نموذج الكوارك

نموذج الكوارك في الفيزياء هو عبارة عن نظام لتصنيف هادرونات من حيث كوارك المكافئ— حيث يعطي الكوارك وضديده رقم كم للهادرون. ولتلك الأرقام الكمية أسماء تحدد بها الهادرونات، وهي من نمطين. مجموعة تأتي من تناظر بوانكاريه— J^PC حيث J, P وC ترمز إلى الزخم الزاوي الإجمالي وتناظر التكافؤ وتناظر الشحنة على التوالي. والباقي هو نكهات أعداد الكم مثل لف نظائري والغرابة والسحر وهكذا. ويعتبر نموذج كوارك متابعة لنظام تصنيف طريق الثمان لفات.

تحدد الكواركات كلها رقم باريون ل¹⁄₃. فلدى الكوارك العلوي والساحر والقمة شحنة كهربائية تعادل +²⁄₃، بينما الكوارك السفلي والغريب والقعري لديها شحنة كهربائية −¹⁄₃. أما ضديد الكواركات فلديها رقم كمي معاكس. ولدى الكوارك أيضا دوران مغزلي -¹⁄₂ من الجسيمات، ويعني بأنها فرميونات.

تتكون الميزونات من زوج كوارك مكافئ-ضديد كوارك (مما يعني أن لديها رقم باريون = 0)، بينما تتكون الباريونات من ثلاث كواركات (مما يعني أن رقم الباريون لديها= 1). ويناقش المقال هنا نموذج الكوارك لنكهات الكوارك العلوية والسفلية والغريبة. هناك تعميمات لأعداد أكبر من النكهات.

البداية

في ظل التطوير لنظام تصنيف الهادرونات أضحت هناك أسئلة ساخنة بعد كشف أساليب فنية تجريبية جديدة، فأصبح واضحا أن لا يمكن أن تكون جميعها أولية. فقد أدت تلك الاكتشافات إلى فولفغانغ باولي بأن يصرخ قائلا:«ماكنت أتوقع ذلك، وإلا كنت سأصبح عالم نبات» ولكن لويس ألفاريز الذي أخذ بها جائزة نوبل في فيزياء الجسيمات التجريبية كان في طليعة تلك التطورات. هناك العديد من المقترحات المبكرة ولكن لم تكن لها القدرة على الشرح الكامل لتلك المعطيات مثل مقترح سويجي ساكوتا. ثم أتت النسخ المطورة من مويونج هان ويويتشيرو نامبو التي أضحت أنه لايمكن الاعتماد عليها بعد ذلك. فتم تطوير صيغة جيلمان-نشيجيما على نحو تكوين جديد ومطور لنموذج الكوارك بين موري جيلمان وكازهيكو نشيجيما. ثم تلقى هذا النموذج دعم ومساهمة من يوفال نعمان وجورج سويج. فالذي تنبأ بهذا النموذج هو لف ³⁄₂ [[باريون أوميغا|باريون قالب:جسيم دون ذري]] وهو أحد الحالات البسيطة، واكتشفه جيلمان عن طريق تجربة في مختبر BNL واستحق جائزة نوبل على عمله هذا على تطوير نموذج الكوارك.

إسهامات موراي جيلمان وجورج زفايج في دراسة الجسيمات

في بداية الستينيات من القرن الماضي، تعرض علم الفيزياء لأزمة فيما يتعلق بالجسيمات الأساسية التي تتكون منها المواد جميعها. فقد كان هذا الأمر مثل الانطلاقة التي حدثت في عدد العناصر الكيميائية المعروفة في بداية القرن التاسع عشر. فعندما وصل عدد العناصر إلى ٥ ١ أو ٢٠ مرة ضعف عدد العناصر الأربعة التي افترضها اليونانيون القدماء، قام العلماء بالبحث داخلها على أمل أن يجدوا عدداً صغير من الأجزاء الصغيرة التي يمكن أن توضع مع بعضها البعض بطرق مختلفة لتحضير باقي العناصر وقد تم العثور على هذه الأجزاء بالفعل. ففي ثلاثينيات القرن العشرين عرفنا أن الذرة تتكون من البروتونات والنيوترونات والإليكترونات في مجموعات مختلفة.

من ناحية أخرى، بدأت أجزاء جديدة من المادة في الظهور فجأة، كانت هذه الأجزاء أصغر من الذرة وتشبه المكونات الثلاثة الرئيسية للذرة (البروتونات والنيوترونات والإليكترونات) إلا أنها تختلف عنها. وبعد وقت قليل، ظهرت عشرات الجزيئات: جزيئات K وجزيئات ٧ وجزئيات أخرى أطلق عليها أسماء يونانية وعدد متنوع من الميزونات، هذا بالإضافة إلى الجسيمات المضادة لكل هذه الجسيمات. كان بعض من هذه الجسيمات يبرز فجأة للوجود ثم يختفي في جزء من الثانية، بالرغم من أنها دائما ما كانت تختفي وتتحول إلى شيء آخر.

ركزت الأبحاث على وجود بعض النظام الداخلي مرة أخرى، ويقصد بالنظام الداخلي بعض الأعداد القليلة من الجسيمات الأساسية بالفعل التي تتكون منها باقي الجسيمات. فبشكل مستقل، قام الأمريكي موراي جيلمان والطالب المتخرج جورج زفايج بوضع خطة وكانت هذه الخطة تنطبق على مجموعتين من الجسيمات المرتبطة ببعضها البعض، حيث تتأثر كلتا المجموعتين من الجسيمات بالقوى المؤثرة (١٩٣٦): وكان من الواضح الارتباط بين الباريونات (البروتونات والنيوترونات والجسيمات الشبيهة بها) وبين مجموعة الميزونات.

إن جميع العلوم الفيزيائية الحديثة يتحكم فيها ذلك النظام الهائل والمربك بوجه عام المعروف باسم ميكانيكا الكم ... وقد نجح هذا النظام في اجتياز جميع الاختبارات، وليس هناك سبب لاعتقاد وجود أي خطأ به ... فنحن نعلم كيفية استخدامه وكيفية تطبيقه على المشكلات؛ ولذا، فقد تعلمنا العيش مع حقيقة أنه لا يمكن فهمه. موراي جيلمان

طبقا لهذه النظرية الجديدة، كانت هناك ثلاثة أنواع من الجسيمات الأساسية بالفعل. والتي أطلق عليها جيلمان اسم جسيمات "كوارك"، بينما أطلق عليها زفايج اسم "آس". وكانت الفكرة تكمن في أن جسيمات الكوارك ومضادات الكوارك من المكن أن تجتمع في ثلاث مجموعات مرة واحدة لتكوين البروتون والنيوترون، وهكذا، وتجتمع في مجموعتين لتكوين الميزونات. وقد تم التمييز بين ثلاثة أنواع مختلفة للكوارك، الكوارك العلوي والكوارك السفلي والكوارك الغريب (وقد كان هذا النوع من جسيمات كوارك لازما لشرح بعض الجسيمات التي كانت تتصرف بغرابة).

في حقيقة الأمر، كانت جسيمات الكوارك جمعيها غريبة إلى حد ما. فلشرح كيف تجتمع ثلاثة جسيمات من الكوارك لتكوين البروتون بمقدار شحنة واحدة، كان لا بد أن يكون لدى جسيم الكوارك شحنة أقل من شحنة الإليكترون، حوالي ثلث أو ثلثي الشحنة على الأكثر. وقد كان هناك اعتقاد سائد لفترة طويلة من الزمن بأن الإليكترون يحمل أقل شحنة كهربائية ممكنة. بيد أن الخطة التي تم وضعها من جانب العالمين جيلمان وزفايج كانت محكمة وشرحت ما اكتشفه علماء الفيزياء. وقد قامت هذه الخطة بما قام به جدول العالم مندلييف الدوري للعناصر (١٨٦٩)؛ حيث تنبأت بوجود جسيمات لم تكن معروفة في هذا الوقت، وعلى وجه التحديد جسيم أوميجا سالب (omega minus particle)، الذي تم اكتشافه بعد ذلك بوقت قريب.

كان هناك اختلاف في الرأي بين جيلمان وزفايج حول شيء واحد. فلم يكن جيلمان معتقداً في أن جسيمات كوارك موجودة بالفعل، فهي مجرد طريقة مفيدة للتفكير أو نماذج للسلوك وليست جسيمات حقيقية. وقد كان هذا يشبه نظرية نيقولاوس كوبرنيكس التي كان يعتقد البعض فيها والتي مفادها أن الشمس هي مركز الكون (١٥٤٣)؛ حيث كانت هذه النظرية مفيدة في الحسابات الفلكية، لكن يبدو أن العالم لم يتقبلها آنذاك. من ناحية أخرى، كان زفايج يعتقد في الوقت نفسه أن جسيمات كوراك حقيقية وربما يمكن العثور عليها. لهذا السبب، تم وضع العديد من الخطط لبحث عنها، مثل استخدام الأشعة الكونية (هس ١٩١٢) أو مسارع الجسيمات (الكوزموترون ١٩٥٢)، إلا أنها لم تصل إلى شيء. لبعض الوقت، كات تبدو وجهة نظر جيلمان صحيحة. فإذا كانت هذه الجسيمات موجودة بالفعل، فلا يبدو أننا استطعنا التعرف على واحد منها حتى يمكننا النظر إليه عن قرب. لكن على المدى الطويل، ثبت أن زفايج كان محقا. فقد كان الأمر يتعلق بتجميع كمية كافية من الطاقة لتكوين جسيمات كوارك من "العدم" (١٩٩٦).

الميزونات

طالع أيضاً: ميزون ولائحة الميزونات

سمي تشكيل طريق الثمان لفات بعد الأمر التالي. إذا اخذنا 3 نكهات من الكواركات، ستكون الكواركات في التمثيل الأساسي، 3 (وتسمى ثلاثي) من نكهة SU3. ويكون ضديد الكوارك في التمثيل المعقد المقارن قالب:سطر فوقي. وتصنع الحالات التسع (تساعي) من زوج يمكن أن يتحلل إلى التمثيل الكاذب 1 ويسمى المفرد، والتمثيل المشترك 8 (يسمى ثُماني). والترميز لهذا التحلل هو

<math>\mathbf{3}\otimes \mathbf{\overline{3}} = \mathbf{8} \oplus \mathbf{1}</math>.

فالشكل الأول يظهر تطبيق تحلل الميزونات. فإذا كان تناظر النكهة متكاملا، فستصبح كل الميزونات التسع متساوية الكتلة. ويشمل المحتوى المادي للنظرية مراعاة كسر التناظر الناتج من اختلاف كتل الكواركات وأيضا مراعاة الخلط بين التعدد المختلف (مثل الثُماني والمفرد). فالصدع ما بين قالب:جسيم دون ذري وقالب:جسيم دون ذري هو أكبر من استيعاب نموذج الكوارك.

الميزونات هي هادرونات لها صفر رقم باريون. فإن كان زوج الكوارك-ضديد الكوارك في حالة عزم زاوي مداري L ولهما لف مغزلي S، فإنه:

• |L − S|‏ ≤ J ≤ L + S، حيث S =‏0 أو 1،
• P =‏ (−1)^{L + 1}، حيث 1 في الأس نشأ من جوهر التكافؤ لزوج الكوارك-ضديد الكوارك.
• C =‏ (−1)^{L + S} للميزونات التي ليس لها نكهة. أما الميزونات ذات النكهة فلها قيمة غير محددة لC
• في اللف النظائري I = حالتي 1 و 0، أحدهما يمكنه تحديد رقم كمي مضاعف جديد ويسمى تكافؤ-G‏ مثل هذه قالب:بدون لف.
• إن كانت P =‏(−1)^J فإنه يترتب على ذلك أن S =‏1، بالتالي PC =‏1. تسمى الحالات مع تلك الأرقام الكمية بحالات تكافؤ طبيعي، بينما تسمى حالات الأرقام الكم الأخرى بالشاذة (مثل حالة قالب:بدون لف)

باريونات

طالع أيضاً: باريون وقائمة الباريونات

انظر أيضًا

• جسيم دون ذري
• هادرونات، باريونات, ميزونات كواركات
• هادرون شاذ: ميزون شاذ باريون شاذ
• ديناميكا لونية كمومية، نكهة، QCD vacuum