11: فيزياء الجسيمات وعلم الكونيات
- Page ID
- 196429
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
في بداية هذا النص، ناقشنا النطاق الواسع من المقاييس التي تشملها الفيزياء، من أصغر الجسيمات إلى أكبر نطاق ممكن - الكون نفسه. في هذا الفصل الأخير، ندرس بعض حدود البحث في هذه المقاييس المتطرفة. تتعامل فيزياء الجسيمات مع اللبنات الأساسية للمادة والقوى التي تجمعها معًا. علم الكونيات هو دراسة النجوم والمجرات والهياكل المجرية التي تسكن عالمنا، بالإضافة إلى تاريخها الماضي وتطورها المستقبلي.
- 11.1: مقدمة لفيزياء الجسيمات وعلم الكونيات
- تتطلب دراسة الجسيمات الأولية طاقات هائلة لإنتاج جزيئات معزولة، تشمل بعضًا من أكبر الآلات التي بناها البشر على الإطلاق. لكن مثل هذه الطاقات العالية كانت موجودة في المراحل الأولى من الكون والكون الذي نراه من حولنا اليوم قد تشكل جزئيًا من خلال طبيعة وتفاعلات الجسيمات الأولية التي تم إنشاؤها في ذلك الوقت. ضع في اعتبارك أن فيزياء الجسيمات وعلم الكونيات هما مجالان للبحث الحالي المكثف، ويخضعان للكثير من التكهنات.
- 11.2: مقدمة في فيزياء الجسيمات
- القوى الأساسية الأربعة للطبيعة هي، بترتيب القوة: القوة النووية القوية، والكهرومغناطيسية، والقوة النووية الضعيفة، وقوة الجاذبية. تتفاعل الكواركات عبر القوة القوية، لكن الليبتونات لا تفعل ذلك. يتفاعل كل من الكوارك والليبتونات عبر القوى الكهرومغناطيسية والضعيفة والجذبية. يتم تصنيف الجسيمات الأولية إلى فرميونات وبوزون. تحتوي الفرميونات على دوران نصف متكامل وتخضع لمبدأ الاستبعاد. تتمتع البوزونات بدوران متكامل ولا تخضع لهذا المبدأ.
- 11.3: قوانين الحفاظ على الجسيمات
- تخضع التفاعلات الأولية للجسيمات لقوانين الحفاظ على الجسيمات، والتي يمكن استخدامها لتحديد تفاعلات الجسيمات والتحلل الممكنة (أو المحظورة). يعتبر قانون الحفاظ على رقم الباريون وقانون المحادثة بأرقام الليبتون الثلاثة صالحين لجميع العمليات الفيزيائية. ومع ذلك، فإن الحفاظ على الغرابة صالح فقط للتفاعلات النووية القوية والتفاعلات الكهرومغناطيسية.
- 11.4: الكواركات
- توجد ستة كواركات معروفة: أعلى (ش)، أسفل (د)، سحر (ج)، غريب (غريب)، أعلى (ر)، وأسفل (ب). هذه الجسيمات عبارة عن فرميونات ذات دوران نصف متكامل وشحنة كسرية. تتكون الباريونات من ثلاثة كواركات، وتتكون الميسونات من زوج من الكواركات والكواركات العتيقة. بسبب القوة القوية، لا يمكن أن توجد الكواركات في عزلة. تم العثور على أدلة الكواركات في تجارب التشتت.
- 11.5: مسرعات الجسيمات والكاشفات
- تم تطوير العديد من أنواع مسرعات الجسيمات لدراسة الجسيمات وتفاعلاتها. وتشمل هذه المسرعات الخطية والسيكلوترونات والسنكروترونات والحزم المتصادمة. تُستخدم آلات الشعاع المتصادم لإنشاء جزيئات ضخمة تتحلل بسرعة إلى جزيئات أخف. تُستخدم أجهزة الكشف متعددة الأغراض لتصميم جميع جوانب التصادمات عالية الطاقة. وتشمل هذه أجهزة الكشف لقياس زخم وطاقة الجسيمات المشحونة والفوتونات.
- 11.6: النموذج القياسي
- يصف النموذج القياسي التفاعلات بين الجسيمات من خلال القوى النووية القوية والكهرومغناطيسية والقوى النووية الضعيفة. يتم تمثيل تفاعلات الجسيمات بمخططات Feynman. يمثل مخطط فاينمان التفاعلات بين الجسيمات على الرسم البياني للزمكان. تعمل القوى الكهرومغناطيسية على مدى طويل، لكن القوى القوية والضعيفة تعمل على مدى قصير. تنتقل هذه القوى بين الجسيمات عن طريق إرسال واستقبال البوزونات.
- 11.7: الانفجار الكبير
- يتمدد الكون مثل البالون - كل نقطة تنحسر من كل نقطة أخرى. تبتعد المجرات البعيدة عنا بسرعة تتناسب مع المسافة. يتم قياس هذا المعدل ليكون حوالي 70 كم/ساعة لكل مليون متر مكعب. وهكذا، كلما ابتعدت المجرات عنا، زادت سرعاتها. يمكن قياس هذه «السرعات الراكدة» باستخدام تحول دوبلر للضوء. وفقًا للنماذج الكونية الحالية، بدأ الكون بالانفجار الكبير منذ حوالي 13.7 مليار سنة.
- 11.8: تطور الكون المبكر
- كان الكون المبكر حارًا وكثيفًا. الكون متناسق ويتوسع. إشعاع الخلفية الكونية هو دليل على الانفجار العظيم. الجزء الأكبر من كتلة وطاقة الكون غير مفهوم جيدًا.
الصورة المصغّرة: يتكون البروتون من كواركين صعوديين وكوارك سفلي وغلوونات تتوسط القوى التي «تربطهم» معًا. يعد تخصيص ألوان الكواركات الفردية أمرًا تعسفيًا، ولكن يجب أن تكون الألوان الثلاثة موجودة. تم استخدام الصورة بإذن (CC BY-SA 2.5؛ أرباد هورفاث).