خواص الجسيمات الاولية

ان دراسة امكانية تجزئة المادة الى جسيمات اصغر واصغر كانت ولا تزال من اكثر مواضيع البحوث اثارة. فقد تم تأكيد وجود الذرات والجزيئات في القرن التاسع عشرو ان تجارب وافكار ورذرفورد وبور وآخرين في بداية القرن العشرين قد رسمت الطريق الى وضع الذرة على اسس ثابتة دلت على ان النواة يمكن تجزئتها، وقد أدى اول تفاعل نووي تمت دراسته من قبل رذرفورد الى تقوية وجهة النظر هذه وان اكتشاف شادويك للنيوترون عام 1932 قد انهى الجدل الذي كان قائما آنذاك حول نوع  الجسيمات المتواجدة في النواة. حيث لوحظ ان الذرة تتكون من نواة يحيط بها غيم الكتروني وتتكون النواة من البروتونات والنيوترونات المرتبطة بعضها ببعض بواسطة قوى شديدة.

لقد ظهرت اكتشافات عديدة بعد ذلك في مجال ما يسمى بالجسيمات الاولية بواسطة دراسة الاشعة الكونية التي لها قابلية الاختراق واصلها في الغالب من خارج مجموعتنا الشمسية اي من الفضاء الخارجي، وقد ثبت انه تمثل مصدرا مهما للجسيمات ذات الطاقة العالية اللازمة في دراسة الجسيمات الاولية. ان الاشعاع الأولي الذي يدخل جو الارض يتكون من النوى وأكثرها بروتونات ويقوم هذا الاشعاع عند التصادم مع النوى الموجودة في الطبقات العليا من جو الارض بتوليد مختلف الجسيمات الاخرى التي يمكن دراستها على سطح الارض ولكن معظمها قد تمت دراسته بواسطة الرقوق النووية والاجهزة الاخرى التي تم نثلها الى الطبقات العليا من الجو باستخدام البالونات.

ان تصنيف الجسيمات الاولية يعتمد على استخدام بعض الاعداد الكمية وهي البرم الذاتي والتماثل اضافة الى البرم النظري (T) ومركبته (T₃) وكذلك بعض الاعداد الكمية الجديدة والتي ظهرت مؤخراً في مجال بحوث الجسيمات الاولية واكثرها شيوعا في العدد الكمي للغرابة وكذلك العدد الباريوني والعدد اللبتوني.

 جدول (1.1) : الجسيمات الأولية

إن الجدول (1.1) يبين معظم الخواص المهمة للجسيمات الاولية حيث يحتوي العمود الاولي في الجدول على الجسيمات المصنفة الى فوتونات ولبتونات وميزونات وباريونات، والعمود الثاني يعطى الرمز المستخدم للدلالة على  الجسيم، اما العمود الثالث فيحتوي على الرمز المستخدم للدلالة على الجسيم وضديده، فيما تتضمن الاعمدة : الرابع والخامس والسادس الكتلة والبرم وشحنه الجسيم ضديده على التوالي. اما العمود السابع فيعطي معدل العمر للجسيمات. وفي هذا الجدول تمت تسمية الجسيمات بالجسيمات طويلة العمر وذلك لان معدلات اعمارها تكون طويلة بالمقارنة مع الوحدة المناسبة  للأنحلالات الناتجة عن التفاعلات النووية القوية وهي بحدود ²³s)^-(10 لقد استدل العلماء بواسطة النظرية الكمية النسبية على وجود الجسيمات الضد للجسيمات الاولية والتي لها كتلة الجسيم الاصلي نفسها ولكن بشحنة معاكسة في حالة كون الجسيم الاصلي مشحونا وتفنى عند التقائها بالجسيم الاصلي اي تتحول كتلتاهما السكونية الى طاقة على شكل كمات. وقد تم اقتراح وضع خط على الرمز الذي يمثل الجسيم الضد او اشارته المناسبة.

ففي عام 1933 اكتشف اول جسيم ضد عند تعرض حجرة السحاب الى الاشعة الكونية والذي تبين ان له كتلة الالكترون نفسها ولكن بشحنة موجبة. وسمي هذا الجسيم بالبوزيترون ويرمز له بالرمز e⁺)) وان هذا الجسيم يفنى عند التقائه بالإلكترون .. ويتولد نتيجة لهذا التفاعل فوتون كل منهما له طاقة (0.511MeV) وهي طاقة السكون للإلكترون (أو البوزيترون). ومن الممكن توليد البوزيترونات بسهولة بواسطة عملية انتاج الزوج. من الممكن ان يتكون الالكترون و البوزيترون كذلك من انحلال بيتا حيث يرافق تكون البوزيترون ما يسمى بالنيوترينو الالكتروني (v_β) ولكن في بعض الاحيان ينبعث الميون (^-μ) بدلا من النيوترينو لان الميون هو جسيم اولي له نفس خصائص الالكترون ماعدا كتلته السكونية التي تعادل (207) مرة بقدر كتلة الالكترون أي انه الكترون وثقيل كما يعتقد البعض.

في عام 1936 اكتشف ان الاشعة الكونية الساقطة على مستوى سطح البحر تحتوي على جسيمات هي الميونات والالكترونات بنسبة 4 الى 1 (ميون الى الكترون)، وبما ان e⁺)) هو الجسيم الضد للإلكترون، فان (⁺μ) هو الجسيم الضد للميون، وهنا يبرز تساؤل، لماذا لا تحتوي المادة على ميونات، بدلا من الالكترونات؟ والجواب على ذلك هو انحلال الميونات الى الالكترونات بعمر نصف (1.5x10^-6 s)  ، حسب الانحلال التالي :

حيث () مضاد النيوترينو الالكتروني و (v_μ) النيوترينو الميوني على التوالي. وهذا يعود الى ظهور نوعين من النيوترينو هما (v_e) الذي يصاحب الالكترونات و (v_μ) الذي يصاحب الميونات حيث تم اكتشافهما من قبل مجموعة من الباحثين من بروكهيفن عام 1963. ان هذه الجسيمات v_e, v_μ) , e^-,^-μ) تسمى اللبتونات التي تنحل بواسطة التفاعلات النووية الضعيفة ، ولهما اعداد لبتونية 1+)) للإلكترون والنيوترينو و 1-)) للبوزيترون و النيوترينو الضد.

اما الهادرونات الشائعة فهي البروتونات والنيوترونات فمنذ عام (1947) تم اكتشاف عدد كبير من الهادرونات غير المستقرة حيث اكتشف (21) منها لها عمر نصف طويل (10^-10s)، لذا فان مساراتها تكون واضحة في حجرة الفقاعة.

يوجد نوعان من الهادرونات هما الميزونات والباريونات وتشمل البروتونات والنيوترونات وهذه تكون ناتجا نهائيا لانحلال الجسيمات الاخرى حيث تخضع لقانون حفظ العدد الباريوني وتكون قيمته 1+)) للبروتون والنيوترون و(1-) للبروتون اضد والنيوترون الضد.

اما الميزونات فان اعدادها الباريونية تساوي صفرًا وان اطول عمر تعيشه الميزونات هي البايونات (π) والكايونات (K) وان كتلة البايون تساوي 1/7 من كتلة البروتون. وتوجد ثلاثة انواع من البايونات ,π⁺,π⁰)^-π) وان ^-π هو البايون الضد لـ π⁺ و أن π⁰ هو ضديد نفسه وان عمر النصف لـ π⁺ و^-π هو ((9.6×10^-8s ، اما π⁰ فانه ينحل الى فوتونين بعمر نصف مقداره (1.8×10^-16s) وهذا يدل على ان سرعة انحلالها من انحلال ,π⁺)^-π).

وفي عام 1936 أي قبل احد عشر عاما من اكتشاف البايون تنبأ العالم الياباني يوكاوا بوجود البايونات وكذلك كتلتها التي وافقت كتلة البايون المقاسة عند تولدها بواسطة البروتونات المعجلة في السايكلترون بطاقة تساوي عدة ملايين الكترون فولت. وفي عام 1947 اكتشف البايون في الاشعة الكونية عن طريق مساراتها التي لوحظت في الرقائق.

اما الكايونات فلها كتلة تساوي 1/2 كتلة البروتون وتتواجد بنوعين هماK⁺)  (K⁰, وجسيماتها الضد هي (K^- , ) وعمر النصف لـ K⁺ هو (s (1.2×10^-8 ولـ K⁰ هو .(0.9×10^-10s)

ان بعض البايونات تسمى الهايبرونات وهي تعيش فترة طويلة لذا فأنها تترك مسارات واضحة في حجرة الفقاعة وهي اربع جسيمات وتكون اثقل من البروتونات وهي لمدا (Λ) وسيكما (Σ) وكساي (Ξ) وأوميجا (Ω) وجميع هذه الجسيمات تصاحب الكايونات، ولذلك تعتبر البايونات الاربعة والكايونات اجساما غريبة وتنحل بزمن اقل بـ 10¹⁴ مرة من الزمن (10^-23s) وبسبب ذلك تم وضع قانون حفظ الغرابة.

وفي عام 1955 أي في السنة التالية لبناء معجل البيتاترون، فان العالم شامبرلن وجماعته اكتشفوا البروتون الضد  الذي نتج يقصف النواة بواسطة بروتونات طاقاتها الحركية تساوي .6 GeV