لقد حدث في العقود الأخيرة من القرن الماضي تزاوج بين فرعين من فروع العلم وهما علم الكون وعلم فيزياء الجسيمات الأولية , في رابطة تآزرية تولد عنها عدد من النتائج المثيرة , وقد بدأت هذه النتائج إعطاء صورة عن خلق الزمكان والمادة في آونة سحيقة وقعت خلال جزء من ترليون ترليون ترليون جزء من الثانية الأولى بعد انبثاق العالم الكوني من الإنفجار البدئي المعروف باسم الإنفجار العظيم ( Big Bang ) ( الترليون = 1000مليار ) , بل أن هناك دلائل مهمة عن طبيعة الإنفجار العظيم نفسه يمكن أن تنتج من نظرية يجري تطويرها اشتهرت باسم ( نظرية كل شيء Theory Of Everything ) النهائية. إن من شأن هذه النظرية أن تصف في عملية كاملة وجريئة كل التفاعلات التي تحدث بين الجسيمات .
وقد بدأ اليوم علم الكون الجديد بتقديم نبؤات عن فيزياء الجسيمات الأولية , وأصبح التفكير ممكناً بأن يتاح اختبار النبؤات الكونية في تجارب مقارنة دقيقة تستخدم المسرعات الجزيئية وقد شهدت النتائج الأولية على صحة نبؤات علم الكون , وإن الوليد الأول الذي خرج من تزاوج علم الكون وفيزياء الجسيمات هو تحديد أن عدد الجسيمات الأولية لابد أن يكون محدوداً خلال التفاعلات النووية التي حدثت في أثناء الثانية الزمنية الأولى تقريباً من عمر الكون وإلا لكان العالم الكوني مختلفاً عما هو عليه الآن .
ولكي نشرح كيف تضع الإعتبارات الكونية حدوداً لعدد أنواع الجسيمات الأولية لابد أولاً من إلقاء نظرة قصيرة على فيزياء الجسيمات , ففي النصف الثاني من القرن الماضي تبين من التجارب التي تستخدم مسرعات الجسيمات أن الجسيمات الأساسية يمكن أن تجمل في صنفين كبيرين :
- الفرميونات Fermions
- والبوزونات Bosons
التسمية أتت تخليداً لإسمي العالمين الإيطالي الأمريكي إنريكو فيرمي والهندي س . ن بوز
والفرميونات هي الجسيمات التي تتشكل منها المادة , أما البوزونات فهي حاملة القوى بين الجسيمات .
وتنقسم الفرميونات بدورها إلى زمرتين :
- الكواركات Quarks
- واللبتونات Leptons
إن كلمة كوارك جاءت من جملة غريبة وردت في رواية لـ جيمس جويس بعنوان Finnegans Wake تقول ثلاثة كواركات للسيد مارك .
أما كلمة لبتون فمشتقة من كلمة يونانية وتعني جسيماً صغيراً .
الكوارك :
هو أصغر جزء معروف في بناء المادة , الكواركات لايمكن أن تتواجد منفردة , لأنها تتواجد دائماً في اتحادات مع كواركات أخرى في جزيئات أكبر للمادة , وقد استطاع العلماء من خلال دراسة هذه الجزيئات الأكبر أن يحددوا الخصائص المميزة للكواركات .
إن الجزيئات التي تتشكل منها نواة الذرة وهي البروتونات والنيترونات تتألف من الكواركات , حيث أنه بدون الكواركات سوف لن يكون هناك ذرة , وبالتالي سوف لن يكون هناك مادة .
يوجد 6 أنواع من الكواركات هي :
- الكوارك الأعلى ( up )
- والكوارك الأسفل ( down)
- والكوارك الساحر ( charm )
- والكوارك الغريب ( strang )
- والكوارك العلوي ( top )
- والكوارك السفلي ( bottom )
وتتميز الكواركات بكتلة معينة وشحنة كهربائية , ويعتقد العلماء بأن هذه الأنواع الستة من الكواركات قد وجدت مباشرة إثر الإنفجار العظيم الذي انبثق عنه الكون .
ويوجد للكواركات جسيمات أولية مضادة تدعى الكواركات المضادة anti quarks , التي تتحد لتشكل المادة المضادة والتي لا وجود لها في الطبيعة على الأرض , لكن غالبية العلماء تعتقد بوجود هذه المادة المضادة ولو بشكل نادر في الكون لكن الفيزيائيون فد تمكنوا من إنتاج هذه المادة المضادة في المختبرات .
تتحد الكواركات مع بعضها لتشكل نوعاً من الجسيمات الأولية والتي تدعى الهادرونات ( hadrons ) , نوعين فقط من الهادرونات تم العثور عليهما في الطبيعة وهما الباريون ( baryon ) والميزون ( meson ) .
يتضمن الباريون ثلاثة كواركات , بينما يتضمن الميزون كوارك وكوارك مضاد , علماً أن نظرية الميكانيك الكوانتي لم تحظر من وجود اتحادات أخرى , حيث أن العلماء بدأوا بالبحث عنه فعلياً منذ عام 2003 واقترحوا تسميته الكوارك الخماسي ( penta quark ) لأنه يتألف من خمسة كواركات .
البروتونات والنيترونات هي عبارة عن باريونات , حيث أن البروتون يتألف من كواركين علويين ( up ) وكوارك سفلي ( down ) , والشحنة الكهربائية على هذه الكواركات تشكل شحنة البروتون الموجبة , بينما النيوترونات تحتوي على كوارك واحد علوي ( up ) واثنين من الكواركات السفلية ( down ) والشحنات التي تحملها هذه الكواركات تتعادل مع بعضها بحيث تنعدم بالمحصلة شحنة النيوترون .
لقد أكتشف الفيزيائيون الميزونات خلال دراسة الأشعة الكونية , وهي عبارة عن جزيئات طاقة عالية تنشأ في الفضاء وتخترق الميزونات الغلاف الجوي للأرض , وهي تتألف إما من كوارك واحد علوي ( up ) وكوارك مضاد سفلي ( down ) ويحمل الميزون عندها الشحنة الموجبة , أو كواركاً واحداً سفلياً ( down ) وكواركاً مضاداً علوياً ً ويحمل عندها الشحنة السالبة , أو كواركاً علوياً وكواركاً مضاداً علوياً أيضاً وعندها يكون عديم الشحنة ( متعادل ) , والميزونات تتميز بفترة حياة قصيرة جداً قبل أن تتحول إلى جسيمات أولية أخرى .
كما أوجد العلماء معملياً نوعاً آخراً من الميزونات أطلقوا عليه اسم الكاون ( kaon ) , وتحتوي كل الكاونات أيضاً على الكوارك المسمى الغريب ( strange ) أو الكوارك المضاد له كذلك , وهي مثلها مثل الميزونات يمكن أن تأخذ الشحنة الموجبة أو السالبة أو أن تكون متعادلة , وهي أيضاً تتميز بعمر قصير جداً قبل أن تتحول إلى جسيمات أخرى.
إن القوة التي تربط الكواركات مع بعضها البعض في الهادرونات وتربط هذه الأخيرة مع مثيلاتها من الهادرونات هي إحدى القوى النووية والتي تدعى القوة شديد ( strong ) , هذه القوة تعمل أيضاً على ربط كل من البروتونات والنيترونات مع بعضها في نواة الذرة , وتؤثر الكواركات إحداها على الأخرى من خلال قوة ( شديد strong ) عن طريق تبادل الغلونات ( gluons ) , وهي جزيئات طاقية حاملة القوة ( شديد ) , والغلونات تعمل على ربط الكواركات مع بعضها بواسطة تغيير إحدى خصائص الكواركات والتي تدعى شحنة اللون , حيث يمكن للكواركات أن يكون لها شحنة لونية حمراء أو خضراء أو زرقاء بينما يمكن أن يكون للكواركات المضادة شحنة لونية مضادة للحمراء ( cyan ) أو مضادة للخضراء ( magenta ) , أو مضادة للزرقاء ( yellow )
يبين الشكل بنية البروتون والنيوترون اللذان يشكلان ما يعرف بالباريونات وكذلك الكاونات الموجبة والسالبة واللتان تشكلان ما يعرف بالميزونات وتظهر بنية البروتون المؤلفة من ثلاثة كواركات هي اثنان يدعيان علوي ( up ) وواحد يدعى سفلي ( down ) وكذلك بنية النيوترون المؤلفة من ثلاثة كواركات أيضاً هي اثنان يدعيان سفلي ( down ) وواحد يدعى علوي ( up ) , وكذلك تظهر بنية الكاون الموجب والسالب و المؤلفة من كواركين أحدهما يدعى علوي والآخر يدعى غريب ( strang ) .