فيزياء الجسيمات هي دراسة الكون على أصغر نطاق ممكن – الجسيمات والقوى الأساسية التي تشكل كل شيء عند دمجها. أنت – بالإضافة إلى كل الكائنات الحية الأخرى، وكل ذرة غبار، وكل نجم في السماء – كلها مصنوعة من نفس الجسيمات الأساسية.

قد تفكر في الجسيم على أنه ذرة صغيرة من الغبار أو حبة ملح. ومع ذلك، عندما يتحدث الفيزيائيون عن الجسيمات، فإنهم يقصدون شيئًا صغيرًا جدًا، ومن الأفضل وصفه بالرياضيات. لا تتصرف الجسيمات بنفس الطريقة التي تتصرف بها الأشياء اليومية. وهي صغيرة جدًا لدرجة أننا لا نقيس حجمها من حيث الطول أو العرض، بل نقيسه بالطاقة. نحن لسنا متأكدين حتى إذا كان للإلكترونات حجم على الإطلاق – لم يتمكن أحد من العثور عليه.

بعض الجسيمات غير مستقرة للغاية، ولا تدوم سوى أجزاء من الثانية. يمكننا إنشاءها ودراستها، حتى مع هذه الأعمار القصيرة، من خلال أدوات مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، وهو مسرع جسيمات عملاق يعمل عن طريق تحطيم حزم الجسيمات في بعضها البعض بنفس السرعة التي ينتقل بها الضوء في الفراغ تقريبًا. تم دفن المصادم LHC في نفق يبلغ طوله 17 ميلاً (23 كيلومترًا) تحت فرنسا وسويسرا، حيث يستخدم أكثر من 10000 مغناطيس قوي لتشكيل الحزم إلى دوائر وتوجيهها نحو بعضها البعض. الاصطدامات الناتجة تصنع جسيمات جديدة ومثيرة للاهتمام.

ال النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات يصف جميع الجسيمات الأولية المعروفة وثلاث من القوى الأربع المعروفة التي تحدد كيفية تفاعلها مع بعضها البعض: القوة الكهرومغناطيسية، و”التفاعلات الضعيفة”، و”التفاعلات القوية”. التفاعلات القوية هي ما يربط بعض الجسيمات الأولية معًا، مثل البروتونات والنيوترونات التي تشكل مركز الذرة. تسمى التفاعلات الضعيفة “ضعيفة” لأنها تعمل على مسافات أصغر بكثير من التفاعلات القوية – أقل من قطر بروتون واحد.

ربما سمعت أن الضوء يتصرف كموجة، والإلكترونات تعمل كالجسيمات. في الفيزياء، عندما يتصرف شيء ما كموجة، فإنه يتصرف كبحيرة – له تموجات ترتفع وتنخفض بطريقة منتظمة وهو شيء كبير. عندما تتصرف الأشياء مثل الجسيمات، فهي أشبه بكومة من الصخور الصغيرة جدًا. يمكنك عد الصخور ومعرفة عددها بالضبط. لفترة طويلة، اعتقد العلماء أن الأشياء تتصرف إما كموجات أو جسيمات، لكن هذا ليس صحيحًا، فانظر داخل الذرة وستجد الأشياء تتصرف مثل كليهما. وهذا ما يسمى ازدواجية الموجة والجسيم، وقد تم تطوير النموذج القياسي جزئيًا لتفسير ذلك.

كيف يمكن لشيء ما أن يكون بمثابة كائن فريد وموجة؟ من الأفضل وصف الجسيمات دون الذرية باستخدام الرياضيات الغامضة. لا نعرف بالضبط حيث يوجد الإلكترون – ولكننا نعرف احتمالات وجوده عند نقطة معينة في منطقة عامة محاطة بالحدود. يتم وصف هذه الاحتمالات بمعادلة تسمى الدالة الموجية. عندما نقيس السلوك الذي يبدو وكأنه كائن منفصل، فإننا نركز على الحدود. عندما نقيس السلوك الذي يشبه الموجة، فإننا نركز على الاحتمالية.

وفي عام 2012، اكتشف العلماء جسيم هيغز بوزون، وهو جسيم غير مستقر للغاية أعطى كتلة لجميع الجسيمات ذات الكتلة بعد الانفجار الكبير مباشرة. وكان هذا الاكتشاف بمثابة التحقق المهم من صحة النموذج القياسي، الذي تنبأ بوجود الجسيم.

ومع ذلك، فإن النموذج القياسي به بعض الثغرات. المشكلة الأكثر وضوحًا هي الجاذبية، والتي لم يجدها الفيزيائيون طريقة لدمج الجاذبية في النموذج القياسي. إنها لا تزال أفضل أداة لدينا لوصف سلوك الجسيمات دون الذرية، فهي دقيقة للغاية، باستثناء الجاذبية.

تتكون الذرات من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. يحدد عدد البروتونات والنيوترونات والإلكترونات كيفية تفاعل الذرة مع الذرات الأخرى. ال الجدول الدوري وهو دليل لأنواع الذرات المختلفة؛ إنها مليئة بالأنماط التي تحدد كيفية عمل كل عنصر.

يخبرك الرقم الذري في الجدول الدوري بعدد البروتونات (الجسيمات ذات الشحنة الكهربائية الموجبة) الموجودة في المادة. وتتجمع داخل نيوترونات الذرة لتشكل النواة. لا تحتوي النيوترونات على شحنة كهربائية، لكن لها كتلة. تشكل البروتونات والنيوترونات معظم كتلة الذرة.

تدور حول النواة موجبة الشحنة إلكترونات، وهي جسيمات صغيرة ذات شحنة سالبة. شحنة كل إلكترون لها نفس حجم البروتون، ويتم تعريفها على أنها شحنة كهربائية أولية واحدة (1e). يتم عرض عدد وموقع الإلكترونات في الجدول الدوري من خلال صف العنصر وعموده.

تتكون البروتونات والنيوترونات من جسيمات عنصرية أصغر تسمى الكواركات. هناك ستة “نكهات” (أنواع) من الكواركات: أعلى، أسفل، سحر، غريب، أعلى وأسفل. وهي تشكل مجموعات من ثلاثة لتكوين البروتونات والنيوترونات، متماسكة معًا بواسطة “شحنة اللون”. شحنة الألوان ليس لها علاقة بالألوان التي نراها؛ إنه مجرد مصطلح لتحديد التفاعلات التي تربط الكواركات معًا. تشبه الشحنة الملونة الشحنة الكهربائية، ولكن بدلاً من أن تكون لها شحنة موجبة أو سالبة، هناك ثلاثة “ألوان” قد يمتلكها الكوارك: الأحمر أو الأخضر أو ​​الأزرق.

هناك أيضًا لبتونات. تشبه هذه الجسيمات الأولية الكواركات، ولكن على عكس الكواركات، لا تحتوي اللبتونات على “تفاعلات قوية”. وبعبارة أخرى، فهي لا تشكل نفس النوع من الروابط التي تشكلها الكواركات. الإلكترونات هي نوع من الليبتون، إلى جانب الميونات، ولبتونات تاو، والنيوترينوات. الميونات ولبتونات التاو غير مستقرة وتتحلل إلى إلكترونات. النيوترينوات هي لبتونات بدون شحنة كهربائية.

الكواركات واللبتونات هي فرميونات، وهي الجسيمات الأولية التي تشكل المادة. تعمل مجموعة أخرى من الجسيمات، المعروفة باسم البوزونات، بمثابة “حاملات القوة”. وهذا يعني أنها تمتلك القوى التي تسمح للجزيئات بالتفاعل مع بعضها البعض. تشمل أنواع البوزونات الفوتونات؛ والغلوونات، التي تساعد على ربط الجزيئات معًا؛ بوزونات Z؛ البوزونات W؛ وبوزون هيغز الغامض، الذي يضفي على الجسيمات كتلتها، بالتعاون مع مجال هيغز.

كان ساتيندرا ناث بوز (1 يناير 1894 – 4 فبراير 1974) رائدًا في ميكانيكا الكم، وقد قام بالتعاون مع ألبرت أينشتاين بتطوير نوع جديد من الإحصائيات التي تصف كيفية تصرف البوزونات مع ازدواجية الموجة والجسيم. تمت تسمية البوزونات باسمه.

شين شيونغ وو (31 مايو 1912 – 16 فبراير 1997) عمل على مشروع مانهاتن وأجريت تجارب فيزيائية لدراسة اضمحلال بيتا، وهي العملية التي تخضع لها المواد المشعة لتصبح أكثر استقرارا. ولم يتم إدراجها في جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1957 التي مُنحت لزملائها الذكور، على الرغم من تقديم أول دليل تجريبي على اضمحلال بيتا.

بيتر هيغز (29 مايو 1929 – 8 أبريل 2024) هو الفيزيائي المسؤول عن جزء النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الذي يشرح كيف حصلت الجسيمات على كتلتها في بداية الكون. تم تسمية بوزون هيغز باسمه. حصل على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2013، والتي تقاسمها مع فرانسوا إنجليرت.

ساعد بول ديراك (8 أغسطس 1902 – 20 أكتوبر 1984) في تطوير نظرية ميكانيكا الكم وتقاسم جائزة نوبل في الفيزياء عام 1933 مع إيروين شرودنغر. لقد تطور معادلة ديراك، الذي يصف كيفية عمل الفرميونات كجزيئات وموجات. كما تنبأ بوجود المادة المضادةوهي مادة لها نفس الكتلة وشحنة كهربائية معاكسة للمادة العادية.

اكتشفت ماري كوري (7 نوفمبر 1867 – 4 يوليو 1934) التحلل الإشعاعي – وهي العملية التي تخضع لها بعض العناصر غير المستقرة للتحول إلى عناصر أكثر استقرارًا. لقد طورت فهمنا للتركيبات الذرية وفازت بجائزتي نوبل – واحدة في الفيزياء والأخرى في الكيمياء.

ريتشارد فاينمان (11 مايو 1918 – 15 فبراير 1988) عمل في مشروع مانهاتن وقام بتطوير مخططات فاينمان، وهي طريقة لوصف سلوك الجسيمات دون الذرية. أدى عمله إلى توسيع فهمنا لميكانيكا الكم.