سميت الغلوونات بشكل مناسب لأنها “الصمغ” الذي يربط الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات.
هم حاملي القوة الجبارة ، أحد الأربعة نقاط القوة الأساسية. الجسيمات الحاملة للقوة مثل الغلوون ، وكذلك الفوتون للقوة الكهرومغناطيسية ، و W و Z البوزونات بالنسبة للقوة الضعيفة ، فإن جميع الجسيمات عديمة الكتلة مع دوران كمي قدره 1 ويطلق عليها مجتمعة اسم “البوزونات المقيسة”.
و اثنين أو ثلاثة كواركات. على سبيل المثال، البروتونات و النيوترونات، التي تشكل النوى الذرية ، هي هادرونات ، وبالتالي فهي موجودة بسبب الكواركات والغلوونات. على الرغم من ارتباطها بالغلوونات ، إلا أن الكواركات تختلف في أن دورانها الكمي هو 1/2 ولها كتلة ، على الرغم من ذلك صغير جدا (على سبيل المثال ، للكوارك “الأعلى” كتلة تساوي 2.01 MeV ، والكوارك “down” أثقل قليلاً بكتلة 4.79 MeV ، أي خمس ونصف كتلة الكواركات والغلوونات على التوالي. الشائع هو أنه لا يمكن أن توجد كجسيمات حرة ولا توجد بدون الأخرى.
متعلق ب: 10 أشياء محيرة للعقل يجب أن تعرفها عن فيزياء الكم
برهان غلوون
على الرغم من أن الفيزيائيين لا يستطيعون رؤية الغلوونات الفردية ، فإننا نعلم أنها موجودة من خلال أدلة ظرفية لا يمكن تفسيرها إلا من خلال وجود الغلوونات.
تم اكتشاف الغلوونات لأول مرة في عام 1979 ، في تجربة في مسرع الحلقة الترادفية الإلكترون-بوزترون (PETRA) (يفتح في علامة تبويب جديدة) ل السنكروترون الإلكتروني الألماني (DESY) مختبر في ألمانيا. PETRA عبارة عن حلقة بطول 2.3 كيلومتر ، تشبه إلى حد ما نسخة مصغرة من مصادم هادرون كبير إلا أن PETRA تسرع اللبتونات على وجه الخصوص الإلكترونات والبوزيترونات نظائرها من المادة المضادة ، بدلاً من البروتونات والنوى الذرية.
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
عندما تلتقي المادة والمادة المضادة ، فإنها تبيد. في حالة سحق الإلكترونات إلى بوزيترونات ، يفني الزوج ويطلق كوارك وكوارك مضاد. يتعذر على الكواركات الهروب – فكلما حاولت الابتعاد عن بعضها ، أصبحت القوة القوية بينهما أقوى (على الأقل حتى نقطة ما ، حوالي 10 ^ –15 م ، أو مقياس فيمتومتر) ، الطاقة المخزنة الزائدة التي تسمح يتحلل زوج الكوارك والكوارك المضاد إلى جسيمات هادرونيك تتشكل في منطقة مخروطية على طول اتجاهات انتقال الكوارك الأصلي والكوارك المضاد. تسمى هذه المنطقة المخروطية من جسيمات الهادرونيك طائرة نفاثةوسيؤدي إبادة إلكترون-بوزيترون بسيطة إلى إنتاج نفاثتين متعارضتين تتوافقان مع الكوارك والكوارك المضاد.
ومع ذلك ، إذا كانت الغلوونات حقيقية ، فيجب أن ينتج عن إبادة الإلكترون والبوزيترون أيضًا غلوون بجوار زوج الكوارك والكوارك المضاد ، ويجب أن يتحول هذا الغلوون أيضًا إلى نفاثة ثالثة. Pour conserver l’impulsion, le gluon emporterait une partie de l’impulsion de l’un des quarks, changeant la direction de son jet de sorte que les jets hadronisés des quarks ne soient plus directement opposés, tandis que le jet dérivé du gluon serait من جهة. هذا ما لوحظ في تجربة PETRA ، وفي التجارب اللاحقة أيضًا ، مما يؤكد وجود الغلوون.
أجاب أحد الخبراء على الأسئلة الشائعة حول Gluon
سألنا ماركوس ديلو خبير في الديناميكا اللونية الكمومية في DESY Theory Group بعض الأسئلة المتداولة حول الغلوونات.
ماركوس ديل
ماركوس ديل هو خبير في الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) ، وهي النظرية التي تغطي تفاعلات الكواركات والغلونات (القوة القوية).
كيف نعرف أن الغلوونات موجودة؟
يتم شرح العديد من القياسات الدقيقة بشكل صحيح من خلال نظريتنا عن الكواركات والغلوونات. من مظاهر الغلوونات المباشرة إلى حد ما – والأول تاريخيًا – إنتاج ثلاث بخاخات جسيمات متميزة في تصادمات الإلكترون والبوزيترون. تمت ملاحظة هذه الأحداث مع ثلاث طائرات هادرونيك ، كما نسميها ، لأول مرة في مصادم DESY’s PETRA في عام 1979.
لماذا الغلوونات مهمة؟
الغلونات مسؤولة عن ربط الكواركات ببعضها البعض ، وبالتالي عن تكوين – والعديد من الخصائص – للبروتونات والنيوترونات ، وهي اللبنات الأساسية للنواة الذرية.
هل يمكن فصل الغلوونات والكواركات؟
على حد علمنا ، لا يمكن ملاحظة الكواركات والغلوونات كجسيمات حرة ، لكنها تؤدي إلى نشوء نفاثات هادرونيك. من خلال النظر عن كثب في توزيعات الجسيمات في طائرة نفاثة ، يمكن للمرء في الواقع تحديد ما إذا كان مصدره على الأرجح غلوون أو كوارك.
شحنة اللون والديناميكا اللونية الكمومية
تسمى نظرية الكم التي تحكم فيزياء القوة الشديدة التي تحملها الغلوونات لربط الكواركات الديناميكا اللونية الكمومية (يفتح في علامة تبويب جديدة)، أو QCD. تم تسميته من قبل فيزيائي الجسيمات الشهير الحائز على جائزة نوبل موراي جيل مان (يفتح في علامة تبويب جديدة)تدور QCD حول وجود خاصية من الكواركات والغلونات تسمى “شحنة اللون” ، كما وصفها فيزيائيو جامعة ولاية جورجيا (يفتح في علامة تبويب جديدة). إنه ليس لونًا حقيقيًا ولا شحنة كهربائية حقيقية (الغلوونات محايدة كهربائيًا) – سميت بهذا الاسم لأنها تشبه الشحنة الكهربائية من حيث أنها مصدر تفاعلات القوة القوية بين الكواركات والغلوونات ، تمامًا كما أن الشحنة هي مصدر التفاعل في القوة الكهرومغناطيسية ، بينما الألوان هي مجرد طريقة عشوائية ، وإن كانت شاذة ، للتمييز بين الكواركات المختلفة والتفاعلات التي لديها مع القوة القوية عبر الغلوونات.
يمكن أن يكون للكواركات شحنة لونية تسمى الأحمر أو الأخضر أو الأزرق ، وهناك إصدارات موجبة وسالبة (مضادة) لكل منها. الكواركات قادرة على تغيير اللون في تفاعلاتها ، وتحتفظ الغلوونات بشحنة اللون. على سبيل المثال ، إذا تحول الكوارك الأخضر إلى كوارك أزرق ، فيجب أن يكون الغلوون قادرًا على حمل شحنة اللون الأخضر والأزرق. مع الأخذ في الاعتبار جميع التركيبات المختلفة للألوان والألوان المضادة يعني أنه يجب أن يكون هناك 8 غلوونات مختلفة في المجموع ، كما وصفها جون بايز (يفتح في علامة تبويب جديدة). قارن هذا بالقوة الكهرومغناطيسية ، التي تعمل وفقًا لنظرية الديناميكا الكهربية الكمومية (QED) حيث توجد شحنتان محتملتان فقط ، موجبة أو سالبة. QCD أكثر تعقيدًا بكثير من QED!
بلازما كوارك-غلوون
ليس صحيحًا تمامًا أنه لا يمكن فصل الغلوونات والكواركات ، لكن هذا يتطلب ظروفًا شديدة التطرف لم تكن موجودة في الطبيعة منذ الكسور الصغيرة الأولى من الثانية بعد الانفجار العظيم.
بعد بضعة تريليون من الثانية بعد الانفجار العظيم ، كانت درجة حرارة الكون الصغير لا تزال هائلة عند ألف تريليون درجة. خلال هذا الوقتحتى قبل تكوين الهادرونات ، كان الكون الناشئ مليئًا بحساء من الكواركات الحرة والغلوونات المعروفة باسم بلازما كوارك-غلوون (بالإضافة إلى اللبتونات مثل النيوترينوات والإلكترونات). لان الكون كان الجو حارًا جدًا لدرجة أن الكواركات والغلوونات دارت بشكل غير مرتبط بسرعة الضوء ، وارتدت بعضها البعض مع الكثير من الطاقة حتى بالنسبة للقوة الهائلة التي تربطها ببعضها البعض.
برد الكون بسرعة كبيرة أثناء تمدده ، وبحلول المليون الأول من الثانية انخفضت درجة الحرارة بدرجة كافية 2 تريليون درجة (يفتح في علامة تبويب جديدة)للسماح للقوة الشديدة بربط الكواركات والغلونات معًا لتشكيل الهادرونات الأولى.
من الممكن تكرار بلازما الكوارك-غلوون البدائية في تجارب مع مسرعات الجسيمات ، مثل تلك الموجودة في CERN أو مصادم الأيونات الثقيل النسبي في مختبر بروكهافن الوطني (يفتح في علامة تبويب جديدة).
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
تتصادم النوى الذرية للعناصر الثقيلة مثل الذهب أو الرصاص تقريبًا عند سرعة الضوءمما أدى إلى كرة نارية مصغرة تكون ، للحظة وجيزة ، ساخنة بدرجة كافية لإذابة الهادرونات في بلازما كوارك-غلوون.
على الفور تقريبًا ، تبرد كرة النار وتتحد الكواركات والغلوونات لتشكيل نفاثات هادرون ، بما في ذلك ميزونات ثنائية الكوارك وثلاثة كوارك باريونات. بلازما كوارك-غلوون كثيفة للغاية ، وغالبًا ما تكافح نفاثات الهادرون لتمرير وفقدان الطاقة. يسمي الفيزيائيون هذا “التبريد” كما وصفه الفيزيائيون في CERN (يفتح في علامة تبويب جديدة)، ومقدار الانقراض ، وكذلك التوزيع العام للطاقة والطاقة ، يمكن أن توفر معلومات ممتازة حول خصائص بلازما كوارك-غلوون. على سبيل المثال ، تعلم الفيزيائيون أنه يتصرف مثل سائل مثالي يتدفق بدون لزوجة ، وليس مثل غاز. من خلال تعلم مثل هذه الخصائص ، فإن إعادة تكوين بلازما الكوارك-غلوون في مسرعات الجسيمات يمكن أن يمنح العلماء نافذة في الوقت المناسب إلى ولادة الكون والنتائج المباشرة للانفجار العظيم عندما ظهرت المادة لأول مرة.
مصادر إضافية
اقرأ قصة اكتشاف الغلوونات في عام 1979 ، التي رواها الفيزيائيان DESY إلكا فليجيل وبول سودنج في بريد CERN (يفتح في علامة تبويب جديدة). اكتشاف ذلك تاريخ QCD (يفتح في علامة تبويب جديدة)كما روى أحد روادها ، هارالد فريتزش. استكشف الكواركات والغلونات بمزيد من التفاصيل باستخدام هذه الموارد من وزارة الطاقة (يفتح في علامة تبويب جديدة). اكتشف الغلوون وسافر عبر الزمن إلى السبعينيات مع هذا مقالة بواسطة DESY (يفتح في علامة تبويب جديدة).
تابع كيث كوبر على تويتر @ 21stCenturySETI. تابعنا على تويتر تضمين التغريدة (يفتح في علامة تبويب جديدة) و على الفيسبوك (يفتح في علامة تبويب جديدة).
فهرس
فيزياء الجسيمات ، بقلم بريان آر مارتن (2011 ، منشورات ون وورلد)
أصول الكون: الخلفية الكونية الميكروية والبحث عن الجاذبية الكمية ، بقلم كيث كوبر (2020 ، Icon Books)