هادرون

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
الهادرون هو جسيم دون ذري مركب . يجب أن يندرج كل هادرون ضمن إحدى الفئتين الأساسيتين للجسيمات، وهما البوزونات والفيرميونات .

في فيزياء الجسيمات ، الهادرون هو جسيم دون ذري مركب يتكون من اثنين أو أكثر من الكواركات التي تربطها القوة النووية القوية . يُنطق / ˈhædrɒn /يُشتق اسم الجسيماتمنالكلمة اليونانية القديمةἁδρός(هادروس)التي تعني "سميك، قوي". وهي تُشبهالجزيئاتالتي تترابط معًا بفعلالقوة الكهرومغناطيسية. تأتي معظمكتلةالمادةالعاديةمن جسيمين هادرونيين:البروتونوالنيوترون،بينما تُعزى معظم كتلة البروتونات والنيوترونات بدورها إلىطاقة الربطبين الكواركات المكونة لها، وذلك بفعل القوة النووية القوية. 

تُصنَّف الهادرونات إلى فئتين رئيسيتين: الباريونات ، وهي جسيمات تتكون من عدد فردي من الكواركات (عادةً ثلاثة)، والميزونات ، وهي جسيمات تتكون من عدد زوجي من الكواركات (عادةً اثنان: كوارك واحد وكوارك مضاد واحد ). [ 1 ] البروتونات والنيوترونات (التي تُشكِّل غالبية كتلة الذرة ) أمثلة على الباريونات؛ والبيونات مثال على الميزونات. تم اكتشاف حالة رباعي الكواركات ( ميزون غريب )، تُسمى Z(4430) − ، في عام 2007 بواسطة تعاون بيل [ 2 ] ، وتم تأكيدها على أنها رنين في عام 2014 بواسطة تعاون LHCb . [ 3 ] تم اكتشاف حالتين خماسيتي الكواركات ( باريونات غريبة )، تُسميان P + c (4380) و P + c (4450) ، في عام 2015 بواسطة تعاون LHCb . [ 4 ] هناك العديد من المرشحين الآخرين للهادرونات "الغريبة" ومجموعات الكواركات أحادية اللون الأخرى التي قد توجد أيضًا.

يُعتقد أن جميع الهادرونات والهادرونات المضادة "الحرة" تقريبًا (أي تلك الموجودة بمعزل عن نواة الذرة ) غير مستقرة وتتحلل في النهاية إلى جسيمات أخرى. الاستثناء الوحيد المعروف هو البروتونات الحرة، التي تبدو مستقرة ، أو على الأقل، تستغرق وقتًا طويلًا جدًا للتحلل (أكثر من 10 ^34  سنة). وللمقارنة، تُعد النيوترونات الحرة أطول الجسيمات غير المستقرة عمرًا ، حيث تتحلل بنصف عمر يبلغ حوالي 611  ثانية، ويبلغ متوسط ​​عمرها 879  ثانية [ أ ] [ 5 ] (انظر: تحلل النيوترون الحر ).

تُدرس فيزياء الهادرونات من خلال تصادم الهادرونات، مثل البروتونات، مع بعضها البعض أو مع نوى العناصر الثقيلة الكثيفة ، مثل الرصاص (Pb) أو الذهب (Au)، ورصد الحطام في وابل الجسيمات الناتج . وتحدث عملية مماثلة في البيئة الطبيعية، في الطبقات العليا من الغلاف الجوي، حيث تُنتج الميونات والميزونات، مثل البيونات، نتيجة تصادم الأشعة الكونية مع جسيمات الغاز المخفف في الغلاف الجوي الخارجي. [ 6 ]

المصطلحات وأصول الكلمات

مصطلح "هادرون" هو كلمة يونانية جديدة قدمها إل بي أوكون في محاضرة عامة في المؤتمر الدولي لفيزياء الطاقة العالية لعام 1962 في سيرن . [ 7 ] وقد استهل حديثه بتعريف مصطلح فئة جديد:

على الرغم من أن هذا التقرير يتناول التفاعلات الضعيفة، فسنضطر مرارًا إلى الحديث عن الجسيمات ذات التفاعلات القوية. لا تُثير هذه الجسيمات العديد من المشكلات العلمية فحسب، بل تُثير أيضًا مشكلة مصطلحية. فمصطلح " الجسيمات ذات التفاعلات القوية " مصطلح مُبهم يصعب تحويله إلى صفة. ولهذا السبب، على سبيل المثال لا الحصر، تُسمى عمليات التحلل إلى جسيمات ذات تفاعلات قوية "غير ليبتونية ". هذا التعريف ليس دقيقًا تمامًا لأن "غير ليبتونية" قد تُشير أيضًا إلى فوتونية. في هذا التقرير، سأُطلق على الجسيمات ذات التفاعلات القوية اسم "هادرونات"، وعلى عمليات التحلل المُقابلة لها اسم "هادرونية" (الكلمة اليونانية ἁδρός تعني "كبير" أو "ضخم"، على عكس λεπτός التي تعني "صغير" أو "خفيف"). آمل أن تكون هذه المصطلحات مُلائمة. — إل بي أوكون (1962) [ 7 ]

ملكيات

سهم أخضر وسهم أرجواني ("مضاد للأخضر") يلغيان بعضهما البعض إلى اللون الأبيض، مما يمثل ميزونًا؛ سهم أحمر وسهم أخضر وسهم أزرق يلغيان بعضهما البعض إلى اللون الأبيض، مما يمثل باريونًا؛ سهم أصفر ("مضاد للأزرق") وسهم أرجواني وسهم سماوي ("مضاد للأحمر") يلغيان بعضهما البعض إلى اللون الأبيض، مما يمثل مضادًا للباريون.
جميع أنواع الهادرونات لها شحنة لونية كلية تساوي صفرًا (ثلاثة أمثلة موضحة).

وفقًا لنموذج الكواركات [ 8 ] ، تُحدد خصائص الهادرونات بشكل أساسي بواسطة ما يُسمى بكواركات التكافؤ . على سبيل المثال، يتكون البروتون من كواركين علويين (يحمل كل منهما شحنة كهربائية + 2 / 3e ، ليصبح المجموع + 4 / 3e ) وكوارك سفلي واحد (يحمل شحنة كهربائية -1 / 3e ) . وبجمع هذه الشحنات ، نحصل على شحنة البروتون + 1e . على الرغم من أن الكواركات تحمل أيضًا شحنة لونية ، إلا أن الهادرونات يجب أن تكون شحنتها اللونية الكلية صفرًا بسبب ظاهرة تُسمى حصر اللون . أي أن الهادرونات يجب أن تكون "عديمة اللون" أو "بيضاء". أبسط الطرق لتحقيق ذلك هي وجود كوارك بلون معين وكوارك مضاد له من نفس اللون، أو ثلاثة كواركات بألوان مختلفة. الهادرونات ذات الترتيب الأول هي نوع من الميزونات ، وتلك ذات الترتيب الثاني هي نوع من الباريونات .    

تُشكّل الغلوونات الافتراضية عديمة الكتلة الغالبية العظمى من الجسيمات داخل الهادرونات، بالإضافة إلى كونها المكونات الرئيسية لكتلتها (باستثناء الكواركات الثقيلة، مثل الكوارك الساحر وكوارك القاع ؛ إذ يختفي كوارك القمة قبل أن يتاح له الوقت الكافي للارتباط بتكوين هادرون). تتمتع قوة الغلوونات النووية القوية التي تربط الكواركات معًا بطاقة كافية ( E ) لحدوث رنين يتكون من كواركات ذات كتلة ( m ) ( E ≥ mc² ) . إحدى النتائج المترتبة على ذلك هي تكوّن أزواج قصيرة العمر من الكواركات الافتراضية والكواركات المضادة بشكل مستمر واختفائها مرة أخرى داخل الهادرون. ولأن الكواركات الافتراضية ليست حزم موجية مستقرة (كمات)، بل ظاهرة غير منتظمة وعابرة، فليس من المجدي التساؤل عن أي كوارك حقيقي وأيها افتراضي؛ إذ لا يظهر من الخارج سوى الفائض الطفيف على شكل هادرون. لذلك، عندما يُذكر أن الهادرون أو الهادرون المضاد يتكون من (عادة) اثنين أو ثلاثة كواركات، فإن هذا يشير من الناحية الفنية إلى الزيادة الثابتة للكواركات مقابل الكواركات المضادة.

كجميع الجسيمات دون الذرية ، تُخصص للهادرونات أعداد كمية تُطابق تمثيلات مجموعة بوانكاريه : J = PC ( m )، حيث J هو العدد الكمي المغزلي ، وP هو التكافؤ الذاتي (أو تكافؤ P )، وC هو اقتران الشحنة (أو تكافؤ C )، و m هي كتلة الجسيم . تجدر الإشارة إلى أن كتلة الهادرون لا ترتبط ارتباطًا وثيقًا بكتلة كواركات التكافؤ الخاصة به؛ بل، نظرًا لتكافؤ الكتلة والطاقة ، فإن معظم الكتلة تأتي من كمية الطاقة الكبيرة المرتبطة بالتفاعل القوي . قد تحمل الهادرونات أيضًا أعدادًا كمية خاصة بالنكهة ، مثل التكافؤ النظائري ( تكافؤ G ) والغرابة . تحمل جميع الكواركات عددًا كميًا إضافيًا محفوظًا يُسمى عدد الباريون ( B ) ، وهو ± 1 / 3 e للكواركات و− ± 1 / 3 e للكواركات المضادة. وهذا يعني أن الباريونات (الجسيمات المركبة المكونة من ثلاثة أو خمسة أو عدد فردي أكبر من الكواركات) لها B = 1 بينما الميزونات لها B = 0.      

تمتلك الهادرونات حالات مثارة تُعرف بالرنين . قد يمتلك كل هادرون في حالته الأرضية عدة حالات مثارة؛ وقد رُصدت مئات الرنينات المختلفة في التجارب. تتلاشى الرنينات بسرعة فائقة (في غضون حوالي10 −24 ثانية  ) عبر القوة النووية القوية.

في حالات أخرى من المادة ، قد تختفي الهادرونات. على سبيل المثال، عند درجات حرارة وضغوط عالية جدًا، ما لم يكن هناك عدد كافٍ من أنواع الكواركات، تتنبأ نظرية الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) بأن الكواركات والغلوونات لن تبقى محصورة داخل الهادرونات، "لأن قوة التفاعل القوي تتضاءل مع الطاقة ". هذه الخاصية، المعروفة بالحرية التقاربية ، تم تأكيدها تجريبيًا في نطاق الطاقة بين 1 جيجا إلكترون فولت ( GeV ) و1 تيرا إلكترون فولت ( TeV ). [ 9 ] جميع الهادرونات الحرة ، باستثناء ( ربما ) البروتون والبروتون المضاد، غير مستقرة .  

الباريونات

الباريونات هي هادرونات تحتوي على عدد فردي من كواركات التكافؤ (ثلاثة على الأقل). [ 1 ] تحتوي معظم الباريونات المعروفة، مثل البروتون والنيوترون ، على ثلاثة كواركات تكافؤ، ولكن ثبت أيضًا وجود البنتاكواركات التي تحتوي على خمسة كواركات - ثلاثة كواركات بألوان مختلفة، بالإضافة إلى زوج إضافي من الكوارك ومضاد الكوارك. ولأن الباريونات تحتوي على عدد فردي من الكواركات، فهي جميعها فرميونات ، أي أن لها عزمًا مغزليًا نصف صحيح . وبما أن عدد الباريونات للكواركات يساوي  1/3 ، فإن عدد الباريونات يساوي 1. وينطبق الأمر نفسه على البنتاكواركات ، حيث يلغي عدد الباريونات للكوارك الإضافي ومضاد الكوارك.     

لكل نوع من أنواع الباريونات جسيم مضاد (باريون مضاد) يُستبدل فيه الكواركات بالكواركات المضادة المناظرة لها. على سبيل المثال، كما يتكون البروتون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد، فإن جسيمه المضاد، وهو البروتون المضاد، يتكون من كواركين علويين مضادين وكوارك سفلي مضاد واحد.

اعتبارًا من أغسطس 2015، هناك نوعان معروفان من البنتاكواركات، وهما P + c (4380) و P + c (4450) ، وكلاهما تم اكتشافهما في عام 2015 بواسطة فريق LHCb . [ 4 ]

الميزونات

الميزونات هي هادرونات تحتوي على عدد زوجي من كواركات التكافؤ (اثنان على الأقل). [ 1 ] تتكون معظم الميزونات المعروفة من زوج كوارك-مضاد كوارك، ولكن قد تم اكتشاف رباعيات كوارك (أربعة كواركات) وسداسيات كوارك (ستة كواركات، تتألف إما من ثنائي باريون أو ثلاثة أزواج كوارك-مضاد كوارك) ويجري البحث فيها لتأكيد طبيعتها. [ 10 ] قد توجد أنواع أخرى افتراضية من الميزونات الغريبة التي لا تندرج ضمن نموذج تصنيف الكواركات. وتشمل هذه الميزونات كرات الغلوون والميزونات الهجينة (الميزونات المرتبطة بغلوونات مثارة ).

لأن الميزونات تحتوي على عدد زوجي من الكواركات، فهي جميعها بوزونات ، ذات لف مغزلي صحيح ، أي 0 أو +1 أو -1 . ولها عدد باريوني B = 1/3 - 1/3 = 0. من أمثلة الميزونات الشائعة في تجارب فيزياء الجسيمات البيونات والكاونات . كما تلعب البيونات دورًا في تماسك نوى الذرات عبر القوة النووية القوية المتبقية .   

انظر أيضاً

الحواشي

  1. ↑ من المتوقع أن تتبع الجسيمات المضادة للبروتون والنيوترون نفس النمط، ولكن من الصعب التقاطها ودراستها، لأنها تفنى على الفور عند ملامستها للمادة العادية.

مراجع

  1. 1 2 3 جيل مان، م. (1964). "نموذج تخطيطي للباريونات والميزونات". رسائل الفيزياء . 8 (3): 214-215 . Bibcode : 1964PhL.....8..214G . doi : 10.1016/S0031-9163(64)92001-3 .
  2. ↑ تشوي، إس.-كيه.؛ وآخرون ( مجموعة بيل التعاونية ) (2008). "ملاحظة بنية شبيهة بالرنين في π ± Ψ′ التوزيع الشامل في B → K π ± الحصري"اضمحلالات Ψ′". مجلة Physical Review Letters . 100 (14) 142001. arXiv : 0708.1790 . Bibcode : 2008PhRvL.100n2001C . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.142001 . PMID 18518023. S2CID 119138620 .  
  3. ↑ آيج، ر.؛ وآخرون ( مجموعة LHCb ) (2014). "ملاحظة الطابع الرنيني للحالة Z(4430) − " . رسائل المراجعة الفيزيائية . 112 (22) 222002. arXiv : 1404.1903 . Bibcode : 2014PhRvL.112v2002A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.222002 . PMID 24949760. S2CID 904429 .   
  4. 1 2 Aaij, R.; et al. ( LHCb collaboration ) (2015). "رصد رنين J/ψp المتوافق مع حالات البنتاكوارك في اضمحلالات Λ 0 b → J /ψK − p". Physical Review Letters . 115 (7) 072001. arXiv : 1507.03414 . Bibcode : 2015PhRvL.115g2001A . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.072001 . PMID 26317714. S2CID 119204136 .     
  5. ↑ زيلا، بي إيه (2020). "متوسط ​​العمر" . PDG Live: مراجعة فيزياء الجسيمات لعام 2020. مجموعة بيانات الجسيمات . تم الاسترجاع في 3 فبراير 2022 .
  6. ↑ مارتن، بي آر (2017). فيزياء الجسيمات ( الطبعة الرابعة). تشيتشستر، غرب ساسكس، المملكة المتحدة. رقم ISBN  978-1-118-91190-7.{{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  7. 1 2 أوكون، إل بي (1962). "نظرية التفاعل الضعيف". وقائع المؤتمر الدولي لعام 1962 حول فيزياء الطاقة العالية في سيرن . المؤتمر الدولي حول فيزياء الطاقة العالية (محاضرة عامة). سيرن، جنيف، سويسرا. ص 845. Bibcode : 1962hep..conf..845O . 
  8. ↑ أمسلر، سي.؛ وآخرون ( مجموعة بيانات الجسيمات ) (2008). "نموذج الكوارك" (ملف PDF) . رسائل الفيزياء ب . مراجعة فيزياء الجسيمات. 667 (1): 1-6 . Bibcode : 2008PhLB..667....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 . 
  9. ↑ بيثكي، س. (2007). "اختبارات تجريبية للحرية التقاربية". التقدم في فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية . 58 (2): 351-386 . arXiv : hep-ex/0606035 . Bibcode : 2007PrPNP..58..351B . doi : 10.1016/j.ppnp.2006.06.001 . S2CID 14915298 . 
  10. ↑ مان، آدم (17 يونيو 2013). "جسيم دون ذري غامض قد يمثل شكلاً جديداً غريباً من المادة" . ساينس. وايرد . تم الاسترجاع في 27 أغسطس 2021 .— خبر عن اكتشاف جسيم Z (3900).
  • شعار ويكشنريتعريف كلمة هادرون في قاموس ويكشنري