وحدات بناء المادة (٢)

يقوم درس وحدات بناء المادة على استكشاف المكونات الأساسية للكون عبر النموذج المعياري الذي يصنف الجسيمات إلى عائلات رئيسية تشمل الكواركات والليبتونات وحاملات القوة. يعتمد الفيزيائيون على مسارعات الجسيمات لإنتاج جسيمات عالية الطاقة عبر اصطدامات سريعة تتحول فيها طاقة الحركة إلى كتلة جديدة طبقا لمعادلة تكافؤ الكتلة والطاقة. على سبيل المثال، يتكون البروتون من ثلاثة كواركات هي كواركان علويان وكوارك سفلي واحد، ومجموع شحناتها يعطي شحنة البروتون الكلية الموجبة التي تساوي $1e$. يربط هذا الدرس بين القوى الأساسية في الطبيعة ومكونات المادة الدقيقة.

الفكرة الأساسية

الكون يتكون من وحدات أساسية لا تتجزأ في الظروف العادية، ويجمع النموذج المعياري هذه الوحدات في عائلات من الجسيمات التي ترتبط ببعضها عبر قوى أساسية وحاملات للقوة.

الشرح

انظر إلى المادة من حولك؛ كل ما ترى وما لا ترى يتكون من جسيمات أولية. لتفتيت النواة ورؤية ما بداخلها، يستخدم الفيزيائيون مسارعات خطية ومسارعات دائرية تزامنية تمنح الجسيمات طاقة هائلة عبر تسريعها لسرعات تقارب سرعة الضوء. عندما تصطدم هذه الجسيمات بسرعة فائقة، تتحول جزء من طاقة حركتها إلى كتلة جديدة وفق مبدأ إنتاج الزوج، حيث تنشأ جسيمات مادة وضديد مادة معا. النموذج المعياري ينظم هذه الجسيمات، وتبدو المادة كلها أنها تتكون من الكواركات والليبتونات. الكواركات هي التي تبني البروتونات والنيوترونات، بينما الليبتونات تشمل الإلكترونات. وتتفاعل هذه المادة عبر تبادل جسيمات تسمى حاملات القوة. وعندما يتقابل جسيم مع ضديد المادة المماثل له، تفنى المادة وتتحول كتلتها بالكامل إلى طاقة أو إلى زوج من جسيمات أخف مثل أشعة جاما.

مثال محلول خطوة بخطوة

احسب شحنة الباريون الذي يتكون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد، علما أن شحنة الكوارك العلوي $u$ تساوي rac{2}{3}e وشحنة الكوارك السفلي $d$ تساوي -rac{1}{3}e. الخطوة الأولى: اكتب تركيبة الكواركات لهذا الباريون وهي $uud$. الخطوة الثانية: اجمع شحنات الكواركات الثلاثة معا. الشحنة الكلية = شحنة الكوارك العلوي + شحنة الكوارك العلوي + شحنة الكوارك السفلي. الشحنة الكلية = rac{2}{3}e + rac{2}{3}e - rac{1}{3}e. الخطوة الثالثة: احسب الناتج النهائي لتجد أن الشحنة الكلية تساوي rac{3}{3}e وتساوي $1e$، وهو ما يمثل شحنة البروتون الموجبة.

أخطاء شائعة

الظن بأن الإلكترونات تتكون من كواركات، بينما الإلكترون ينتمي إلى عائلة الليبتونات ولا يتكون من كواركات. الاعتقاد بأن تفاعل المادة مع ضديدها ينتج عنه بقاء كتلة صلبة، والصواب هو فناء المادة وتحولها بالكامل إلى طاقة أو أشعة.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما شحنة الجسيم الذي يتكون من ثلاثة كواركات علوية $uuu$؟ الإجابة: جمع شحنات الكواركات الثلاثة يعطي rac{2}{3}e + rac{2}{3}e + rac{2}{3}e = rac{6}{3}e = 2e. السؤال الثاني: ما الذي ينتج عندما يتحد جسيم مادة مع ضديد المادة المماثل له؟ الإجابة: تتحول كتلتهما معا إلى طاقة أو إلى جسيمات أخرى وطاقتها.