جسيم دون ذري

في الفيزياء ، الجسيم دون الذري هو جسيم أصغر من الذرة . ^[1] وفقًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، يمكن أن يكون الجسيم دون الذري إما جسيمًا مركبًا ، يتكون من جسيمات أخرى (على سبيل المثال، باريون ، مثل البروتون أو النيوترون ، يتكون من ثلاثة كواركات ؛ أو ميزون ، يتكون من كواركين )، أو جسيم أولي ، لا يتكون من جسيمات أخرى (على سبيل المثال، كواركات؛ أو الإلكترونات والميونات وجسيمات تاو ، والتي تسمى اللبتونات ). ^{[2] تدرس} فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية هذه الجسيمات وكيفية تفاعلها. ^[3] تسمى معظم الجسيمات الحاملة للقوة مثل الفوتونات أو الغلوونات بالبوزونات ، وعلى الرغم من أنها تحتوي على كميات من الطاقة، إلا أنها لا تحتوي على كتلة سكون أو أقطار منفصلة (بخلاف طول موجة الطاقة النقية) وهي لا تشبه الجسيمات السابقة التي لها كتلة سكون ولا يمكن أن تتداخل أو تتحد والتي تسمى الفرميونات . ومع ذلك، فإن البوزونات W وZ تشكل استثناءً لهذه القاعدة، حيث تتمتع بكتلة سكون كبيرة نسبيًا تبلغ حوالي 80 جيجا إلكترون فولت و90 جيجا إلكترون فولت على التوالي.

تظهر التجارب أن الضوء يمكن أن يتصرف مثل تيار من الجسيمات (تسمى الفوتونات ) بالإضافة إلى إظهار خصائص تشبه الموجة. أدى هذا إلى مفهوم ازدواجية الموجة والجسيم ليعكس أن الجسيمات على نطاق الكم تتصرف مثل الجسيمات والموجات ؛ يطلق عليها أحيانًا اسم الموجات لتعكس ذلك. ^[4]

مفهوم آخر، مبدأ عدم اليقين ، ينص على أن بعض خصائصها مجتمعة، مثل موقعها وزخمها المتزامنين ، لا يمكن قياسها بدقة. ^[5] وقد ثبت أن ثنائية الموجة والجسيم لا تنطبق فقط على الفوتونات ولكن أيضًا على الجسيمات الأكثر ضخامة. ^[6]

تُفهم تفاعلات الجسيمات في إطار نظرية المجال الكمومي على أنها خلق وفناء لكميات من التفاعلات الأساسية المقابلة . وهذا يمزج بين فيزياء الجسيمات ونظرية المجال .

حتى بين علماء فيزياء الجسيمات ، فإن التعريف الدقيق للجسيم له أوصاف مختلفة. وتشمل هذه المحاولات المهنية لتعريف الجسيم ما يلي: ^[7]

• الجسيم عبارة عن دالة موجية منهارة
• الجسيم هو إثارة كمية للمجال
• الجسيم هو تمثيل غير قابل للاختزال لمجموعة بوانكاريه
• الجسيم هو الشيء المرصود

الجسيمات في الذرة

جسيم دون ذري	رمز	يكتب	الموقع في الذرة	الشحنة ( هـ )	كتلة ( دا )
بروتون	ص +	مركب	نواة	+1	≈ 1
نيوترون	ن 0	مركب	نواة	0	≈ 1
الالكترون	هـ -	ابتدائي	الأصداف	-1	≈ ⁠1/2000⁠

الجسيمات دون الذرية إما أن تكون "أولية"، أي أنها لا تتكون من جزيئات أخرى متعددة، أو "مركبة" وتتكون من أكثر من جسيم أولي مرتبطين ببعضهم البعض.

الجسيمات الأولية للنموذج القياسي هي: ^[8]

• ستة " نكهات " من الكواركات : الأعلى ، الأسفل ، الغريب ، الساحر ، القاع ، والأعلى ؛
• ستة أنواع من اللبتونات : إلكترون ، نيوترينو إلكترون ، ميون ، ميون نيوترينو ، تاو ، تاو نيوترينو ؛
• بوزونات القياس الاثني عشر (حاملات القوة): فوتون الكهرومغناطيسية ، والبوزونات الثلاثة W و Z للقوة الضعيفة ، والغلوونات الثمانية للقوة القوية ؛
• بوزون هيغز .

تم اكتشاف كل هذه الجسيمات الآن من خلال التجارب، وكان آخرها الكوارك العلوي (1995)، ونيوترينو تاو (2000)، وبوزون هيغز (2012).

تتنبأ العديد من امتدادات النموذج القياسي بوجود جسيم جرافيتون أولي والعديد من الجسيمات الأولية الأخرى ، ولكن لم يتم اكتشاف أي منها حتى عام 2021.

كلمة هادرون تأتي من اليونانية وقد قدمها ليف أوكون عام 1962. [ 9 ^] تحتوي جميع الجسيمات المركبة تقريبًا على كواركات متعددة (و/أو كواركات مضادة) مرتبطة ببعضها البعض بواسطة الغلوونات (مع استثناءات قليلة بدون كواركات، مثل البوزيترونيوم والميونيوم ). تسمى تلك التي تحتوي على عدد قليل (≤ 5) من الكواركات (بما في ذلك الكواركات المضادة) هادرونات . بسبب خاصية تُعرف باسم حبس اللون ، لا يتم العثور على الكواركات منفردة أبدًا ولكنها تحدث دائمًا في هادرونات تحتوي على كواركات متعددة. تنقسم الهادرونات حسب عدد الكواركات (بما في ذلك الكواركات المضادة) إلى الباريونات التي تحتوي على عدد فردي من الكواركات (دائمًا تقريبًا 3)، والتي يعتبر البروتون والنيوترون (النوكليونان ) من أشهرها على الإطلاق؛ والميزونات التي تحتوي على عدد زوجي من الكواركات (دائمًا تقريبًا 2 ، كوارك واحد وكوارك مضاد واحد)، والتي يعتبر البيونات والكاون من أشهرها.

باستثناء البروتون والنيوترون، فإن جميع الهادرونات الأخرى غير مستقرة وتتحلل إلى جسيمات أخرى في ميكروثانية أو أقل. يتكون البروتون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد ، بينما يتكون النيوترون من كواركين سفليين وكوارك علوي واحد. ترتبط هذه عادةً معًا لتكوين نواة ذرية، على سبيل المثال تتكون نواة الهيليوم-4 من بروتونين ونيوترونين. لا تعيش معظم الهادرونات طويلًا بما يكفي للارتباط بمركبات تشبه النواة؛ تلك التي تفعل ذلك (بخلاف البروتون والنيوترون) تشكل نوى غريبة .

أي جسيم دون ذري، مثل أي جسيم في الفضاء ثلاثي الأبعاد الذي يطيع قوانين ميكانيكا الكم ، يمكن أن يكون إما بوزون (ذو دوران صحيح ) أو فرميون (ذو دوران نصف صحيح فردي).

في النموذج القياسي، كل الفرميونات الأولية لها دوران 1/2، وتنقسم إلى كواركات تحمل شحنة لونية وبالتالي تشعر بالتفاعل القوي، واللبتونات التي لا تفعل ذلك. تتألف البوزونات الأولية من بوزونات القياس (فوتون، W وZ، غلوونات) ذات دوران 1، في حين أن بوزون هيغز هو الجسيم الأولي الوحيد ذو الدوران صفر.

من المفترض نظريًا أن يكون للجرافيتون الافتراضي دوران 2، لكنه ليس جزءًا من النموذج القياسي. تتنبأ بعض الامتدادات مثل التناظر الفائق بجسيمات أولية إضافية بدوران 3/2، لكن لم يتم اكتشاف أي منها حتى عام 2023.

بسبب قوانين دوران الجسيمات المركبة، فإن الباريونات (3 كواركات) لها دوران إما 1/2 أو 3/2 وبالتالي فهي فرميونات؛ والميزونات (2 كوارك) لها دوران صحيح إما 0 أو 1 وبالتالي فهي بوزونات.

في النسبية الخاصة ، طاقة الجسيم الساكن تساوي كتلته مضروبة في مربع سرعة الضوء ، E = mc ^2. أي أنه يمكن التعبير عن الكتلة من حيث الطاقة والعكس صحيح. إذا كان للجسيم إطار مرجعي يكون فيه ساكنًا ، فسيكون له كتلة سكون موجبة ويشار إليه بالكتلة .

جميع الجسيمات المركبة ضخمة. تميل الباريونات (التي تعني "ثقيلة") إلى أن تكون لها كتلة أكبر من الميزونات (التي تعني "متوسطة")، والتي تميل بدورها إلى أن تكون أثقل من اللبتونات (التي تعني "خفيفة الوزن")، ولكن أثقل اللبتونات ( جسيم تاو ) أثقل من أخف نوعين من الباريونات ( النوكليونات ). ومن المؤكد أيضًا أن أي جسيم يحمل شحنة كهربائية يكون ضخمًا.

عندما تم تعريفها لأول مرة في الخمسينيات من القرن العشرين، كانت المصطلحات الباريونات والميزونات واللبتونات تشير إلى الكتل؛ ومع ذلك، بعد أن أصبح نموذج الكوارك مقبولًا في السبعينيات، تم الاعتراف بأن الباريونات هي مركبات من ثلاثة كواركات، والميزونات هي مركبات من كوارك واحد وكوارك مضاد واحد، في حين أن اللبتونات أولية ويتم تعريفها على أنها الفرميونات الأولية بدون شحنة لونية.

جميع الجسيمات عديمة الكتلة (الجسيمات التي كتلتها الثابتة تساوي صفرًا) هي جسيمات أولية. وتشمل هذه الجسيمات الفوتون والغلوون، على الرغم من أنه لا يمكن عزل الأخير.

معظم الجسيمات دون الذرية غير مستقرة. جميع اللبتونات، وكذلك الباريونات تتحلل إما عن طريق القوة القوية أو القوة الضعيفة (باستثناء البروتون). لا يُعرف أن البروتونات تتحلل ، على الرغم من أنه من غير المعروف ما إذا كانت مستقرة "حقًا"، حيث تتطلب بعض النظريات الموحدة الكبرى المهمة جدًا ذلك بالفعل. تتحلل الميونات μ وτ، وكذلك جسيماتها المضادة، عن طريق القوة الضعيفة. لا تتحلل النيوترينوات (والنيوترينوات المضادة)، ولكن يُعتقد أن ظاهرة ذات صلة بتذبذبات النيوترينو موجودة حتى في الفراغات. الإلكترون وجسيمه المضاد، البوزيترون ، مستقران نظريًا بسبب الحفاظ على الشحنة ما لم يوجد جسيم أخف له مقدار شحنة كهربائية ≤  e (وهو أمر غير مرجح). لم يتم توضيح شحنته بعد.

جميع الجسيمات دون الذرية القابلة للملاحظة لها شحنة كهربائية تساوي مضاعفًا صحيحًا للشحنة الأولية . الكواركات في النموذج القياسي لها شحنات كهربائية "غير صحيحة"، أي مضاعفات ⁠1/3⁠  e ، ولكن لا يمكن عزل الكواركات (والتركيبات الأخرى ذات الشحنة الكهربائية غير الصحيحة) بسبب حصر اللون . بالنسبة للباريونات والميزونات وجسيماتها المضادة، يبلغ مجموع شحنات الكواركات المكونة لها مضاعفًا صحيحًا لـ e .

من خلال عمل ألبرت أينشتاين وساتيندرا ناث بوس ولويس دي برولي والعديد من الآخرين، تنص النظرية العلمية الحالية على أن جميع الجسيمات لها أيضًا طبيعة موجية. ^[10] وقد تم التحقق من ذلك ليس فقط للجسيمات الأولية ولكن أيضًا للجسيمات المركبة مثل الذرات وحتى الجزيئات. في الواقع، وفقًا للصياغات التقليدية لميكانيكا الكم غير النسبية، فإن ثنائية الموجة والجسيم تنطبق على جميع الأجسام، حتى الأجسام العيانية؛ على الرغم من أنه لا يمكن اكتشاف خصائص الموجة للأجسام العيانية بسبب أطوالها الموجية الصغيرة. ^[11]

لقد تم فحص التفاعلات بين الجسيمات لعدة قرون، وهناك بضعة قوانين بسيطة تدعم كيفية تصرف الجسيمات في التصادمات والتفاعلات. وأكثر هذه القوانين أساسية هي قوانين الحفاظ على الطاقة والحفاظ على الزخم ، والتي تسمح لنا بإجراء حسابات لتفاعلات الجسيمات على مقاييس الحجم التي تتراوح من النجوم إلى الكواركات. ^[12] هذه هي الأساسيات الأساسية لميكانيكا نيوتن ، وهي سلسلة من البيانات والمعادلات في Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ، التي نُشرت في الأصل عام 1687.

تبلغ كتلة الإلكترون المشحون سلبًا حوالي1/1836من كتلة ذرة الهيدروجين . يأتي باقي كتلة ذرة الهيدروجين من البروتون المشحون إيجابيا . العدد الذري لعنصر هو عدد البروتونات في نواته. النيوترونات هي جسيمات محايدة لها كتلة أكبر قليلاً من كتلة البروتون. تحتوي النظائر المختلفة لنفس العنصر على نفس عدد البروتونات ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات. العدد الكتلي للنظير هو العدد الإجمالي للنيوكليونات (النيوترونات والبروتونات مجتمعة).

تهتم الكيمياء بكيفية ربط الذرات في هياكل مثل البلورات والجزيئات من خلال مشاركة الإلكترونات . الجسيمات دون الذرية التي تعتبر مهمة في فهم الكيمياء هي الإلكترون والبروتون والنيوترون . تتعامل الفيزياء النووية مع كيفية ترتيب البروتونات والنيوترونات في النوى. تتطلب دراسة الجسيمات دون الذرية والذرات والجزيئات وبنيتها وتفاعلاتها ميكانيكا الكم . يتطلب تحليل العمليات التي تغير أعداد وأنواع الجسيمات نظرية المجال الكمومي . تسمى دراسة الجسيمات دون الذرية في حد ذاتها فيزياء الجسيمات . مصطلح فيزياء الطاقة العالية مرادف تقريبًا لـ "فيزياء الجسيمات" لأن إنشاء الجسيمات يتطلب طاقات عالية: يحدث فقط نتيجة للأشعة الكونية أو في مسرعات الجسيمات . تنظم ظاهرة الجسيمات المعرفة حول الجسيمات دون الذرية التي تم الحصول عليها من هذه التجارب. ^[13]

مصطلح " جسيم دون ذري " هو في الأساس مصطلح رجعي يعود إلى ستينيات القرن العشرين ، ويُستخدم للتمييز بين عدد كبير من الباريونات والميزونات (التي تتألف من الهادرونات ) والجسيمات التي يُعتقد الآن أنها أولية حقًا . وقبل ذلك، كانت الهادرونات تُصنف عادةً على أنها "أولية" لأن تركيبها غير معروف.

وفيما يلي قائمة بالاكتشافات المهمة:

جسيم	تعبير	نظري	تم اكتشافه	تعليقات
الالكترون هـ-	ابتدائي ( لبتون )	ج. جونستون ستوني (1874) [14]	جيه جيه تومسون (1897) [15]	الوحدة الدنيا للشحنة الكهربائية، والتي اقترح ستوني اسمها في عام 1891. [16] أول جسيم دون ذري يتم التعرف عليه. [17]
جسيم ألفا ألفا	مركب (النواة الذرية)	أبداً	إرنست رذرفورد (1899) [18]	أثبت رذرفورد وتوماس رويدز في عام 1907 أنها نوى هيليوم. وقد فاز رذرفورد بجائزة نوبل في الكيمياء في عام 1908 عن هذا الاكتشاف. [19]
فوتون غاما	ابتدائي ( كمي )	ماكس بلانك (1900) [20]	ألبرت أينشتاين (1905) [21]	ضروري لحل المشكلة الديناميكية الحرارية لإشعاع الجسم الأسود .
بروتون ص	مركب ( باريون )	ويليام بروت (1815) [22]	إرنست رذرفورد (1919، سمي عام 1920) [23] [24]	نواة1 ح .
نيوترون ن	مركب (باريون)	إرنست رذرفورد ( حوالي 1920 [25] )	جيمس تشادويك (1932) [26]	النيوكليون الثاني .
الجسيمات المضادة		بول ديراك (1928) [27]	كارل د. أندرسون ( هـ+ ، 1932)	يستخدم التفسير المنقح تماثل CPT .
الفاوانيا π	مركب ( ميزونات )	هيديكي يوكاوا (1935)	سيزار لاتيه ، جوزيبي أوتشياليني ، سيسيل باول (1947)	يشرح القوة النووية بين النيوكليونات. أول ميزون (حسب التعريف الحديث) يتم اكتشافه.
ميون ميكرومتر-	ابتدائي (لبتون)	أبداً	كارل د. أندرسون (1936) [28]	تمت تسميته في البداية بـ "ميزون"؛ ولكن اليوم يتم تصنيفه على أنه لبتون .
كاونس ك	مركب (ميزونات)	أبداً	جي دي روتشستر ، سي سي بتلر (1947) [29]	تم اكتشافه في الأشعة الكونية . أول جسيم غريب .
باريونات لامدا ل	مركب (باريونات)	أبداً	جامعة ملبورن ( ل0 ، 1950) [30]	تم اكتشاف أول هايبرون .
نيوترينو ن	ابتدائي (لبتون)	فولفغانغ باولي (1930)، الذي أطلق عليه إنريكو فيرمي هذا الاسم	كلايد كوان ، فريدريك رينز ( ن هـ، 1956)	تم حل مشكلة طيف الطاقة لتحلل بيتا .
الكواركات ( انت , د , س )	ابتدائي	موري جيلمان ، جورج زويج (1964)	لا يوجد حدث تأكيد معين لنموذج الكوارك .
سحر الكوارك ج	ابتدائي (كوارك)	شيلدون جلاشو ، جون إليوبولوس ، لوتشيانو ماياني (1970)	ب. ريختر ، إس سي سي تينج ( ج/ψ ، 1974)
كوارك قاعي ب	ابتدائي (كوارك)	ماكوتو كوباياشي ، توشيهيدي ماسكاوا (1973)	ليون م. ليديرمان ( ϒ ، 1977)
الغلوونات	ابتدائي (كمي)	هارالد فريتش ، موراي جيلمان (1972) [31]	ديسي (1979)
بوزونات قياس ضعيفة و± , ز0	ابتدائي (كمي)	جلاشو ، واينبرغ ، سلام (1968)	سيرن (1983)	خصائص تم التحقق منها خلال التسعينيات.
الكوارك العلوي ت	ابتدائي (كوارك)	ماكوتو كوباياشي ، توشيهيدي ماسكاوا (1973) [32]	مختبر فيرمي (1995) [33]	لا يتحول إلى هادرون ، ولكنه ضروري لاستكمال النموذج القياسي.
بوزون هيغز	ابتدائي (كمي)	بيتر هيجز (1964) [34] [35]	سيرن (2012) [36]	يُعتقد أنه تم تأكيد ذلك في عام 2013. تم العثور على المزيد من الأدلة في عام 2014. [37]
رباعي الكواركات	مركب	؟	Z c (3900) ، 2013، لم يتم تأكيده بعد باعتباره رباعي كوارك	فئة جديدة من الهادرونات.
خماسي الكوارك	مركب	؟	فئة أخرى من الهادرونات. اعتبارًا من عام 2019، [تحديث]يُعتقد أن هناك العديد منها.
الجرافيتون	ابتدائي (كمي)	ألبرت أينشتاين (1916)		يعد تفسير الموجات الثقالية على أنها جسيمات أمرًا مثيرًا للجدل. [38]
أحادي القطب المغناطيسي	ابتدائي (غير مصنف)	بول ديراك (1931) [39]	غير مكتشف

• فاينمان، ريتشارد ب.؛ واينبرج، ستيفن، محرران (2001). الجسيمات الأولية وقوانين الفيزياء: محاضرات ديراك التذكارية لعام 1986 (طبعة منقحة). كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج . رقم ISBN 978-0-521-65862-1.
• جرين، بريان (2003). الكون الأنيق: الأوتار الفائقة، والأبعاد الخفية، والسعي إلى النظرية النهائية . نيويورك؛ لندن، إنجلترا: نورتون. ISBN 978-0-393-05858-1.
• أورتر، روبرت (2006). نظرية كل شيء تقريبًا: النموذج القياسي، الانتصار غير المعلن للفيزياء الحديثة . نيويورك، نيويورك: بي بريس . رقم ISBN 978-0-452-28786-0.
• شوم، بروس أ. (2004). الأشياء العميقة: الجمال الأخاذ لفيزياء الجسيمات. بالتيمور، ماريلاند: مطبعة جامعة جونز هوبكنز . ISBN 978-0-8018-7971-5.
• فيلتمان، مارتينوس (2003). حقائق وألغاز في فيزياء الجسيمات الأولية . ريفر إيدج، نيوجيرسي: وورلد ساينتيفيك . رقم ISBN 978-981-238-148-4.

• كوغلان، جاي د.؛ دود، جي إي؛ غريبايوس، بن م. (2006). أفكار فيزياء الجسيمات: مقدمة للعلماء (الطبعة الثالثة). كامبريدج: مطبعة جامعة كامبريدج . رقم ISBN 978-0-521-67775-2.نص جامعي لأولئك الذين لا يتخصصون في الفيزياء.
• غريفيث، ديفيد ج. (2007). مقدمة إلى الجسيمات الأولية. فاينهايم: وايلي . رقم ISBN 978-0-471-60386-3.
• كين، جوردون ل. (2017). فيزياء الجسيمات الأولية الحديثة (الطبعة الثانية). كامبريدج، إنجلترا، المملكة المتحدة؛ نيويورك، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة جامعة كامبريدج . رقم ISBN 978-1-107-16508-3.

• جامعة كاليفورنيا: مجموعة بيانات الجسيمات.