كوارك

البداية

قدم العالم الفيزيائي موري جيلمان مقترح نموذج الكوارك بشكل منفصل
إلى جانب جورج سويج سنة 1964. جاء المقترح بعد ظهور صيغة جيلمان الرياضية عن نظام تصنيف الجسيمات المسمى طريق الثمان لفات أو بمصطلح علمي أكثر، تناظر النكهة أس يو 3. وقد قدم ايفال نعمان مشروع مشابه أكثر تطورا بقليل في نفس السنة.
عندما اكتشفت الهادرونات، كان ينظر إليها على أنها مثل البروتونات ونيوترونات البيون، أي جسيمات أولية، لكن تم اكتشاف هادرونات جديدة فأصبحت من الكثرة أشبه بحديقة حيوان الجسيمات، فبعدما كانت عدة هدرونات خلال عقديّ الثلاثينات والأربعينات من القرن العشرين، صارت عدة عشرات في الخمسينات من ذات القرن، وكانت الروابط فيما بينها غير واضحة حتى سنة 1961 عندما افترض كلا من موري جيلمان وجورج سويج بأنهما ليست جسيمات أولية، ولكن بدلا من ذلك كانت تتألف من مزيج من الكواركات وضديدها. يشترك في نموذجهما ثلاث أنواع من الكواركات -كوارك علوي وسفلي وغريب- والتي نسباها إلى خصائص مثل اللف والشحنة الكهربائية. وقد تباينت ردود الفعل للمقترح عند المجتمع الفيزيائي. كان هناك نوع من الخلاف حول ما إذا كان كوارك كيان مادي أو مجرد فكرة تستخدم لشرح مفاهيم لم تفهم بشكل جيد في ذاك الوقت.
وفي أقل من سنة، ظهرت اقتراحات جديدة أضيفت لنموذج جيلمان-سويج. فافترض كل من جيمس بيوركن وشيلدون جلاشو بوجود نكهة لكوارك رابع، وسمي بالساحر. أضيف الاقتراح لأنه يسمح بالحصول على وصف أفضل للتفاعل الضعيف (وهي الآلية التي تسمح بالكواركات بالإضمحلال)، فتساوي عدد كواركات مع عدد من اليبتونات، وهي تحتوي على صيغة الكتلة فتنتج وبشكل صحيح كتل للميزونات.
لم يظهر دليل مباشر على وجود الكواركات حتى تم اكتشافها سنة 1968 في المختبر المسرّع الوطني (بالإنجليزية: SLAC National Accelerator Laboratory). فتجربة النثر غير المرن العميق (بالإنجليزية:  Deep inelastic scattering) أشارت إلى أن بالبروتون بنية داخلية فرعية، وهذا البروتون مكون من نقاط صغيرة شبيهة بالأجسام، مما يعني بأنه ليس جسيم أولي (وهذا يشرح نموذج الكوارك). وأحجم الناس عن التعرف على تلك الأجسام ككواركات، مفضلين تسمية ريتشارد فاينمان لها بالبارتون وكان ذلك في بداية الأمر. أمكن لاحقا تعريف تلك الجسيمات التي لوحظت في المختبر بأنها كواركات علوية وسفلية عندما تم اكتشاف نكهات أخرى معها. ومع هذا فإن البارتون ظل مستخدما كمصطلح جماعي للجسيمات الأساسية للهادرون (الكواركات وضدائدها والغلوونات).
امكن تثبيت ظهور الكواركات الغريبة بطريقة غير مباشرة في المختبر المسرّع الوطني في تجربة النثر غير المرن العميق: فهي لم تكن فقط العنصر الأساسي لنموذج الكواركات الثلاث لجيلمان وسويج، ولكنها أعطت تفسيرا للهادرونات المكتشفة في الأشعة الكونية سنة 1947 وهي كاون (
K
) والبيون (
π
).‏
في سنة 1970 قدم كلا من جون ايليوبولوس وشيلدون جلاشو وماياني ورقة عرضت الكثير من الاستنتاجات في وجود كوارك لم يكتشف بعد ويسمى بالكوارك الساحر. ثم ارتفع عدد الكواركات الافتراضية إلى ستة في سنة 1973، عندما لاحظ كلا من ماكوتو كوباياشي وتوشيهيده ماساكاوا في رصد لتجربة خرق تناظرالشحنة السوية بأنه يمكن تفسيرها إذا كان هناك زوجا إضافيا من الكواركات. وقد سمي هذا الزوج بكوارك قمي وقعري
تم إنتاج الكواركات الساحرة في نفس الوقت بشهر نوفمبر سنة 1974 — إحداهما عن طريق المختبر سالف الذكر على يد بورتون ريختر، والآخر في مختبر "BNL" على يد صموئيل تينج. للكواركات الساحرة المكتشفة حدود مع ضديد الكواركات الساحرة في داخل الميزون. فكلا الطرفين كان له ميزونات محددة برموز مختلفة، J وψ; وبذا فالميزون المشكل أصبحت تسميته بميزون 
J/ψ
. وعندها فقط أقتنع مجتمع الفيزيائيين بصحة نظرية نموذج الكوارك.

تمت ملاحظة الكوارك القعري في سنة 1977 بمختبر فيرميلاب عن طريق فريق بقيادة ليون ليدرمان. وكانت تلك علامة قوية على وجود كوارك القمة: فعدم وجود كوارك القمة يعني بأن الكوارك القعري لن يكون له شريك. لكن لم يتم اكتشاف الكوارك القمي إلا سنة 1995 بواسطة فريق من مختبر فيرميلاب أيضا حيث تبين أن له كتلة كبيرة جدا لم تكن متوقعة من قبل— وهو تقريبا بحجم ذرة الذهب.

التسمية

سمّى جيل مان الكوارك بهذا الاسم بعيد سماعه لصوت البط. وقد استغرق بعض الوقت لصياغة التهجئة الصحيحة للمصطلح الجديد، حتى وجد كلمة كوارك "Quark" في كتاب جيمز جويس المسمى "استيقاظ فينغانز" (1939):
«Three quarks for Muster Mark
Sure he has not got much of a bark

And sure any he has it's all beside the mark.

»، جيمز جويس، استيقاظ فينغانز
وقد أسهب جيلمان بتفاصيل أكثر عن مصطلح الكوارك في كتابه، "الكوارك واليغور" (بالإنجليزية: The Quark and the Jaguar). أما سويج فقد فضل كلمة "ace-الآس" كمصطلح للجسيم الذي افترضه، لكن مصطلح جيلمان أخذ حظه من الشهرة بمجرد ماتم القبول بنموذج الكوارك.
أما في اللغة العربية, فيُدعى الكوارك الرِّكِّين وهي من كلمة رُكن كناية عن كونه أحد الجسيمات البانية الذي يرتكن إليها بناء الجسيمات الأكبر منه كالأُويّل, وتجمع على رِكِّينات.
للرِّكينات ست نكهات. تتعدد أسباب تسمية نكهاتها بمسمياتها الحالية، فمصطلح ركّين علوي وسفلي كان بسبب عناصر حمل اللف النظائري العلوية والسفلية، والركّين الغريب فقد أعطي اسمه بسبب أنه قد تم اكتشافه ليكون من عناصر الجسيمات الغريبة المكتشفة في الأشعة الكونية قبل ظهور نموذج الرِّكينات بسنوات؛ فقد اعتبرت تلك الجسيمات «غريبة» لأن عمرها غير عادي وطويل جدا. أما الركّين الفاتن فقد جائت تسميته بعدما اقتبس العالم جلاشو -وهو الذي افترض وجود هذا الركّين بالتعاون مع بيوركن- قائلا: "سوف نعطي منظومتنا لقب 'ركّين فاتن' لأننا مفتونون ومعجبون من التناظر الذي جيئ به من عالم دون الذرة"." أما القمي والقعري فقد تم اختيار أسمائهم لأنهم "منطقيا شركاء للكواركات العلوية والسفلية" وقد كانت مسمياتهم بالسابق هي "الحقيقة" (بالإنجليزية: Truth) و"الجمال"' (بالإنجليزية: Beauty) على التوالي، ولكن تم إلغائها من معجم المصطلحات الفيزيائية المستخدمة عند اختيار المسميات الجديدة.

التصنيف

يعتبر النموذج القياسي الإطار النظري الذي يعطي وصفا لجميع الجسيمات الأولية المعروفة حاليا، فضلا عن بوزونات هيغز. المخفية فهذا النموذج يحتوي على ست نكهات من الكواركات ورمزها: (
q
)، وهي الكوارك العلوي (
u
)، والسفلي (
d
)، والفاتن (
c
)، والغريب (
s
)، والقمي (
t
)، وأخيرا القعري (
b
). تسمى الأجسام المضادة للكواركات بضديد الكوارك ويرمز لها بخط فوق رمز الكوارك المطابق، مثل 
u
 لضديد الكوارك العلوي. وكما هو حال المادة المضادة بشكلها العام، فإن ضديد الكوارك له نفس الكتلة، ومتوسط العمر واللف الذي يوجد بالكوارك، ولكنه معاكس بالشحنة الكهربائية والشحنات الأخرى.
الكوارك هو جسيم ذو دوران مغزلي -¹⁄₂، مما يعني ضمنا أنه فرميون حسب مبرهنة إحصاء اللف. وتلك تكون خاضعة لمبدأ استبعاد باولي، والتي تقول بأنه لايمكن لأكثر من فرميون أن يحتل حيزا في نفس الحالة الكمومية. وهو على النقيض من بوزونات (وهي جسيمات لها عدد صحيح باللف)، التي يمكن أن يكون أي كمية منها في نفس الحالة. وخلافا للبتونات، فالكواركات تستحوذ على الشحنة اللونية، التي تجعلها تنخرط في التفاعل القوي. فبسبب التجاذب بين الكواركات المختلفة، تتشكل جسيمات مركبة تسمى بالهادرونات.
يحدد الكوارك الأرقام الكمية للهادرونات وتسمى بتلك الحالة كوارك مكافئ؛ وبصرف النظر عن هذا، فإن الهادرون قد يحتوي على عدد غير محدد من الكواركات الافتراضية (أو بحر) وضديدها الغلوونات التي لاتؤثر على أرقامها الكمية. وهناك عائلتين من الهادرونات؛ الباريونات وبها ثلاث كواركات مكافئة، والميزونات وبها كوارك مكافئ مع ضديد الكوارك. وأشهر الباريونات قاطبة البروتون والنيوترون، وهما أعمدة الأساس لنواة الذرة. معظم الهادرونات معروفة، وأغلبها متباينة بما تحتوي من الكوارك والخصائص التي تضفيها كواركاتها الأساسية. أما وجود هادرونات شاذة مع مزيد من كواركات مكافئة، مثل التترا كواركات (
q
q
q
q
) والبنتا كواركات (
q
q
q
q
q
) فقد تم تخمينه، ولم يتم اثبات وجوده حتى اليوم.
تنقسم الفرميونات الأولية إلى ثلاث أجيال فيزيائية، يحتوي كل جيل منها على اثنين من اللبتونات واثنين من الكواركات. والجيل الأول يحتوي على كواركات علوية وسفلية، والثاني يضم الكوارك الساحر والغريب، أما الجيل الثالث فيحتوي على الكوارك القمي والقعري. وقد فشلت جميع المحاولات والأبحاث لإيجاد جيل رابع من الكواركات أو فرميونات أولية، وقد كانت هناك علامات غير مباشرة ولكن قوية للإيحاء بعدم وجود أكثر من ثلاث أجيال. تكون الأجيال الأعلى من الكواركات أكير كتلة وأقل ثباتا، مسببة بتحلل الكوارك إلى جسيمات الجيل الأدنى عن طريق تفاعلات ضعيفة. أما الذي يحدث بشكل عام في الطبيعة هو الجيل الأول (العلوي والسفلي). فالكواركات الثقيلة لا تنشأ إلا في تصادمات عالية الطاقة (مثل تلك المرتبطة بالأشعة الكونية)، ثم تضمحل بسرعة؛ مع ذلك فهناك اعتقاد سائد بأنها كانت موجودة بالجزء الأول من الثانية الأولى بعد حدوث الانفجار العظيم، عندما كان الكون في حالة حرارة وكثافة قصوى (ويسمى بعصر الكوارك). لذا فدراسة الكواركات الثقيلة تجري دائمًا في ظروف صناعية، مثل معجلات الجسيمات
بما أن للكواركات شحنة كهربائية وشحنة لونية وكتلة ونكهة، لذا فهي الجسيمات الأولية الوحيدة المعروفة التي تتشارك في القوى الأساسية الأربع في الفيزياء المعاصرة: الكهرومغناطيسية، الثقالة أو الجاذبية، القوة النووية القوية، ثم القوة النووية الضعيفة. وعلى الرغم من ذلك، فالجاذبية عادة لا علاقة لها مع المستويات دون الذرية، وليس لها وصف بالنموذج القياسي.

الشحنة الكهربائية

قيم الشحنة الكهربائية الكسرية للكوارك تكون إما −¹⁄₃ أو +²⁄₃ من قيمة الشحنة الأولية حسب النكهة. فالكواركات العلوية والساحرة وكواركات القمة (تعتبر كمجموعة كواركات العلوية) لها شحنة +²⁄₃، بينما الكواركات السفلية والغريبة والقعريّة (كواركات المجموعة السفلية) لها −¹⁄₃. ضديد الكوارك لها الشحنة المعاكسة للكوارك المطابق لها؛ بمعنى شحنة ضديد كواركات المجموعة العلوية هي −²⁄₃، وشحنة ضديد كواركات المجموعة السفلية تكون +¹⁄₃. بما أن الشحنة الكهربائية للهادرون هي مجموع شحنات الكواركات الأساسية، فعليه تكون شحنة الهادرونات عددا صحيحا: فشحنة تمازج ثلاث كواركات (باريون)، وثلاث ضديد كواركات (ضديد باريون)، أو كوارك وضديد كوارك (ميزون) تكون نتيجتها دائمًا عدد صحيح. فعلى سبيل المثال، الهادرون عنصر أساسي في نواة الذرة، شحنة النيوترونات والبروتونات تكون 0 و+1 بالترتيب؛ يتكون النيوترون من كواركين سفليين وكوارك علوي واحد، والبروتون يحتوي كواركين علويين وكوارك سفلي واحد.

لف مغزلي

اللف المغزلي هي خاصية جوهرية للجسيمات الأولية، واتجاهها هو درجة الحرية المهمة. وتُصور أحيانا كدوران الجسم حول محوره، وهذا المفهوم مضلل نوعا ما في جداول تحت الذرية لأنه يعتقد بأن الجسيم الأولي هو جسيم نقطي نوعا ما.
يمثل اللف المغزلي بواسطة متجه ويقاس طوله بوحدة خفض ثابت بلانك ħ (تنطق خط هاء "h bar"). في الكوراكات قياس متجه عنصر اللف المغزلي حول أي محور لا يسفر إلا على القيم التالية +ħ/2 or −ħ/2; لهذا السبب فالكواركات تصنف كجسيمات لف مغزلي-¹⁄₂‏. يرمز لعنصر اللف المغزلي حول محور معين -ويعرف بالمحور السيني- برمز سهم علوي ↑ للقيمة +¹⁄₂ وسهم سفلي ↓ للقيمة −¹⁄₂، ويوضع بعد شارة النكهة. فعلى سبيل المثال، يرمز لكوارك علوي بلف +¹⁄₂ حول المحور السيني بالرمز u↑‏.

التآثر القوي والشحنة اللونية

يمتلك الكوارك خاصية تسمى الشحنة اللونية. وتتكون تلك الشحنة من ثلاث أنواع، سميت عشوائيا بالأزرق والأخضر والأحمر. لكل نوع من تلك الأنواع مكمل من ضديد اللون - ضديد الأزرق، ضديد الأخضر، وضديد الأحمر. فإذا كان الكوارك يحمل لونا ما، فإن ضديد الكوارك يحمل ضديد اللون.
يعبأ نظام التجاذب والتنافر فيما بين الكواركات بتركيبات مختلفة من الألوان الثلاثة ويسمى التفاعل القوي، وهو يتوسط قوة تحمل الجسيمات وتسمى بالغلوونات. فالنظرية التي تشرح التفاعلات القوية هي ديناميكا لونية كمومية (بالإنجليزية: QCD) اختصارا. يشحن الكوارك بقيمة لونية واحدة يمكن أن تشكل نظام حاجز مع الكوارك المضاد له الحامل لضديد اللون المطابق؛ ثلاث من مضاد الكواركات كل منها له ضديد اللون، سيكون لها نظام حاجز مماثل. فعند جذب كواركين يكون الحاصل هو لون محايد: فمثلا كوارك له شحنة لون ξ مع ضديد كوارك له شحنة لون -ξ فالناتج هو شحنة لونية 0 (أو اللون الأبيض) فيتشكل الميزون بالتالي. فالمماثل لنموذج اللون الجمعي في علم البصريات، هو الجمع لكواركات ثلاث أو ضديد الكواركات كل منهم له شحنة لون مختلفة، ليكون الحاصل هو نفس شحنة اللون الأبيض مع تشكيل للباريون أو ضديد الباريون.
في فيزياء الجسيمات الحديثة، فإن التناظر القياسي -هو أحد أنواع مجموعة التناظر- يصل ما بين تفاعلات الجسيمات. شحنة اللون (3)‏SU وهو تناظر قياسي يربط ما بين شحنة اللون في الكوارك والتناظر الظاهر في ديناميكا لونية كمومية. كما أن قوانين الطبيعة تكون مستقلة عن الاتجاهات التي يتم تحديدها في فضاء س، ص، ع، ولا تتغير إذا استدارت محاور التنسيق إلى وجهة أخرى، ففيزياء ديناميكا لونية كمومية مستقلة عن اتجاه فضاء اللون ثلاثي الأبعاد والمعرف بالأحمر والأزرق والأخضر. يتطابق تحول اللون c‏(3)‏SU مع دوران في فضاء اللون (والتي تسمى رياضياتيا بالفضاء المركب (بالإنجليزية: complex space). لكل نكهة كوارك f مطابق فرعي لألوان الكوارك fB، fG، fR‏، تشكيل ثلاثي: ثلاثة عناصر مجال كمي والتي تتحول تحت تمثيل c‏(3)‏SU الأساسي. فالشرط ليكون c‏(3)‏SU موضعي— أي؛ أن تسمح تحولاتها بالتغير حسب المساحة والزمن— يحدد خصائص التفاعل القوي، لا سيما في وجود ألوان غلوون الثمانية بصفتها حوامل القوة.

الكتلة

يستخدم مصطلحين للإشارة إلى كتلة الكوارك: كتلة كوارك جاري وتشير إلى كتلة الكوارك ذاته، وكتلة كوارك أساسي وتشير إلى كتلة الكوارك مع كتلة مجال جسيم الغلوون المحيط بالكوارك. وعادة ما يكون الاختلاف في قيم تلك الكتل كبيرا. فمعظم كتل الهادرونات تأتي من الغلوونات التي تربط الكواركات الأساسية ببعضها البعض، بدلا من الكواركات نفسها. وبما أن الغلوونات بطبيعتها تكون عديمة الكتلة، إلا أنها تمتلك طاقة أكبر—بشكل أدق طاقة ربط ديناميكا لونية كمومية (QCBE)—وهذا الذي يساهم إلى حد كبير في الكتلة الكلية للهادرون. فعلى سبيل المثال، كتلة البروتون تساوي 938 MeV/c²، من كتلة المتبقية حيث تسهم الكواركات الثلاث المكافئة بحوالي 11 MeV/c² فقط؛ ويمكن أن يعزى الكثير من الكمية المتبقية إلى طاقة ربط الغلوونات QCBE‏.
يفيد النموذج القياسي بأن كتلة الجسيمات الأولية تستمد من آلية هيغز، ذات الصلة ببوزون هيغز الافتراضي. ويأمل الفيزيائيون بأن مزيدا من الأبحاث عن أسباب ضخامة كتلة كوارك القمة، والتي وجد أنها تعادل نواة الذهب (~171 GeV/c²)‏، قد تكشف عن مزيد من المعلومات عن نشأة كتل الكواركات وغيرها من الجسيمات الأولية.

كواركات متفاعلة

كما في وصف الديناميكا اللونية الكمومية، فإن التآثر القوي يتوسط الكواركات بواسطة الغلوونات، وبوزونات قياسية ناقلة عديمة الوزن. كل غلوون يحمل شحنة لونية واحدة وشحنة ضديد اللون. ففي إطار العمل المقياسي لتفاعلات الجسيمات (وهو جزء من صياغة عامة تعرف بنظرية الاضطراب) فإن الغلوونات تنتقل باستمرار ما بين الكواركات خلال عملية انبعاث وامتصاص افتراضية. فعندما يتحول الغلوون ما بين الكواركات، فإنه يحدث تغير باللون في كلا الطرفين، فعلى سبيل المثال: عندما يبعث الكوارك الأحمر غلوون أحمر-ضديد أخضر، فإنه سيصبح أخضر، وأيضا عندما يمتص الكوارك الأخضر غلوون أحمر-ضديد أخضر، فإنه سيصبح كوارك أحمر. لذا بما أن كل لون كوارك يتغير بسرعة فإن التآثر القوي في ما بينهم لا يتأثر.
وحيث أن الغلوونات تحمل شحنة لونية، فإن لها القدرة على بعث أو امتصاص الغلوونات الأخرى. وتسبب تلك ما يسمى بالحرية المتقاربة (بالإنجليزية: Asymptotic freedom): وبما أن الكواركات تتقارب جدا من بعضها البعض فإن ذلك يضعف من قوة الربط للديناميكا اللونية بينها، والعكس صحيح، فكلما تباعدت الكواركات عن بعضها فإن قوة الربط تزداد. فالمجال اللوني سيتعرض للإجهاد، اشبه بشريط مطاطي عند سحبه، فلتقوية هذا المجال ينشأ تلقائيا كمية غلوونات أكثر للألوان الملائمة. ويحدث إنتاج زوج كوارك وضديدها عند بداية حاجز الطاقة. فيتم فصل أزواج كواركات عن بعضها البعض متسببة بتشكيل هادرونات جديدة. وتعرف هذه الظاهرة باسم حجز اللون: فلا يمكن ظهور الكواركات بشكل منفرد. تكون عملية تشكيل الهادرونات، التي تحدث قبل تشكيل الكواركات عند حالات الاصطدام عالية الطاقة، تكون قادرة على التفاعل بأي طريقة أخرى، ولكن يستثنى منها كوارك القمة، الذي يتحلل قبل أن يتهادرن.

بحر الكواركات

تحتوي الهادرونات التي تساهم مع الكوارك المكافئ (
q
ᵥ) في أعداد الكم على أزواج كوارك-ضديد كوارك افتراضية (
q
q
) معروفة باسم "بحر الكواركات" (
q
ₛ). ويتشكل بحر الكواركات من تصدع غلوونات مجال لون الهادرونات؛ ويمكن أن تتفاعل تلك العملية أيضا في الاتجاه المعاكس حيث أن إفناء اثنين من بحار الكواركات ينتج غلوون. فتكون النتيجة هي التدفق المستمر للغلوونات المجزأة المكونة لهذا "البحر". يقل استقرار تلك البحار بكثير عن نظرائها المكافئة، وهي تفني بعضها البعض ضمن الأجزاء الداخلية للهادرون. لكن على الرغم من ذلك بإمكان بحر الكوارك أن تتهادرن إلى جزيئات باريونية أو ميزونية في ظروف معينة.