قوة نووية ضعيفة

التاريخ

اقترح الفيزيائي الإيطالي الأمريكي إنريكو فيرمي عام 1933 النظرية الأولى عن القوة النووية الضعيفة، والمعروفة باسم تآثر فيرمي. حيث أشار فيرمي في نظريته إلى أنّه يُمكن تفسير اضمحلال بيتا على أنّه تفاعل أربع فرميونات مع بعضها البعض مُتضمناً قوة تماس لا نطاق لها.
لكنّ الوصف الأفضل لهذه القوة هو أنها قوة عدم التماس ذات نطاق محدود، وإن كان قصيراً جداً. وحّد شيلدون جلاشو، ومحمد عبد السلام، وستيفن واينبرج عام 1968 القوتين الكهرومغناطيسية والضعيفة وبيّنوا أن هاتين القوتين هما جانبين من قوة واحدة، وهي التي تُسمّى الآن القوة الكهروضعيفة. ولم يؤكد وجود بوزونات دبليو وزد قطعاً حتى عام 1983.

أنواع التآثر

هناك نوعان من القوة النووية الضعيفة: النوع الأول يُدعى تآثر التيار المشحون، وذلك لأنه يحدث بوساطة جسيمات تحمل شحنة كهربائية (بوزونات دبليو الموجبة أو السالبة)، وهو المسؤول عن ظاهرة اضمحلال بيتا. أمّا النوع الثاني فيُدعى تآثر التيار المحايد، وذلك لأنه يحدث بوساطة جسيمات مُتعادلة كهربائياً (بوزونات زد).

نظرية التآثر الكهروضعيف

يصف النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات التآثرين الكهرومغناطيسي والضعيف على أنهما وجهان لقوة واحدة هي قوة التآثر الكهروضعيف، وهي نظرية ظهرت لأول مرة قرابة عام 1968 على يد شيلدون جلاشو، ومحمد عبد السلام، وستيفن واينبرج، وحصل الثلاثة على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1979 تكريماً لعملهم. وتوفر آلية هيغز تفسيراً لوجود البوزونات المقياسية الثلاثة الضخمة (الحاملات الثلاثة للقوة النووية الضعيفة) والفوتون عديم الكتلة في التآثر الكهرومغناطيسي.
وفقاً لهذه النظرية، فإنّه لدى الكون عندما تكون مُستويات الطاقة عاليةً جداً أربع مجالات لبوزونات مقياس عديمة الكتلة، لكن عندما تكون مُستويات الطاقة مُنخفضةً فإنّ التناظر القياسي يُكسر تلقائياً مُتسبباً في إنتاج ثلاثة بوزونات عديمة الكتلة، لكنّ هذه البوزونات تتآثر مع ثلاث مجالات شبيهة بمجال الفوتون (من خلال آلية هيغز) لتحصل على كتلتها. هذه المجالات الثلاثة تُصبح بوزون دبليو الموجب والسالب وبوزون زد في القوة النووية الضعيفة، في حين أنّ المجال الرابع يظلّ عديم الكتلة وهو الفوتون في التآثر الكهرومغناطيسي.
وضعت هذه النظرية عدة تنبؤات، منها التنبؤ بكتلة بوزونات دبليو وزد قبل اكتشافها. وفي 4 يوليو 2012 أعلن فريقا أطلس وسي إم إس في مصادم الهدرونات الكبير بشكلٍ مُستقلٍ الاكتشاف الرسمي لبوزون لم يكن معروفاً مُسبقاً تتراوح كتلته بين 125 - 127 إلكترون فولت/س² ويتوافق سلوكه إلى حد كبير مع بوزون هيغز، لكنهم كانوا بحاجة إلى المزيد من البيانات والتحاليل للتأكد قبل الإعلان عن أنّ هذا البوزون هو بالفعل بوزون هيغز. وفي 14 مارس 2013 تمّ تأكيد وجود بوزون هيغز مبدئياً.

خرق التناظر

اعتُقد لفترة طويلة أنّ قوانين الطبيعة لا تتغير بالانعكاس في مرآة، أي بعكس جميع المحاور المكانية، وهذا ما يُعرف بقانون انحفاظ التكافؤ. أثبت هذا القانون صحته فيما يتعلّق بالجاذبية والتآثر الكهرومغناطيسي والتآثر القوي، لذا افتُرض أن يكون قانوناً كونيّاً. استمر هذا الاعتقاد حتى مُنتصف الخمسينيّات، عندما طرح تشين يانج وتسونج لي فكرة أنّ القوة النووية الضعيفة قد تخرق هذا القانون. وفي عام 1957 اكتشفت تشين شيونغ وو أن القوة النووية الضعيفة تخرق التكافؤ فعلاً، ليحصل بذلك يانج ولي على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1957.
كانت القوة النووية الضعيفة تُفسر عن طريق نظرية فيرمي سابقاً، لكنّ اكتشاف خرق التكافؤ غيّر من هذا المفهوم وبات العلماء بحاجة إلى نهجٍ جديد. وفي عام 1957 جاء روبرت مارشاك وجورج سودرشان، وفي وقت لاحق ريتشارد فاينمان وموري جيلمان بنظرية جديدة للقوة النووية الضعيفة. تحصل القوة النووية الضعيفة وفقاً لهذه النظرية على الجسيمات العسراء (أو الجسيمات المضادة اليمنى)، فبما أنّ انعكاس جسيم أعسر في مرآة هو جسيم أيمن، إذاً فإنّ هذه النظرية نجحت في تفسير خرق التكافؤ. جاءت هذه النظرية قبل اكتشاف العلماء لبوزونات زد، لذا فإنها لم تشمل ما يحدث في تآثر التيار المحايد.
لكنّ النظرية السابقة قالت بانحفاظ الشحنة السويّة (CP). يُمثل الحرف P التكافؤ (التحول من اليسار إلى اليمين)، أمّا الحرف C فيُمثل الشحنة (التحول بين الجسيمات والجسيمات المضادة). تفاجأ الفيزيائيون مُجدداً عام 1964 حينما قدّم جيمس كرونين وفال فيتش أدلةً واضحةً بأنّ اضمحلال الكاون يخرق تناظر الشحنة السويّة، وحازا باكتشافهما هذا على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1980. أظهر ماكوتو كوباياشي وتوشيهيده ماساكاوا عام 1973 أنّ خرق تناظر الشحنة السويّة في القوة النووية الضعيفة يتطلب أكثر من جيلين من الجسيمات، أي أنهما تنبّأا بوجود جيل ثالث من الجسيمات لم يكن معروفاً حينها. وأدى هذا الاكتشاف إلى حصولهما على نصف جائزة نوبل في الفيزياء عام 2008.