كوارك

عندما يُحطَّم البروتون في مُعجِّل الجسيمات، تنطلق منه كواركات وغلونات — وهي جسيمات أساسية تشكّل المادة. لكن لا يمكن رؤيتها حرة: فهي تلتصق ببعضها البعض على الفور لتكوّن جسيمات جديدة — الهادرونات، تمامًا كما تتجمع قطرات الزئبق في كرات.

الكواركات — اللبنات الأساسية للبروتونات والنيوترونات — عادة ما تتجمع في أزواج (بوزونات) أو ثلاثيات (باريونات). لكن في بعض الأحيان تشكل تركيبات أكبر وأقل استقرارًا تعيش لأجزاء ضئيلة من الثانية. جسيمان من هذا القبيل، Bs0* وBs1، ظلا لغزًا لفترة طويلة: الحسابات أشارت إلى أنهما يجب أن يكونا حالتين مرتبطتين، لكن الدقة لم تسمح بالجزم بذلك.

عندما تنشطر نواة ذرية ثقيلة إلى شظيتين، يبقى بينهما خيط كمومي غير مرئي. هذا الخيط هو التشابك: حالة إحدى الشظيتين مرتبطة فورًا بحالة الأخرى، وكأنهما ما زالتا كيانًا واحدًا. ولأول مرة، تمكن الفيزيائيون من حساب مدى طول هذا الخيط ومتانته بدقة، بتتبعهم خطوة بخطوة لعملية انشطار النواة. التشابك هو أن يتصرف جسيمان كجسيم واحد، حتى عبر المسافات.

في مسرّع مختبر جيفرسون، تصطدم حزمة من الفوتونات — كوانتات الضوء — بالبروتونات، وينتج عن التصادمات جسيمات قصيرة العمر تُعرف بميزونات أوميغا. تعيش هذه الجسيمات أقل من جزء من مليار من الثانية، لكنها تنجح في إخبارنا عن طبيعة القوى داخل النواة الذرية. سجّل الفيزيائيون الزوايا التي تتطاير بها هذه الميزونات وكيفية دورانها — تمامًا كقمة دوّارة تُطلق في اتجاهات مختلفة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كانت المادة واللامادة متساويتين تقريبًا. لكن شيئًا ما كسر التوازن، وفي النهاية بقي فائض ضئيل فقط من الجسيمات العادية — وهو الفائض الذي تتكون منه النجوم والكواكب ونحن أنفسنا. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن كسر تناظر CP المعروف — أي الاختلاف في سلوك الجسيمات ونظيراتها المرآتية — في النموذج القياسي غير كافٍ لذلك.

البروتون ليس كرة مصمتة، بل سجن صغير. بداخله ثلاثة كواركات محبوسة، وتمنعها من الهروب حقول الغلوونات (gluon fields) — أشبه بخيوط غير مرئية تزداد قوة كلما حاولت الكواركات الابتعاد عن بعضها. لفترة طويلة، ظلت هذه الخاصية، التي تُسمى الحبس (confinement)، شبه غامضة: لُوحظت في التجارب، لكن لم يكن بالإمكان قياس القوة المؤثرة على كل كوارك مباشرة.

البروتون ليس كرة مصمتة. إنه سحابة هائجة من الكواركات والغلوونات التي تولد وتفنى باستمرار. لوصف هذه الصورة تساعد دوال توزيع البارتونات (parton distribution functions) - فهي تبين احتمال وجود كوارك أو غلوون داخل البروتون بطاقة معينة. في السابق، كانت هذه الدوال تُحدد بشكل منفصل عن الأعداد المهمة الأخرى - مثل قوة ترابط الكواركات أو كتلة أثقل جسيم أولي، وهو الكوارك القمي.

حفنة من الرمل في قبضة اليد: حبيبات الرمل تتكئ على بعضها البعض، ولا تنغلق اليد أكثر. المادة العادية تتصرف بشكل مشابه. لكن في النجم النيوتروني، يكون الضغط أقوى بمليارات المرات — الذرات مسحوقة، والإلكترونات مضغوطة في البروتونات، وتقريبًا كل الفضاء مليء بالنيوترونات. ومع ذلك، هذه ليست مجرد تعبئة كثيفة للكرات. عند عمق معين، تبدأ النيوترونات في "الإحساس" بمكوناتها — الكواركات.

النجوم النيوترونية هي أوعية كونية للتحول: عند كثافات فوق نووية، تنصهر الهادرونات إلى بلازما الكوارك-غلوون (كغب)، وفي القلب حيث يبلغ الضغط ذروته، يتشكل الموصل الفائق اللوني (ملف). تتعايش هاتان الطوران كالزيت والماء، يفصل بينهما حد شبهي، وهناك على السطح البيني تُعرض دراما كمومية.

في العالم المصغر للتفاعل القوي — أقوى غراء في الطبيعة — لا تمشي الكواركات أبدًا بمفردها. على المسافات الكبيرة، تلتصق معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات المألوفة لدينا. لكن عند الانضغاط الشديد، كما في أعماق النجم النيوتروني، يخلق هذا الغراء أشكالًا أكثر غرابة من المادة. بنى مؤلفو العمل جسرًا بين النظرية الأصلية للكواركات وعالم الجسيمات المركبة.

في المسرعات، عند تصادم النوى الثقيلة، ينشئ الفيزيائيون لفترة وجيزة بلازما كوارك-غلوون (quark-gluon plasma) — وهي حالة من المادة تكون فيها الكواركات والغلوونات غير محبوسة داخل الجسيمات، بل حرة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أنها غاز، لكن التجارب أظهرت أنها سائل شبه مثالي. تتحرك جسيماتها بشكل منسق، مثل الجزيئات في العسل.

النيوترينوات هي أشباح العالم الصغير حقًا. فهي بلا كتلة تقريبًا وبلا شحنة، تخترق الكواكب كما لو كانت فراغًا. لكن داخل كل نيوترينو تختبئ ليست جسيمًا واحدًا بل ثلاثة — ثلاثة «نكهات» (الإلكترونية، والميونية، والتاوية) التي تتحول باستمرار إلى بعضها البعض. تُسمى هذه الرقصة بالتذبذبات. اعتبر مؤلفو العمل هذه الرقصة تشابكًا كموميًا بين النكهات الثلاث.

في أعماق نجم نيوتروني هائل، حيث تزن ملعقة صغيرة من المادة وزن جبل، تنضغط الكواركات إلى مسافات لا تُصدق. قبل اكتشاف هذه الأجرام بزمن طويل، حسب سوبرامانيان تشاندراسيخار حد الأقزام البيضاء، وتنبأ فريتز زفيكي بجرأة أن المستعرات العظمى تُخلف وراءها كتلًا من النيوترونات.

داخل النجم النيوتروني، تُضغط المادة بشدة حتى تتوقف النوى الذرية عن كونها كتلًا منفصلة. تقترب النيوترونات والبروتونات من بعضها البعض، وتبدأ مكوناتها الداخلية — الكواركات — في الإحساس بجيرانها عبر جدران «أكياسها». النجم النيوتروني هو كرة نصف قطرها بحجم مدينة صغيرة، لكن كتلتها تعادل كتلة الشمس ونصف.

الجليد، الماء، البخار — تحولات طورية مألوفة للجميع. لكن ماذا يحدث إذا ضغطت وسخنت نواة الذرة نفسها؟ يعتقد المنظرون أن البروتونات والنيوترونات فيها «تذوب»، محررة لبنات أصغر — كواركات وغلوونات. الناتج خليط ساخن يُسمى بلازما كوارك-غلوون. كانت تملأ الكون في أول ميكروثانية بعد الانفجار العظيم.

نهاية الكون ليست مجرد خفوت للضوء. إذا كانت الطاقة المظلمة — المادة الغامضة التي تسرّع توسع الكون — ستمزّقه إربًا في سيناريو التمزق العظيم، أو إذا تحول التوسع إلى انكماش يعيد كل شيء إلى نقطة شبيهة بـ الانفجار العظيم بالعكس، عندها يحدث التفرد — اللحظة التي تفشل فيها الفيزياء المألوفة.

في عائلة البقايا فائقة الكثافة للنجوم الميتة، ظلّت فجوة شاسعة زمنًا طويلًا. النجوم النيوترونية — وهي قمم دوّارة بحجم مدينة — نادرًا ما تتجاوز كتلتها كتلتين شمسيتين. أما الثقوب السوداء فتبدأ من حوالي خمس كتل شمسية. وبينهما توجد «فجوة» لم يُعثر فيها على أي جرم لعقود.

في بلورة نيتريد البورون، الشبكة الذرية المثالية تتعطل في بعض الأماكن: في موضعٍ ما ينقص ذرة، وفي موضعٍ آخر يحل محله ذرة غريبة. تحت المجهر القوي، تظهر هذه العيوب الصغيرة كمصائد للإلكترونات — فهي تلتقط الجسيمات وتبدأ في التوهج، كما تستجيب للمجال المغناطيسي.

إذا ضغطت حفنة من الرمل حتى حجم رأس الدبوس، فستتحول إلى حجر. لكن إذا ضغطتها بقوة أكبر، حتى كثافة النواة الذرية، ستفقد حبيبات الرمل شكلها. ستذوب البروتونات والنيوترونات، ويصبح المادة شبيهة بحساء من الكواركات الحرة. في أعماق النجوم النيوترونية، يكون الضغط كبيرًا لدرجة أن هذا الحساء قد يتكاثف: تبدأ الكواركات في الالتصاق أزواجًا، مثل قطرات الزئبق على الزجاج، وتشكل سائلًا فائق السيولة واحدًا.

مغناطيس بقطب واحد — شمالي، دون جنوبي. قسّمه إلى نصفين — وبدلاً من مغناطيسين عاديين، ستحصل على مغناطيسين أحاديي القطب. في عالمنا، لم تُعثر بعد على مثل هذه الجسيمات، رغم أن العديد من النظريات تتنبأ بوجودها. تُسمى هذه الأجسام الافتراضية الأقطاب المغناطيسية. لاحظ مؤلفو الدراسة صلة مثيرة للاهتمام.

قطرة من القشدة الدهنية في كوب حليب. إذا قمت برجّه، لن يتوزع الدهن بالتساوي — بل سيتجمع في كتل أكثر كثافة تتحرك بشكل مختلف عن باقي السائل. هذا تقريبًا ما تفعله الكواركات داخل الميزونات — وهي جسيمات صغيرة تعيش لأجزاء من الثانية لا تُذكر. يتكون الميزون من كوارك وكوارك مضاد، ونادرًا ما يكونان متساويين في الأهمية.

للوهلة الأولى، النواة الذرية تشبه شقة مزدحمة يسكن فيها البروتونات والنيوترونات (ويُطلق عليهما معًا اسم النيوكليونات) وفق قواعد صارمة. كل واحد يشغل مداره الخاص، مثل الإلكترونات في الذرة، وفي المتوسط يبدو كل شيء منظمًا.

يمكن تشبيه قلب النجم النيوتروني بوتر مشدود ذي كثافة فائقة القوة. الصوت الذي يجري عبره هو اهتزازات الضغط، وسرعته $$c_s$$ تكشف عن صلابة المادة. بحث جديد يظهر أن هذا الوتر الكوني لا يطن بنغمة رتيبة. في البداية، يشتد بقوة حتى يصل إلى 70% من سرعة الضوء، ثم يرتخي، ويهدأ ليصل إلى حد المطابقة الكونية الهادئ.

تتكون المادة العادية من ذرات، والذرات من نوى وإلكترونات. لكن في النجم النيوتروني، تضغط الجاذبية المادة بشدة لدرجة أن الإلكترونات تنضغط داخل البروتونات، ويتحول كل شيء تقريبًا إلى ترتيب كثيف من النيوترونات. هذا يشبه نواة ذرية واحدة ضخمة بحجم مدينة. وماذا لو ضغطنا أكثر؟ عندها ستبدأ النيوترونات في التفكك إلى مكوناتها — الكواركات.

ثلاثة توائم يتبادلون الملابس باستمرار أثناء الجري. هذا تقريبًا ما تفعله النيوترينوات — جسيمات شبه خفية تخترقنا بالتريليونات كل ثانية. تولد في التفاعلات النووية، مثل أعماق الشمس، وتوجد في ثلاثة أنواع، أو «نكهات». لكن الغريب هو: في الطريق من المصدر، يمكن للنيوترينو أن يغير نكهته، فيتحول من إلكتروني إلى ميوني أو تاو-نيوترينو.

الفولاذ ليس كتلة واحدة، بل فسيفساء من حبيبات مجهرية ملتحمة معًا. نقاط التقاء هذه الحبيبات — حدود الحبيبات — هي أضعف نقطة: فمن هنا تبدأ الشقوق. ذرات الشوائب، حتى بكميات ضئيلة، تتجمع عند هذه الوصلات مثل الرمل بين التروس، وقد تعمل على تزييت الآلية أو تعطيلها نهائيًا.

النواة الذرية ليست كرة بلياردو، بل هي أقرب إلى سحابة ضبابية تتغير ملامحها باستمرار. البروتونات والنيوترونات داخلها في حركة دائمة، ويمكن للنواة أن تتخذ أشكالًا مختلفة تمامًا: أن تكون مستطيلة، أو مفلطحة، أو على شكل كمثرى. لوصف هذا التنوع المرتجف، كان الفيزيائيون عادةً يختارون عددًا قليلًا من الأشكال الأكثر احتمالًا ويمزجونها، مثلما يمزج الرسام الألوان على لوحته. لكن الظلال المهمة كانت غالبًا ما تُترك خارج اللوحة.

نواة الذرة ليست كرة مصمتة، بل سربًا كثيفًا من جسيمات متناهية الصغر تُدعى الكواركات، مترابطة بمادة لاصقة خاصة (التفاعل القوي). في النوى الخفيفة، مثل الكالسيوم، يكون هذا السرب بسيطًا: عدد نوعي الكواركات — العلوي والسفلي — شبه متساوٍ، تمامًا كتساوي عدد المفاتيح البيضاء والسوداء في الأوكتاف.

إذا ضغطت حفنةً من الرمل في قبضة يدك، فستتماسك أولًا ثم تبدأ في المقاومة، إذ لا مجال للحبيبات للتحرك. في أعماق النجم النيوتروني يحدث شيء مشابه، لكن بدلًا من حبيبات الرمل لدينا جسيمات أولية، وبدلًا من اليد لدينا جاذبية هائلة.

إذا حاولت كسر البروتون وإخراج كوارك منه، فستفاجأ. القوى العادية، مثل القوة الكهربائية، تضعف عندما تبتعد الجسيمات عن بعضها. أما هنا فالعكس صحيح. كلما ابتعد الكوارك عن جيرانه، زادت قوة جذبه للعودة. وكأنه مربوط بحبل مطاطي: يمكن مدّه بسهولة في البداية، لكن الشد يصبح ثابتًا بعد ذلك، ولا يمكن قطعه إلا بإنتاج جسيمات جديدة.

في كل خريف، يقلع طائر الشحرور الذي يزن مثل قطعة زبدة من غصن في مكان ما قرب سانت بطرسبرغ، ويتجه جنوبًا نحو البحر الأبيض المتوسط، دون أن يراجع خريطة ولو مرة واحدة. يُعتقد أن في عينه بوصلة مغناطيسية مدمجة، والجزء الرئيسي من هذا الجهاز هو البروتين cryptochrome 4a.

في كاشف CMS بمصادم الهدرونات الكبير، اصطدمت بروتونات مُسرَّعة إلى ما يقارب سرعة الضوء. بين مليارات هذه التصادمات، بحث الفيزيائيون عن أثر نادر: ولادة جسيم ثقيل واحد يتحلل فورًا إلى بوزون W وكوارك b.

تياران من السيارات يصطدمان عند تقاطع طرق. في اللحظات الأولى بعد الاصطدام، لا تتناثر الحطام بشكل عشوائي، بل وكأن سحابة مشتركة غمرتها للحظة. هذا تقريبًا ما رآه الفيزيائيون في مصادم الهادرونات الكبير عندما اصطدمت البروتونات ببعضها البعض بسرعة هائلة. درسوا الجسيمات المكونة من كواركات ثقيلة، مثل إبسيلون وبسي.

قطرات الزيت في المرق المغلي عادةً ما تتباعد، ولكن إذا اصطدمت ببطء شديد، فقد تلتصق ببعضها للحظة. شيء مشابه يحدث مع كواركات القمة - أثقل اللبنات المعروفة للمادة. في بيانات الجولة الثانية من تشغيل مصادم الهادرونات الكبير (2015-2018)، سجل كاشف ATLAS فائضًا واضحًا في أزواج كوارك القمة-كوارك مضاد القمة التي تولد تقريبًا بدون حركة نسبية بينها.

الكواركات هي لبنات صغيرة تتكون منها البروتونات والنيوترونات. عادةً ما تترابط في أزواج: جسيم ونظيره المرآتي المضاد. لكن في بعض الأحيان، تشكل الكواركات تركيبات أكثر غرابة يسميها الفيزيائيون بالجسيمات الغريبة. إحدى هذه التركيبات — الجسيم π1(1600) — شوهدت لأول مرة في اضمحلال الميزون الساحر χc1 على الكاشف BESIII في بكين. الميزون العادي يشبه زوجًا من "يد وقفاز": كوارك وكوارك مضاد.

يبدو البروتون ككرة متماسكة، لكن داخله حياة مليئة بالحركة: تتبادل الكواركات الغلوونات، وهي الجسيمات التي تلصقها ببعضها. تظهر الغلوونات وتختفي، وتوزيعها عبر البروتون ليس مجرد تفصيلة مثيرة للاهتمام، بل هو المفتاح للتنبؤات في مصادم الهادرونات الكبير.

الجسيمات الثقيلة التي يسميها الفيزيائيون باريونات (baryons) تشبه عائلات صغيرة من ثلاثة كواركات. الباريونات العادية هي البروتونات والنيوترونات التي يتكون منها كل ما حولنا. ولكن هناك أيضًا أقارب غريبة: فيها بدلاً من الكواركات الخفيفة تعيش كواركات ساحرة أو قمية — ثقيلة وقصيرة العمر. تولد هذه الجسيمات فقط في تصادمات المسرعات وتعيش أجزاء ضئيلة من الثانية.

إذا وضعت كاوانًا في مجال كهربائي، فإنه يتمدد قليلًا، مثل بالون يُفرك بالصوف. هذا الاستجابة — الاستقطابية الكهربائية — تُظهر مدى صلابة بنية الجسيم من الداخل. بالنسبة للكاوان المشحون، تم قياسها لأول مرة، والرقم الناتج هو: حوالي جزء من عشرة آلاف من حجم البروتون.

في تصادمات النوى الثقيلة في المصادمات، تولد بلازما كوارك-غلوون — حالة من المادة تكون فيها الكواركات والغلوونات حرة، مثل الماء في البخار. الكواركات الثقيلة، مثل كواركات b، عندما تدخل هذه البلازما تفقد طاقتها، وتتحطم حالاتها المقيدة — البوتومونيوم. من خلال مدى ندرة تولدها مقارنة بالتوقع بدون البلازما، يمكن الحكم على خصائص الوسط.

عند تصادم النوى الثقيلة في المسرعات، تولد العديد من الجسيمات، ويريد الفيزيائيون فهم كيفية تحرك الشحنة الكهربائية في هذه الفوضى. قطاران يصطدمان ببعضهما: الركاب (الكواركات) يتناثرون، لكن أمتعتهم (الشحنة) قد تكون بعيدة عن موقع الحادث. لقياس مدى انتقال الشحنة، يقترح المؤلفون مقارنة تصادمات نوى الروثينيوم (Ru) والزركونيوم (Zr).