إن القوة النووية القوية ، كما قد تتصورون ، قوة قوية بالفعل. إنه قوي جدًا لدرجة أنه قادر على تجميع بعض أصغر الجسيمات في الكون لفترات طويلة جدًا ، وربما إلى الأبد. تشكل الجسيمات الملتصقة بالقوة القوية لبنات بناء عالمنا اليومي: البروتونات والنيوترونات. ولكن إذا قمت بفتح بروتون أو نيوترون ، فلن تجد ترتيبًا بسيطًا وبسيطًا للجسيمات دون الذرية. بدلاً من ذلك ، سترى النُزاعات المثيرة للاشمئزاز لربما واحدة من أعقد القوى في الكون.
البروتونات والنيوترونات ليست الأشياء الوحيدة التي تستطيع القوة القوية صنعها ، لكننا لا نفهم حقاً الترتيبات الأخرى الأكثر تعقيدًا والغريبة. ما هو أكثر من ذلك ، حتى ملاحظاتنا وتجاربنا هي في حد ذاتها سطحية للغاية. لكن الفيزيائيين يعملون بجد في محاولة تجميع الأفكار حول هذه القوة الأساسية للطبيعة.
قوي ومعقد
لوصف القوة القوية ، من الأفضل مقارنتها مع ابن عمها الأكثر شهرة ، القوة الكهرومغناطيسية. مع القوة الكهرومغناطيسية ، تكون الأشياء بسيطة وسهلة ومباشرة ؛ لدرجة أن العلماء في القرن العشرين كانوا قادرين على اكتشافها في الغالب. باستخدام القوة الكهرومغناطيسية ، يمكن لأي جسيم الانضمام إلى الحفلة طالما أن لها خاصية تسمى الشحنة الكهربائية. إذا كان لديك هذا الشحنة ، فإنك تشعر وتستجيب للقوة الكهرومغناطيسية. وجميع أنواع الجسيمات من جميع الخطوط والنكهات تحمل شحنة كهربائية ، مثل الإلكترون المنوع لحديقتك.
يقوم جسيم آخر ، هو جسيم الضوء (المعروف أيضًا باسم الفوتون) ، بعمل نقل القوة الكهرومغناطيسية من جسيم مشحون إلى آخر. الفوتون نفسه ليس لديه شحنة كهربائية خاصة به ، وهو بلا كتلة. إنها تنتقل بسرعة الضوء ، وتتنقل ذهابًا وإيابًا عبر الكون ، جاعلة من الكهرومغناطيسية تحدث.
الشحنة الكهربائية. حامل واحد للقوة الكهرومغناطيسية. بسيطة ومباشرة.
في المقابل ، هناك ستة جسيمات تخضع للقوة النووية القوية. كمجموعة ، تعرف باسم الكواركات ولها أسماء ملتوية بما فيه الكفاية مثل أعلى وأسفل وأعلى وأسفل وغريب وسحر. للشعور والاستجابة للقوة النووية القوية ، فإن هذه الكواركات لها تهمة خاصة بها. إنها ليست شحنة كهربائية (على الرغم من أن لديهم أيضًا شحنة كهربائية ويشعرون أيضًا بالقوة الكهرومغناطيسية) ، ولكن لأسباب مختلفة تجعل الأشياء مربكة حقًا ، يطلق الفيزيائيون على هذه الشحنة الخاصة المرتبطة بالقوة النووية القوية شحنة اللون.
يمكن أن تحتوي الكواركات على واحد من ثلاثة ألوان ، تسمى الأحمر والأخضر والأزرق. للتوضيح فقط ، إنها ليست ألوانًا فعلية ، ولكنها مجرد ملصقات نعطيها لهذه الخاصية الغريبة الشبيهة بالشحن.
لذا ، فإن الكواركات تشعر بالقوة القوية ، لكنها تحملها مجموعة كاملة من الجسيمات الأخرى - ثمانية ، على وجه الدقة. إنهم يدعون gluons ، ويقومون بعمل رائع حقا ... انتظروا ذلك ... لصق الكواركات معا. ويحدث أيضًا أن للغليونات القدرة والرغبة في حمل شحنة اللون الخاصة بها. ولديهم كتلة.
ستة كواركات ، ثمانية غلوونات. يمكن للكواركات تغيير شحنتها اللونية ، ويمكن للغلوونات أيضًا تغييرها ، لأنه لم لا.
كل هذا يعني أن القوة النووية القوية أكثر تعقيدًا وتعقيدًا بكثير من ابن عمها الكهرومغناطيسي.
قوي بشكل غريب
حسنا ، لقد كذبت. لم يطلق الفيزيائيون على هذه الخاصية من الكواركات والغلونات "شحنة اللون" لأنهم شعروا بها ، ولكن لأنها بمثابة تشبيه مفيد. يمكن للغلوونات والكواركات أن تتحد معًا لتكوين جزيئات أكبر طالما أن جميع الألوان تضيف إلى اللون الأبيض ، تمامًا مثل الضوء الأحمر والأزرق والأخضر يضيف إلى الضوء الأبيض ... التركيبة الأكثر شيوعًا هي ثلاثة كواركات ، واحد كل منها أحمر ، أخضر ، والأزرق. لكن القياس يصبح صعبًا بعض الشيء هنا ، لأن كل كوارك فردي يمكن أن يكون له أي من الألوان المخصصة له في أي لحظة من الزمن ؛ ما يهم هو عدد الكواركات للحصول على التركيبات الصحيحة. لذا يمكن أن يكون لديك مجموعات مكونة من ثلاثة كواركات لعمل البروتونات والنيوترونات المألوفة. يمكنك أيضًا ربط كوارك بمضاد للكوارك ، حيث يلغى اللون مع نفسه (كما هو الحال في أزواج خضراء مع مضادة للأخضر ، ولا أنا لا أقوم بذلك فقط عندما أذهب) ، لعمل نوع من الجسيمات المعروفة باسم الميزون.
لكن الأمر لا ينتهي عند هذا الحد.
من الناحية النظرية ، فإن أي مزيج من الكواركات والغلونات التي تضيف إلى اللون الأبيض مسموح به من الناحية الفنية.
على سبيل المثال ، يمكن أن يربط ميزونان - يحتوي كل منهما على كواركين داخلهما - معًا شيئًا يسمى tetraquark. وفي بعض الحالات ، يمكنك إضافة كوارك خامس إلى المزيج ، مع الاستمرار في موازنة جميع الألوان ، التي تسمى (تخمينها) خماسي.
لا يجب أن يكون رباعي الأرجل مرتبطًا تقنيًا معًا في جسيم واحد. يمكن أن توجد ببساطة بالقرب من بعضها البعض ، مما يجعل ما يسمى جزيء هيدرونيك.
وكم هو مجنون هذا: قد لا تحتاج الجلونات نفسها إلى كوارك لصنع جسيم. يمكن ببساطة أن تكون هناك كرة من الغلونات المتدلية ، مستقرة نسبيًا في الكون. يطلق عليهم كرات الغراء. يُطلق على نطاق جميع الحالات المقيدة المحتملة المسموح بها من قبل القوة النووية القوية طيف الكواركونيوم ، وهذا ليس اسمًا مكونًا من قبل كاتب برنامج تلفزيوني علمي. هناك كل أنواع المجموعات المحتملة المجنونة من الكواركات والغلونات التي قد تكون موجودة.
وكذلك يفعلون؟
كوارك قوس قزح
يمكن.
يقوم الفيزيائيون بإجراء تجارب قوة نووية قوية لبضعة عقود حتى الآن ، مثل تجربة بابر وبعضها في مصادم هادرون الكبير ، ببطء على مر السنين يتطورون إلى مستويات طاقة أعلى للتعمق أكثر في طيف الكواركونيوم (ونعم لديك إذن باستخدام هذه العبارة في أي جملة أو محادثة غير رسمية تريدها ، إنها رائعة). في هذه التجارب ، وجد الفيزيائيون العديد من المجموعات الغريبة من الكواركات والغلونات. أعطاهم التجريبيون أسماء غير تقليدية ، مثل χc2 (3930).
هذه الجسيمات المحتملة الغريبة لا توجد إلا بشكل عابر ، لكنها موجودة في كثير من الحالات بشكل قاطع. لكن الفيزيائيين يجدون صعوبة في ربط هذه الجسيمات التي تم إنتاجها لفترة وجيزة بالجزيئات النظرية التي نعتقد أنها يجب أن تكون موجودة ، مثل tetraquarks و glueballs.
المشكلة في إجراء الاتصال هي أن الرياضيات صعبة حقًا. على عكس القوة الكهرومغناطيسية ، من الصعب جدًا عمل تنبؤات قوية تتضمن قوة نووية قوية. ليس فقط بسبب التفاعلات المعقدة بين الكواركات والغلونات. في الطاقات العالية جدًا ، تبدأ قوة القوة النووية القوية في الواقع في الضعف ، مما يسمح للرياضيات بالتبسيط. ولكن في الطاقات الأقل ، مثل الطاقة اللازمة لربط الكواركات والغلونات معًا لصنع جزيئات مستقرة ، فإن القوة النووية القوية تكون قوية جدًا. هذه القوة المتزايدة تجعل من الصعب معرفة الرياضيات.
لقد توصل الفيزيائيون النظريون إلى مجموعة من التقنيات لمعالجة هذه المشكلة ، لكن التقنيات نفسها إما غير مكتملة أو غير فعالة. بينما نعلم أن بعض هذه الحالات الغريبة في طيف الكواركونيوم موجودة ، فمن الصعب جدًا التنبؤ بخصائصها وتوقيعاتها التجريبية.
ومع ذلك ، يعمل الفيزيائيون بجد ، كما يفعلون دائمًا. ببطء ، بمرور الوقت ، نقوم ببناء مجموعتنا من الجسيمات الغريبة المنتجة في المصادمات ، ونقوم بتنبؤات أفضل وأفضل حول ما ينبغي أن تبدو عليه حالات الكواركونيوم النظرية. تتطابق المباريات ببطء ، مما يمنحنا صورة أكثر اكتمالاً لهذه القوة الغريبة ولكن الأساسية في عالمنا.
بول م. سوتر فيزيائي فلكي في جامعة ولاية أوهايومضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء، ومؤلف كتاب مكانك في الكون.
