنموذج القياسي . لم يُحسم بعدُ التوفيق بين الجاذبية ونظرية فيزياء الجسيمات الحالية؛ وقد تناولت العديد من النظريات هذه المشكلة، مثل جاذبية الكم الحلقية ، ونظرية الأوتار ، ونظرية التناظر الفائق .

يُعنى علم فيزياء الجسيمات التجريبي بدراسة هذه الجسيمات في العمليات الإشعاعية وفي مسرعات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير . أما علم فيزياء الجسيمات النظري فيُعنى بدراسة هذه الجسيمات في سياق علم الكونيات ونظرية الكم . ويرتبط هذان العلمان ارتباطًا وثيقًا: فقد تم افتراض وجود بوزون هيغز نظريًا قبل أن يتم تأكيده تجريبيًا.

تعود فكرة أن المادة تتكون أساسًا من جسيمات أولية إلى القرن السادس قبل الميلاد على الأقل. ^{[ 1 ]} في القرن التاسع عشر، استنتج جون دالتون ، من خلال عمله في علم القياس الكيميائي ، أن كل عنصر من عناصر الطبيعة يتكون من نوع واحد فريد من الجسيمات. ^{[ 2 ]} ومنذ ذلك الحين، أصبحت كلمة "ذرة " ، المشتقة من الكلمة اليونانية " أتوموس " التي تعني "غير قابل للتجزئة"، تُشير إلى أصغر جسيم في العنصر الكيميائي ، لكن الفيزيائيين اكتشفوا لاحقًا أن الذرات ليست، في الواقع، الجسيمات الأساسية للطبيعة، بل هي تجمعات من جسيمات أصغر، مثل الإلكترون . أدت استكشافات الفيزياء النووية وفيزياء الكم في أوائل القرن العشرين إلى إثبات الانشطار النووي عام 1939 على يد ليز مايتنر (استنادًا إلى تجارب أوتو هان )، والاندماج النووي على يد هانز بيته في العام نفسه؛ كما أدى كلا الاكتشافين إلى تطوير الأسلحة النووية . يُنسب إلى حساب بيثه لانزياح لامب عام 1947 الفضل في "فتح الطريق أمام العصر الحديث لفيزياء الجسيمات". ^{[ 3 ]}

خلال خمسينيات وستينيات القرن العشرين، اكتُشفت مجموعة متنوعة ومذهلة من الجسيمات في تصادمات الجسيمات المنبعثة من حزم ذات طاقة متزايدة. وقد أُطلق عليها بشكل غير رسمي اسم " حديقة الجسيمات ". أثارت اكتشافات مهمة، مثل انتهاك تناظر الشحنة الزوجية (CP) على يد جيمس كرونين وفال فيتش، تساؤلات جديدة حول عدم توازن المادة والمادة المضادة . ^{[ 4 ]} بعد صياغة النموذج القياسي خلال سبعينيات القرن العشرين، أوضح الفيزيائيون أصل "حديقة الجسيمات". فُسِّر العدد الكبير من الجسيمات على أنه تراكيب لعدد (صغير نسبيًا) من الجسيمات الأساسية، ووُضِّح ذلك في سياق نظريات الحقل الكمومي . شكّل هذا التصنيف الجديد بداية فيزياء الجسيمات الحديثة. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

يُفسَّر الوضع الحالي لتصنيف جميع الجسيمات الأولية بالنموذج القياسي ، الذي حظي بقبول واسع النطاق في منتصف سبعينيات القرن الماضي بعد التأكيد التجريبي لوجود الكواركات . يصف هذا النموذج التفاعلات الأساسية القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية ، باستخدام بوزونات قياس ^وسيطة . أنواع بوزونات القياس هي ثمانية غلوونات ، W−، دبليو ⁺وبوزونات Z ، والفوتون . ^{[ 7 ]} يحتوي النموذج القياسي أيضًا على 24 فرميونًا أساسيًا ( 12 جسيمًا وجسيماتها المضادة المرتبطة بها)، وهي مكونات المادة . [ ^{8 ] أخيرًا} ، تنبأ النموذج القياسي أيضًا بوجود نوع من البوزونات يُعرف باسم بوزون هيغز . في 4 يوليو 2012، أعلن الفيزيائيون في مصادم الهادرونات الكبير في سيرن أنهم اكتشفوا جسيمًا جديدًا يتصرف بشكل مشابه لما هو متوقع من بوزون هيغز. ^{[ 9 ]}

يحتوي النموذج القياسي، بصيغته الحالية، على 61 جسيمًا أوليًا. ^{[ 10 ]} يمكن لهذه الجسيمات الأولية أن تتحد لتكوين جسيمات مركبة، وهو ما يفسر وجود مئات الأنواع الأخرى من الجسيمات التي تم اكتشافها منذ ستينيات القرن الماضي. وقد وُجد أن النموذج القياسي يتوافق مع جميع الاختبارات التجريبية التي أُجريت حتى الآن تقريبًا. ومع ذلك، يعتقد معظم علماء فيزياء الجسيمات أنه وصف غير مكتمل للطبيعة، وأن نظرية أكثر جوهرية تنتظر الاكتشاف (انظر نظرية كل شيء ). في السنوات الأخيرة، قدمت قياسات كتلة النيوترينو أولى الانحرافات التجريبية عن النموذج القياسي، نظرًا لأن النيوترينوات لا تمتلك كتلة في النموذج القياسي. ^{[ 11 ]}

يركز البحث الحديث في فيزياء الجسيمات على الجسيمات دون الذرية ، بما في ذلك المكونات الذرية، مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات (البروتونات والنيوترونات جسيمات مركبة تُسمى الباريونات ، تتكون من الكواركات )، والتي تُنتج عن طريق العمليات الإشعاعية وعمليات التشتت ؛ ومن هذه الجسيمات الفوتونات والنيوترينوات والميونات ، بالإضافة إلى مجموعة واسعة من الجسيمات الغريبة . ^{[ 12 ]} ويمكن وصف جميع الجسيمات وتفاعلاتها التي رُصدت حتى الآن بشكل شبه كامل بواسطة النموذج القياسي . ^{[ 7 ]}

تخضع ديناميكيات الجسيمات أيضًا لميكانيكا الكم ؛ فهي تُظهر ازدواجية الموجة والجسيم ، إذ تتصرف كجسيمات في ظل ظروف تجريبية معينة، وكموجات في ظروف أخرى. وبتعبير أدق، تُوصف هذه الجسيمات بمتجهات الحالة الكمومية في فضاء هيلبرت ، الذي يُعالج أيضًا في نظرية الحقل الكمومي . ووفقًا لعرف علماء فيزياء الجسيمات، يُطلق مصطلح الجسيمات الأولية على تلك الجسيمات التي يُفترض، وفقًا للفهم الحالي، أنها غير قابلة للتجزئة ولا تتكون من جسيمات أخرى. ^{[ 10 ]}

الكواركات واللبتونات

تتكون المادة العادية من كواركات الجيل الأول (كواركات علوية ، وكواركات سفلية ) وليبتونات ( إلكترون ، ونيوترينو إلكتروني ). ^{[ 13 ]} تُسمى الكواركات واللبتونات مجتمعةً بالفيرميونات . ولها عزم مغزلي كمي من أنصاف الأعداد الصحيحة (−1/2، 1/2، 3/2، إلخ) وتخضع لمبدأ استبعاد باولي ، حيث لا يمكن لجسيمين أن يشغلا نفس الحالة الكمية . ^{[ 14 ]} تحمل الكواركات شحنة كهربائية أولية كسرية (−1/3 أو 2/3) ^{[ 15 ]} بينما تحمل الليبتونات شحنة كهربائية صحيحة (0 أو -1). ^{[ 16 ]} كما تحمل الكواركات شحنة لونية ، تُصنف بشكل اعتباطي دون أي ارتباط بلون الضوء الفعلي ، مثل الأحمر والأخضر والأزرق. ^{[ 17 ]} نظرًا لأن التفاعلات بين الكواركات تخزن طاقة يمكن تحويلها إلى جسيمات أخرى عندما تكون الكواركات متباعدة بدرجة كافية، فلا يمكن رصد الكواركات بشكل مستقل. وهذا ما يُسمى بحصر اللون . ^{[ 17 ]}

توجد ثلاثة أجيال معروفة من الكواركات (العلوي والسفلي، والغريب والساحر، والقمة والقاع) واللبتونات (الإلكترون ونيوترينوه، والميون ونيوترينوه، والتاو ونيوترينوه ) ، مع وجود أدلة غير مباشرة قوية على عدم وجود ^جيل رابع من الفرميونات. ^{[ 18} ]

مركب

النيوترونات والبروتونات في نوى الذرات هي باريونات ؛ يتكون النيوترون من كواركين سفليين وكوارك علوي واحد، ويتكون البروتون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد. ^{[ 29 ]} يتكون الباريون من ثلاثة كواركات، ويتكون الميزون من كواركين (أحدهما عادي والآخر مضاد). تُسمى الباريونات والميزونات مجتمعةً بالهادرونات . تخضع الكواركات داخل الهادرونات للتفاعل القوي، وبالتالي تخضع للديناميكا اللونية الكمومية (الشحنات اللونية). يجب أن تكون الشحنة اللونية للكواركات المقيدة متعادلة، أو "بيضاء" تشبيهًا بمزج الألوان الأساسية . ^{[ 30 ]} يمكن أن تحتوي الهادرونات الأكثر غرابة على أنواع أو ترتيبات أو أعداد أخرى من الكواركات ( مثل رباعي الكوارك ، وخماسي الكوارك ). ^{[ 31 ]}

تتكون الذرة من بروتونات ونيوترونات وإلكترونات. ^{[ 32 ]} ومن خلال تعديل الجسيمات داخل الذرة العادية، يمكن تكوين ذرات غريبة . ^{[ 33 ]} ومن الأمثلة البسيطة على ذلك الهيدروجين-4.1 ، الذي استُبدل أحد إلكتروناته بميون. ^{[ 34 ]}

أهم مختبرات فيزياء الجسيمات في العالم هي:

• مختبر بروكهافن الوطني ( لونغ آيلاند ، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية ). مرفقه الرئيسي هو مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC)، الذي يصطدم الأيونات الثقيلة مثل أيونات الذهب والبروتونات المستقطبة. وهو أول مصادم أيونات ثقيلة في العالم، والمصادم الوحيد للبروتونات المستقطبة في العالم. ^{[ 36 ] [ 37 ]}
• معهد بودكر للفيزياء النووية ( نوفوسيبيرسك ، روسيا ). تتمثل مشاريعه الرئيسية حاليًا في مصادمات الإلكترون-بوزيترون VEPP-2000 ^{[ 38 ]} ، التي تعمل منذ عام 2006، وVEPP-4 ^{[ 39 ]،} التي بدأت تجاربها في عام 1994. وتشمل المرافق السابقة أول مصادم الإلكترون-الإلكترون-حزمة-حزمة VEP-1، الذي أجرى تجارب من عام 1964 إلى عام 1968؛ ومصادمات الإلكترون-بوزيترون VEPP-2، التي عملت من عام 1965 إلى عام 1974؛ وخليفته VEPP-2M ^{[ 40 ]} ، الذي أجرى تجارب من عام 1974 إلى عام 2000. ^{[ 41 ]}

• 

  سيرن (المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية) ( الحدود الفرنسية السويسرية، بالقرب من جنيف ، سويسرا ) . مشروعها الرئيسي حاليًا هو مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، الذي شهد أول دورة شعاعية له في 10 سبتمبر 2008، وهو الآن أقوى مصادم بروتونات في العالم. كما أصبح أقوى مصادم للأيونات الثقيلة بعد أن بدأ بتصادم أيونات الرصاص. تشمل المرافق السابقة مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير (LEP)، الذي توقف في 2 نوفمبر 2000 ثم تم تفكيكه لإفساح المجال أمام مصادم الهادرونات الكبير؛ ومسرع البروتونات الفائق ، الذي يُعاد استخدامه كمسرع أولي لمصادم الهادرونات الكبير ولتجارب الأهداف الثابتة. ^{[ 42 ]}
• مركز ديزي (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ( هامبورغ ، ألمانيا ). كان مرفقه الرئيسي هو حلقة الإلكترونات والهادرونات (HERA)، التي كانت تصطدم الإلكترونات والبوزيترونات بالبروتونات. ^{[ 43 ]} ويركز مجمع المسرعات حاليًا على إنتاج إشعاع السنكروترون باستخدام PETRA III و FLASH ومشروع XFEL الأوروبي .
• مختبر فيرمي الوطني للمسرعات (فيرميلاب) ( باتافيا ، إلينوي، الولايات المتحدة ). كان مرفقه الرئيسي حتى عام 2011 هو تيفاترون ، الذي كان يصطدم بالبروتونات والبروتونات المضادة وكان أعلى مصادم جسيمات طاقة على الأرض حتى تجاوزه مصادم الهادرونات الكبير في 29 نوفمبر 2009. ^{[ 44 ]}
• معهد فيزياء الطاقة العالية (IHEP) ( بكين ، الصين ). يدير المعهد عددًا من أهم مرافق فيزياء الجسيمات في الصين، بما في ذلك مصادم الإلكترون-بوزيترون الثاني في بكين (BEPC II)، ومطياف بكين (BES)، ومرفق إشعاع السنكروترون في بكين (BSRF)، والمرصد الدولي للأشعة الكونية في يانغباجينغ في التبت، وتجربة نيوترينو مفاعل خليج دايا ، ومصدر نيوترونات التفتت الصيني ، وتلسكوب تعديل الأشعة السينية الصلبة (HXMT)، ونظام دون الحرج المدفوع بالمسرع (ADS)، بالإضافة إلى مرصد نيوترينو جيانغمن تحت الأرض (JUNO). ^{[ 45 ]}
• KEK ( تسوكوبا ، اليابان ). وهو موطن لعدد من التجارب مثل تجربة K2K وتجربتها اللاحقة T2K ، وهي تجربة تذبذب النيوترينو و Belle II ، وهي تجربة تقيس انتهاك CP لميزونات B. ^{[ 46 ]}
• مختبر SLAC الوطني للمسرعات ( مينلو بارك ، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية ). بدأ تشغيل مسرع الجسيمات الخطي الذي يبلغ طوله ميلين في عام 1962، وكان أساسًا للعديد من تجارب تصادم الإلكترونات والبوزيترونات حتى عام 2008. ومنذ ذلك الحين، يُستخدم المسرع الخطي في ليزر الأشعة السينية التابع لمصدر الضوء المتماسك الخطي، بالإضافة إلى أبحاث تصميم المسرعات المتقدمة. ويواصل موظفو SLAC المشاركة في تطوير وبناء العديد من كواشف الجسيمات حول العالم. ^{[ 47 ]}

كما هو الحال في الفيزياء النظرية ، تسعى فيزياء الجسيمات النظرية إلى تطوير النماذج والإطار النظري والأدوات الرياضية اللازمة لفهم التجارب الحالية والتنبؤ بالتجارب المستقبلية. وتشهد فيزياء الجسيمات النظرية اليوم جهوداً رئيسية مترابطة.

يسعى فرعٌ هامٌ من فروع علم الفيزياء إلى فهم النموذج القياسي واختباراته فهمًا أفضل. إذ يُقدّم علماء الفيزياء النظرية تنبؤاتٍ كميةً للكميات القابلة للرصد في تجارب المصادمات والتجارب الفلكية ، والتي تُستخدم جنبًا إلى جنب مع القياسات التجريبية لاستخلاص معلمات النموذج القياسي بدقةٍ أكبر. ويستكشف هذا العمل حدود النموذج القياسي، وبالتالي يُوسّع الفهم العلمي لمكونات الطبيعة الأساسية. وتُشكّل صعوبة حساب الكميات عالية الدقة في الديناميكا اللونية الكمومية تحديًا كبيرًا لهذه الجهود . يستخدم بعض علماء الفيزياء النظرية العاملين في هذا المجال أدوات نظرية الحقل الكمومي الاضطرابية ونظرية الحقل الفعّالة ، ويُطلقون على أنفسهم اسم علماء الظواهر . بينما يستخدم آخرون نظرية حقل الشبكة، ويُطلقون على أنفسهم اسم علماء نظرية الشبكة .

يُبذل جهدٌ كبيرٌ آخر في بناء النماذج، حيث يطوّر بناة النماذج أفكارًا حول الفيزياء التي قد تقع خارج النموذج القياسي (عند طاقات أعلى أو مسافات أقصر). غالبًا ما يكون هذا العمل مدفوعًا بمشكلة التسلسل الهرمي ، ويخضع لقيود البيانات التجريبية المتوفرة. ^{[ 48 ] [ 49 ]} وقد يشمل العمل دراسة التناظر الفائق ، وبدائل لآلية هيغز ، والأبعاد المكانية الإضافية (مثل نماذج راندال-ساندرم )، ونظرية البريون ، أو توليفات من هذه الأفكار، أو غيرها. تُعدّ نظرية الأبعاد المتلاشية إحدى نظريات فيزياء الجسيمات التي تقترح أن الأنظمة ذات الطاقة الأعلى تمتلك عددًا أقل من الأبعاد. ^{[ 50 ]}

يُعدّ مجال نظرية الأوتار جهدًا رئيسيًا ثالثًا في فيزياء الجسيمات النظرية . يسعى علماء نظرية الأوتار إلى بناء وصف موحد لميكانيكا الكم والنسبية العامة من خلال بناء نظرية قائمة على الأوتار الصغيرة والأغشية بدلًا من الجسيمات. إذا نجحت هذه النظرية، فقد تُعتبر " نظرية كل شيء " أو "TOE". ^{[ 51 ]}

هناك مجالات عمل أخرى في فيزياء الجسيمات النظرية تتراوح من علم الكونيات الجسيمية إلى جاذبية الكم الحلقية .

من حيث المبدأ، يمكن اشتقاق جميع فروع الفيزياء (والتطبيقات العملية المنبثقة عنها) من دراسة الجسيمات الأساسية. عمليًا، حتى لو اقتصر مفهوم "فيزياء الجسيمات" على "مُسرِّعات الذرات عالية الطاقة"، فقد طُوِّرت العديد من التقنيات خلال هذه الدراسات الرائدة، والتي وجدت فيما بعد استخدامات واسعة في المجتمع. تُستخدم مُسرِّعات الجسيمات لإنتاج النظائر الطبية لأغراض البحث والعلاج (على سبيل المثال، النظائر المستخدمة في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني )، أو تُستخدم مباشرةً في العلاج الإشعاعي الخارجي . وقد ساهم استخدام المواد فائقة التوصيل في فيزياء الجسيمات في دفع عجلة تطويرها. طُوِّرت شبكة الإنترنت العالمية وتقنية الشاشات اللمسية في البداية في مركز سيرن للأبحاث النووية . وتوجد تطبيقات إضافية في الطب، والأمن القومي، والصناعة، والحوسبة، والعلوم، وتنمية القوى العاملة، مما يُظهر قائمة طويلة ومتنامية من التطبيقات العملية المفيدة التي ساهمت فيها فيزياء الجسيمات. ^{[ 52 ]}

وتشمل الجهود الرئيسية للبحث عن فيزياء تتجاوز النموذج القياسي مصادم الجسيمات الدائري المستقبلي المقترح لمركز سيرن ^{[ 53 ]} ولجنة تحديد أولويات مشروع فيزياء الجسيمات (P5) في الولايات المتحدة التي ستحدث دراسة P5 لعام 2014 التي أوصت بتجربة النيوترينو تحت الأرض العميقة ، من بين تجارب أخرى.