[وائل حسن عبده]

ماهي اصغر وحدة بناء تتآلف منها المادة، وكيف تمكن التواصل بين وحدات البناء وقوى الطبيعة الثلاث الناقلة للطاقة من خلق كون بلانهاية، هذا الكون الذي كان قبل 14 مليار سنة فقط اصغر حتى من نواة الذرة؟

ماهي دوافع القوى المادية التي تحكم تحول المادة بين اشكالها المتعددة في معرض وجودها . لهذا الغرض تم إنشاء اكبر مُسرع ذري في العالم موقعه في جنيف، سيدخل حيز العمل قريبا. هذا المُسرع يسمى Large Hadron Collider, LHC, وهو عبارة عن نفق دائري على عمق مابين 40-170 متر تحت الارض ومسافته تصل الى 27 كم.

المُسرع يتكون من حلقتين فائقتي التوصيل، خلالهم ستتسابق مجموعة من البروتونات في خط دائري بإتجاهين ليلتقوا في اربعة مواضع هناك حيث تلتقي المسارات، وحيث توجد مُستقبلات هائلة وحيث سيحدث ارتطام البروتونات مع بعض مطلقين طاقة تصل الى 14 بليون فولت الكتروني، TeV. الطاقة المتولدة اكبر بسبعة مرات من التي نحصل عليها اليوم في مُسرع حالي اصغر بإسم Tevatronen, عائد للمختبر الامريكي Fermi National Laboratory.

المهمة الجوهرية للمُسرع الجديد هي ايجاد الحلقة الاخيرة في النظرية التي يسميها العلماء الموديلات القياسية، Standardmodel. هذا الموديل يصف اصغر الوحدات المكونة للذرة وهي {*الكفارك وهو الكوارك ,Quantum= (أصغر كمات من الطاقة تمثل الجسيمات حاملة الطاقة او حاملة المادة ) }، الالكترون والنيترون، إضافة الى ثلاث من قوى الطبيعة الاربعة التي تقوم بالتواصل والوساطة. القوى المقصودة هي: الطاقة الذرية العظمى التي تربط الكفارك مع البروتون مع النيترون وتمسك نواة الذرة، والقوى الذرية الضعيفة التي تتحكم بتفكك اشعة بيتا على مدى الزمن اضافة الى القوة الكهرومغناطيسية التي تقوم بتوصيل التفاعلات الكيميائية والبيوكيميائية والفيزيائية، وبذلك تعتبر احدى اهم قواعد الحياة.
--------
*الكفارك ,Quantum, ، اعتقد انه يترجم الى العربية بإسم الكم، والصفة منه الكمومية ويقصد به أصغر كمات الطاقة من الجسيمات حاملة الطاقة او حاملة المادة
*جزيئات: Particle.
--------------


Particles
Leptons
Charge Charge
Tau -1 Tau Neutrino 0
Muon -1 Muon Neutrino 0
Electron -1 Electron Neutrino 0
Quarks
Charge Charge
Bottom -1/3 Top 2/3
Strange -1/3 Charm 2/3
Down -1/3 Up 2/3
each quark: 3 colors

The particle drawings are simple artistic representations



نظرية الموديلات القياسية نظرية ناجحة، فقد تمكنت من الوقوف امام جميع الانتقادات الجدية بنجاح، ومع ذلك لازالت مشكلة جدية. انها لاتستطيع تقديم توضيح مباشر لماذا تملك الجزيئات، مثلا الكفارك والنيترون، وزناً . لذلك تفترض هذه النظرية وجود جزئ لم يكتشف يسمى Higgs boson, هو الذي يعطي يدخل على بقية الجزيئات فيعطيها كتلتها ووزنها.

النظريين يدعون ان الكون ممتلئ بشوربة من هذا الجزئ(هيغز) ، وهو يقوم بربط نفسه الى بقية جزيئات المادة تماما بنفس طريقة الجزئيات الاخرى المعروفة لنا مستخدمة مستويات مختلفة من القوة. وكلما زادت قوة ارتباط الهيغز (مستوى الطاقة) بالجزيئات الاخرى كلما زاد وزن الجسم المعلوم لنا
بمعنى اخر يكون الكقارك اثقل من النيترون لكون قوة ارتباطه بـ"الهيغز" اقوى من قوة ارتباط النيترون به.

التجارب السابقة التي جرت في CERN والتجارب الجديدة في المُسرع الامريكي تيفاترونين توصلت الى حدود دنيا لوزن جزيئية هيغز، والحسابات النظرية على خلفية هذه التجارب وضعت حدود قصوى. الجميع متفق على انه إذا كان لهيغز وجود، فأن المسرع الجبار الجديد LHC سيقوم بإكتشافه ضمن حدود الطاقة التي يعمل في إطارها.

اكبر تحدي تقدمه هذه النظرية في كونها لاتتطابق مع نظرية النسبية العامة. إينشتاين يصف قوى الجاذبية بكونها هي التي تتحكم بديناميكية تطور الكون. وهذا الامر تم اثباته عدة مرات من خلال الملاحظة الفلكية.
المعضلة ان قوى الطبيعة الثلاث في نظرية الموديلات القياسية لهم طبيعة كفانتية (كمومية) ويقومون بالتفاعل من خلال إرسال *جزيئات تنقل طاقة. افضل الامثلة على ذلك هو الكفانت الضوئي والفوتونات، الذين يكونون الواسطة لنقل الطاقة الاليكترومغنطيسية بين الذرات. هذه الوسائط الناقلة له شكل نقطي، وعندما نرغب بوصف الجاذبية بنفس الطريقة تظهر معضلة. لكون المعادلة التي تصف نقل الطاقة بين جسمين تعطي نتائج بلانهاية، إذا كانت المسافة بين الجسمين صغيرة بما فيه الكفاية، وهذا غير منطقي.
جوهر المعضلة في صعوبة وصف الجاذبية من خلال الكفانت

Forces

Strong Electromagnetic

Mesons, Baryons Quarks

Gluons (8) Nuclei

Photon
Atoms, Light, Chemistry, Electronics
Gravitational Weak
Gravitron ?
Solar system, Galaxies, Black holes

Bosons (W,Z)
Neutron decay, Beta radioactivity, Neutrino interactions, Burning of the sun

The particle drawings are simple artistic representations

ويتم حل معضلة الجاذبية بنظرية الأوتار الفائقة التي تنص

بان الجزيئات مكونة من مجرد خيوط ترددية فائقة ملتصقة ببعضها وليست جزيئات، يعتبر من الناحية النظرية، .
هذه الخيوط او الاوتار تملك بنية ممتدة على طولها وبالتالي يمكن تحاشي معضلة اللانهاية.
اضافة الى ذلك فأن الطريق الى فهم الجزيئات من الخيوط الفائقة امر بسيط.
الخيوط الفائقة قادرة على الاهتزاز الترددي بعدة اشكال مميزة مما يسمح لها بخلق جميع وحدات بناء الطبيعة (من جسيمات ذرية) وجزيئات (وحدات ) نقل الطاقة.

لسوء الحظ تقدم الخيوط الفائقة (إذا كانت فعلا موجودة) نفسها وكأنها معزولة عن بعضها عند درجات الحرارة التي كانت توجد فحسب في لحظة الانفجار العظيم. هذا المستوى من الطاقة ليس بمتناول ايدينا حتى في LHC.
نظرية الخيوط الفائقة تفترض ايضا وجود عوامل اخرى لازالت غير مكتشفة مثل الجزئيات الفائقة التناظر، suppersymmetriska partiklar, وهنا يوجد احتمالات قوية في ان الجهاز الجديد قد يمكنه البرهنة على وجودهم. ايجادهم لايعتبر برهان على نظرية الخيوط الفائقة، ولكنه يشير الى ان المنظرين في الطريق الصحيح.

إذا تمكن العلماء من خلق الجزيئات الفائقة التناظر في جهاز المُسرع سيعتبر ذلك اهم اكتشاف على الاطلاق. هذه الجزيئات هي المرشحة لتكون المادة المظلمة التي تشكل 23% من جسم مادة الكون.
البحث عن اصغر جزئ في الطبيعة يمكن ان يؤدي الى ان نفهم الاجوبة على اسئلة اخرى ومنها، لماذا المادة اكثر استقرار من المادة المضادة؟

الفيزيائيين كانوا يلاحقون جزيئات الهيغز منذ تسعينات القرن الماضي حيث كانوا يأملون ان يجدها المُسرع المسمى Large Elctron-Positron Collider, alias LEP. حيث التجارب فيه انتهت عام 2000، وعندها اعلن العلماء عن "اكتشاف" لم يتمكنوا من تحقيقه ثانية. ومع ذلك كانت هذه التجارب هامة، إذ توصلت الى حد ادنى لوزن جزيئة الهيغز هي 114 GeV, في حين توصلت الحسابات النظرية الى وضع حد اعلى، هو 1Tev.

الامريكان والاوروبيين يتسابقون الان للوصول الى اكتشاف الهيغز عمليا، ومع ان المُسرع الاوروبي اقوى الا ان العلماء الامريكيين اصبح لديهم خبرات متراكمة اكثر. المُسرع الامريكي قام بإلتقاط ظاهرة غير طبيعية، يحتمل انها بسبب تحطم الهيغز بوزن 60 Gev. الاشارة الملتقطة توصف بتعبير sigma-2, وتعني ان احتمال ان تكون اسباب الظاهرة عائد الى صدفة هو 50%. عادة تعتبر النتائج مقبولة اذا كانت في حدود sigma-5, وذلك يعني ان ان احتمال االخطأ هو واحد على عشرة ملايين. لهذا السبب ينشغل العلماء الان للقيام بخلق اصطدامات جديدة. اسهل الاوضاع للعثور على جزيئات الهيغز هي عندما تكون وزن الجزيئة في حدود 160-180 GeV إذ انه في هذه الحدود تقوم بالتحطم الى جزيئات من نوع W or Z. هذه الجزيئات هي وسائط لنقل الطاقة النووية الضعيفة والمنتجات التي تقدمها معلومة للعلماء في ادق تفاصيلها.

Interactions: coupling of forces to matter
Electroweak Strong
Electromagnetic Weak






Range ¥, relative strength £10-2 Range ~10-18 m, relative strength 10-14 Range ~ 10-15 m, relative strength = 1


الامور ستتعقد اكثر اذا كانت ستوجد جزيئات النظائر الفائقة ايضا، لكون جميع عائلة الجزيئات الشبحية لها وزن، وهذا يتطلب وجود خمسة جزيئات من الهيغز.

الجزيئات الفائقة تملك " ازواج" شبحية فائقة
عندما يبدأ العلماء عملهم لملاحقة هذه الجزيئات يتطلب الامر الكثير من الصبر، لكون كافة الاحتمالات تشير الى الظروف التي تساعد على نشوءهم تتكون بشكل نادر في حالة التصادم البروتوني. لذلك يعتقد انه ستمضي بضعة سنوات قبل الحصول على تأكيد على وجود جزيئات الهيغز.

على العكس من ذلك فيما يختص جزيئات النظائر الفائقة التي من الممكن اكتشافها بسرعة كبيرة، على الاغلب في السنة الاولى لبدء التجربة،

إذ ان النظرية تنطلق من ان هذه الجزيئات تنشأ اكثر عند وجود مايكفي من اصطدامات البروتون بالبروتون الغنية بالطاقة. النظائر الفائقة هي مادة " شبحية"، بمعنى ان جميع وحدات البناء الذرية، مثلا الكفارك، تملك قوة ناقلة تناظرية كشريك او مايسمى بـ "سكغارك". عل العكس نجد ان جزيئات القوى الناقلة للطاقة مثلا الفوتون، تملك نظير فائق " كشريك"، يسمى فوتينو fotino. بمعنى اخر توجد جزيئات تناظرية لكل الجزيئات العادية. إذا تم العثور على هذه الجزيئات وتمكنا من تحديد وزنهم، يمكن اضافتهم الى الموديل الكوني للتحقق من مدى تطابقهم مع المادة المظلمة

هل الكون عبارة عن غشاء مسطح
إكتشاف الجزيئات الفائقة لن يعني على الاطلاق التحقق من صحة " نظرية الابعاد المتعددة"، التي تقول بوجود عشر ابعاد للكون ولكن سيقدم اثبات ملموس لصحتها .
حيث سيكون توضيح عدم قدرتنا على فهم ابعاد ستة منهم، يفسر بكونها اصغر من اصغر وحدة من وحدات المادة. بمعنى اخر انهم أبعاد للأهتزاز ستة مندمجين ببعضهم في داخل الجزيئات ولذلك لايمكن لنا رؤيتهم.

عام 1998 اصبحت نظرية مختلفة جذرياً اكثر حيوية. تتدعي هذه النظرية وجود ابعاد اضافية كبيرة بلانهاية تماما مثل الكون. حسب نظرة هذه النظرية لعوالم الخيوط الفائقة، فأن الكون عبارة عن غشاء ثلاثي الابعاد، يحوي جميع المجرات. حول الكون يوجد بُعد غير منظور ، لاتستطيع قوى الطاقة الطبيعية الثلاث التعرف عليهم او الدخول فيهم. فقط قوة الجاذبية يمكنها العبور الى هناك من خلال ارسالها لجزيئات نقل الطاقة، والتي يسميها الفيزيائيين: graviton.( أي فقط جسيمات حاملة القوة الجاذبية دونا عن جسيمات القوى الثلاث الأخرى فقط الجاذبية التي تستطيع اختراق أبعاد الكون لخارجه لأن تكوينتها من اوتار غير متعلقة بغشاء الكون المحدود بابعاد الكون )

هذه النظرية تفترض ان البوابة الى الابعاد العليا يمكن ان تصل فتحتها القصوى الى 0,05 ميليمتر. هذا الامر يظهر مثير للشك لكونه يظهر وكأنه من السهل النظر خلالها من خلال التليسكوب. غير انه يجب الانتباه الى ان البوابة مفتوحة فقط للجاذبية وليس للضوء.
بمعنى لا يمكن رؤية ما هو خارج الكون عن طريق الضوء والأمواج الكهرطيسية ولكن فقط عن طريق تحليل ما يدخل الكون من أمواج جاذبية سواء من خارجه أو من العوالم الموازية في داخله التي تشترك مع عالمنا بجسيمات حاملة الطاقة الجاذبية

ان تكون الفتحة بهذا الاتساع يمكن ان يعني انه لاحاجة للوصول الى طاقة بالمستوى الذي انتجه الانفجار العظيم من اجل التأكد من وجود العوالم المتوازية. في الواقع تشير الحسابات النظرية بأن البوابة بين العالمين يمكن فتحها عند مستوى طاقة في إطار قدرة المُسرع LHC. إذا اختفت الطاقة، جزئيا او كليا، بدون تفسير اثناء تجربة اصطدام البروتون بالبروتون، يعني ذلك صحة هذه النسخة من النظرية عن العوالم المتوازية. هذا الامر سيكون فتحا عظيماً.

من المهام الاخرى المأمولة من المُسرع LHC هو القاء الضوء على سؤال فلكي قديم هو اسباب وجود المجرات، ولتوضيح هذا الامر لابد من العودة الى الانفجار العظيم. الثانية الاولى بعد الانفجار العظيم كان الكون الناشئ هو عبارة عن كرة النار المنفجرة نفسها والمتوجهة الى جميع الاتجاهات بسرعة متسارعة، حيث الاشعة الصادرة عن الانفجار تحولت الى مادة وبالعكس. عندما تتحول الاشعة الى مادة تخلق في الظروف الطبيعية مجموعة متساوية من جزيئات المادة ومضاد المادة، ولكن لحظة الانفجار العظيم لابد انه نشأ فائض قليل من جزيئات المادة على جزيئات المادة المضادة ، وإلا فسيكون من المستحيل وجود الكون اليوم. عندما تلتقي جزيئة المادة مع جزيئة المادة المضادة يقضون على بعضهم وتتحولان لطاقة على شكل اشعاع غاما. لو كان الانفجار العظيم قد انتج جزئيات متساوية من المادة والمادة المضادة لقضوا على بعضهم تماما ولما بقي منهم اثر غير اشعة الغاما. وبما ان الكون يتمدد ويبرد فستفقد اشعة غاما طاقتها على خلق جزيئات اخرى. في النتيجة سيكون الكون فارغا ولن تكون هناك اي مجرة على الاطلاق.

الاستنتاج المنطقي ان الانفجار العظيم ترك فائض من المادة. الحسابات النظرية تشير الى انه في الثوان الاولى بعد الانفجار نشأت مليارد جزيئة + جزيئة فائضة لكل مليارد جزيئة ناشئة من المادة المضادة. هذا الامر يمكن ان يوضح اسباب تكون جميع المجرات من المادة وليس من المادة المضادة.

بقاء فائض من المادة سببه ان المادة اكثر استقرار من المادة المضادة. هذا الامر تم اثباته من خلال تجربة جرت عام 1964 في مختبرات الوطنية لبروكهافين في نيويورك. العلماء قاموا بدراسة احد الجزيئات القصيرة العمر وتسمى K-meson, or Kaoner. هذه الجزيئات تتآلف من كفارك (كوارك) وكفارك (كوارك) مضاد. التجربة اظهرت ان كليهما في حالات نادرة يمكن ان يتحولوا الى بعضهم البعض، ولكن المميز ان الكفارك المضاد يتحول الى كفارك بعدد من المرات اكبر مما يفعل الكفارك. بعد بضعة سنوات توصل العالم الروسي Andrej Sakarov الى استنتاج مفاده ان هذا التحول الغير متناظر هو سبب وجود فائض المادة لحظة الانفجار العظيم.

ومع ذلك لازالت هناك مشكلة، الكمية الناشئة عن هذا االلاتناظر لاتكفي لتوضيح الفائض الموجود، من هنا بدأ العلماء بدراسة جزيئات اخرى: B-meson. هنا تظهر ضرورة المُسرع الجديد الذي سيقوم بإنتاج مليون جزيئة من هذا النوع في الثانية. مما يقدم الفرصة لدراستهم.


المادة ظهرت بشكل سائل
المُسرع LHC لن يقوم فقط بتحطيم البروتون ، وانما ومن خلال ان تحطيم ذرات الرصاص سيتمكن الفيزيائيين من فحص تفاصيل الحالة العامة للحظة الثواني الاولى من الانفجار العظيم. مباشرة عند الانفجار نمى الكون الوليد بأقل من نانو من الثانية، من حالة كان فيها اصغر من اصغر مكونات ذرة الى حالة امتدت على مساحة الاف الكيلومترات. في لحظة الانطلاقة العظيمة كانت الحرارة لاتزال بضعة آلاف المليارات من الدرجة، ولاول مرة ظهرت المادة على شكل الكفارك، اليكترون ونيترون في شوربة من gluon, وهي واسطة تقوم بنقل الطاقة الذرية بين جزيئات الكفارك.

تحولات المادة في لحظة الانفجار العظيم
10 -43 sec 10 -32 sec 10 -10 sec 10 -4 sec 100 sec 300000 years

10 -35 m 10 -32 m 10 -18 m 10 -16 m 10 -15 m 10 -10 m
10 19 GeV 10 16 GeV 10 2 GeV 1 GeV 1 Mev 10 eV


بعد عشرة نانو من الثانية برد الانفجار/الكون الى درجة ان gluon تمكنوا من ربط الكفارك بشكل البروتونات والنيرونات ، الذي شكلوا وحدات البناء الاساسية للذرة. منذ ذلك الوقت لم يعد يوجد كفاركات حرة في الكون المرئي. في مجموعة تجارب جرت عام 2000 في نيويورك في Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC, تم اعادة خلق الشوربة الاولى للمرة الاولى منذ الانفجار العظيم. قبل هذه التجارب كان النظريين يعتقدون ان " الشوربة" الاولى كانت عبارة عن غاز، kvark-gluonplasma, ولكن التجارب اثبتت انها كانت سائلة، يمكن وصفها بالهيدروديناميك.


LHCيمزق الروابط الذرية القوية
تماما كما في لحظة الانفجار العظيم تواجدت " الشوربة" kvark-gluonplasma في المُسرع RHIC للحظة فائقة الصغر قبل مرحلة الانتقال الى المادة الطبيعية. نقطة التحول، حسب المحللين، يمكن وصفها بأنها انسيابية من الدرجة الثانية، تماما كما لو المغناطيس فقد مغناطيسيته عند ارتفاع الحرارة وليس من الدرجة الاولى كما يحدث ، مثلا، عند الماء الذي يتحول الى بخار بسبب الغليان. هذا التحليل يتطابق مع الملاحظات الفلكية .

عند الانتقال في مرحلة الدرجة الاولى يمكن ان تنشأ منطقتين صغيرتين ومنفصلتين ، مثلا الفقاعات الهوائية في الماء المغلي. مثل هذه المناطق المفصولة في طفولة نشوء الكون يمكن ان تؤدي الى نشوء مجرات تحكمها ظروف خاصة بين الهيدروجين والهيليوم عما هو الحال في غالبية بقية المجرات، ولكن هذا الامر لايوجد دليل عليه. إكتشاف kvark-gluonplasma لايعني بالضرورة ان نشوءهم جرى حسب الحسابات النظرية مباشرة بعد الانفجار العظيم. على الاغلب ان هذه " الشوربة" قد نشأت لاول مرة عند ظهور الحرارة العالية وبعد ذلك، وعندما بدأ الكون بالتمدد اصبح سائل في مرحلة ماقبل مرحلة الانتقال الحاسمة، حيث تجمع الكفارك (الكوارك) في بروتونات ونيترونات. إذا كان هذا السيناريو سيوجد عندها امل ان يتكرر ذلك في المُسرع LHC. يجب ان نتذكر ان ذلك يعني ان العلماء سينتصرون على اقوى طاقة طبيعية، التي تربط الكفارك مع البروتون والنيترون بمساعدة قوة gluon, وهذا الهدف يقترب من الاستحالة لكون وظيفة gluon مثل الرفاصات الفائقة كلما ازادت قوة الشد على الكفارك (الكوارك) كلما ازداد ترابطهم.

في الطريق الى النظرية عن كل شئ
اصطدام الذرات الثقيلة، مثلا الرصاص، افضل الوسائل لخلق " الشوربة" التي ظهرت بفضل الانفجار العظيم. ذرة الرصاص تحتوي على 82 بروتون و126 نيترون وكل واحد منهم يتألف من 3 كفاركات(كواركات ) . عندما تصطدم ذرتين من الرصاص تنشد روابط gluon بعنف الى حد التوتر.

عندما لاتقوى الروابط على التماسك تنفصل لتظهر كفارك وانتي كفارك اضافة الى gluon الذي يتنقل بينهم في اطار منطقة صغيرة، بما يشبه الشوربة الاولى. هذه الطاقة العالية من ذرة الرصاص هي التي ستعطي العلماء الفرصة لفحص فيما اذا كانت الشوربة الاولى بلازما قبل ان تتحول الى سائل من kvark-gluon.

اذا تمكن العلماء من رؤية الدورة الكاملة بتفاصيلها سيكون لديهم صورة عما حدث في الثانية الاولى للانفجار العظيم، الامر الذي سيعطينا القدرة على فهم اصغر وحدة في المادة والقوى الطبيعية التي تتحكم بها . هذا الامر قد يساعدنا على على فهم القوى التي سببت ظهور الكون.