تتكون القائمة متزايدة الطول من الجسيمات المكتشفة حديثا في الأساس من الهدرونات (الجسيمات الثقيلة نووية النوع). بدأ علماء الفيزياء في التفكير بأنه من الممكن ألا تكون هذه الجسيمات هي الجسيمات الجوهرية، وأنها قد تتكون من جسيمات أصغر حجمًا. اقترح موراي جيلمان وجورج سويج أن البروتونات والنيوترونات يتكون الواحد منها من ثلاث جسيمات أصغر حجمًا، أطلق عليها جيلمان اسم الكواركات Quarks، على اسم مصطلح ورد في رواية لجيمس جويس. كي تتفق الكواركات مع النظام القائم، لا بد أن تكون شحناتها الكهربية بمقدار 1/3 و2/3 من الوحدة الأساسية. منح هذان النوعان من الكواركات، أو «النكهات» كما يشير إليها الفيزيائيون، أسماء اعتباطية هي الكوارك العلوي (ذو الشحنة البالغة (2/3) والسفلي (ذو الشحنة البالغة 1/3). يجتمع اثنان من الكواركات العليا مع واحد من الكواركات السفلى كي يُكَوِّنوا بروتونا، وحين يجتمع اثنان من الكواركات السفلى مع واحد من الكواركات العليا يتكون النيوترون بالطبع توجد مضادات لكل نكهة من نكهات الكواركات، وهذه يمكن أن تتحد بالكواركات في أزواج غير مستقرة: فالبيون، على سبيل المثال، هو كوارك علوي ملتصق بمضاد كوارك سفلي (أو العكس بالعكس، اعتمادًا على ما إذا كان البيون موجبا أم سالب الشحنة). باختصار، هناك حاليًّا ثلاثة مستويات من التركيب الذري: فالذرات مؤلفة من أنوية وإلكترونات، والأنوية مكونة من بروتونات ونيوترونات والبروتونات والنيوترونات مكونة من كواركات. أما اللبتونات الإلكترونات والنيوترينوات ... فهي خارج هذا التقسيم؛ إذ إنها تعامل معاملة البنى الأساسية شأن الكواركات.⁵

نظمت فكرة الكواركات الأمور تنظيمًا كبيرًا، فهذا النظام يعني ضمنا أن المادة عموما مكونة من أربع كيانات أساسية الكواركات العليا والسفلى، والإلكترونات، والنيوترينوات. (قد يعتقد القارئ أنه من الغريب إدراج النيوترينوات كمكون طبيعي مع أنه من غير المألوف رؤيتها في الحياة العادية، لكن هذا يرجع فقط إلى أننا لا نستشعرها بشكل مباشر، لكن كما أوضحت فهي أكثر وجودًا من جميع الجسيمات الأخرى مجتمعة، وأعتقد أن هذا يكفيها كي تكون من المكونات الأساسية للمادة.) تلك المكونات الأربعة تنقسم في حقيقتها إلى زوجين؛ لأن خصائص الكوارك تختلف اختلافًا كليًّا عن خصائص الإلكترون والنيوترينو.

من الظاهر كان الكون سيسير كما يسير الآن لو تألف فقط من هذه المكونات الأربعة. لكن لسبب ما لم تعمد الطبيعة لمضاعفة العدد السابق مرتين بل ثلاث مرات. الأمر يبدو كما لو أنه في لحظات نشأة الكون الأولى قسمت الجسيمات المكونة للمادة إلى ثلاث عائلات بدلا من عائلة واحدة. وعلى هذا تكونت العائلة الثانية من نكهتين من الكواركات - يطلق عليهما الكواركات «الغريبة» و«الساحرة» - واثنان إضافيان من اللبتونات الميوون ونوع آخر من النيوترينو. هذه الجسيمات أثقل من تلك الموجودة في العائلة الأولى،⁶ وهي غير مستقرة وتتحلل إلى جسيمات تنتمي إلى العائلة الأولى.⁷ وفي النهاية، هناك العائلة الثالثة؛ الكواركات «القمية» و«القاعية»، وهي جسيمات ثقيلة جدًّا أشبه بالإلكترونات تعرف باسم «تاو»، إضافة إلى نكهة أخرى للنيوترينو. وهذه الجسيمات غير مستقرة الأخرى. للتفريق بين النكهات الثلاث للنيوترينو، تسمى وفق اللبتونات التي تتزاوج معها: نيوترينو إلكتروني، ونيوترينو ميووني، ونيوترينو تاووني. وهذا على حد علمنا إلى الآن. هذه العائلات الثلاث رباعية الأفراد تؤدي المطلوب. يمكن مزاوجة الكواركات بين العائلات الثلاث، وهو ما يعطينا إمكانية عدد وافر من التجميعات المحتملة ويفسر كل واحد من الهدرونات قصيرة العمر. ومع أن هذه القائمة من الجسيمات قد تبدو مملة وعسيرة على التذكر فإنها تحوي تجانسا ونظامًا داخليا مرضيًا. وعلى أي حال، هذه هي الصورة التي تعمل بها الطبيعة، لذا علينا القبول بها. لا شك كان هذا سيرضي ليوسيبوس وديموقريطس.

سيكون من الخطأ أن أعطيك الانطباع بأن فيزياء الجسيمات ليست إلا تدريبًا على إعطاء المسميات، بحيث تقتصر وحسب على تصنيف الجسيمات دون الذرية إلى فصائل مختلفة. إن العلاقات العائلية التي تربط هذه الجسيمات عن طريق التجميعات المتباينة للكواركات ومضادات الكواركات يمكن التعبير عنها جميعًا بلغة الرياضيات (باستخدام ما يُعرف بنظرية المجموعات). تمكن التناظرات الخفية الإضافية الكامنة خلف هذه التجميعات من كتابة معادلات تربط بين خصائص الجسيمات المتباينة، على نحو يشبه الكيفية التي تربط بها التناظرات في الهندسة العادية بين أضلاع المربع أو رؤوس المثلث متساوي الأضلاع لكن في الفيزياء العملية لا تكون هذه التناظرت هندسية، بل ذات طبيعة مجردة أكثر. ومع هذا فإن وجودها يثبت لنا أن عالم الذرة المصغر ليس كومة من الأشياء العشوائية فقط، بل هو عالم متناغم تجمع بين مكوناته علاقات عميقة متبادلة، وإن كانت مجردة. يقدم هذا إجابة عن التساؤل المحتمل عن السبب وراء وجود العائلتين الإضافيتين من الكواركات واللبتونات قد يبدو من الممكن الخلاص منهما دون أن يؤثر ذلك على الكون بقدر ملموس، لكن لأن هذه الجسيمات يمكن الربط بينها بتناظرات مجردة عديدة، فيمكنها أن تشكل جزءًا من تجميعة فئوية أكبر، لا يمكن تفتيتها إلى أجزاء متفرقة. إننا نأمل أن تجد جميع الجسيمات، بما فيها الكواركات واللبتونات الأثقل غير المستقرة، في النهاية مكانًا طبيعيًا لها في نموذج أعمق (على سبيل المثال، نظرية الأوتار).

حين اقترح جيلمان وسويج نظرية الكوارك لأول مرة بدت كأنها تخمين بعيد النجاح، إلا أن الأدلة التجريبية المؤكدة على صحة وجود الكواركات تراكمت عبر السبعينيات والثمانينيات، ولم يعد هناك شك في وجودها. العجيب في الأمر أنه لم يستطع أحد هو أن يكتشف كواركا معزولا، فمن الخصائص العجيبة للقوة التي تربط الكواركات بعضها ببعض هو أنها تزداد مع زيادة المسافة. لذا من المحال، مثلا نزع أحد الكواركات من أحد البروتونات. إن الكواركات موجودة، لكن يبدو أنها ستظل دوما حبيسة جسيمات أخرى أكبر.

هوامش

(5) Why stop there? Perhaps quarks (and maybe leptons too) are made out of yet smaller particles, which are in turn made of even smaller particles, and so on. Such ideas have been tried. But most physicists think that quarks and leptons are the bottom level, in terms of composite particle combinations. They may not be the last word, however, as I shall discuss at the end of this chapter.

(6) The masses of the neutrinos are still being worked out. They all seem close to zero.

(7) The stability of neutrinos is more complicated. They don’t decay as such: instead, they keep rotating their identities between different neutrino flavors.