جسيمات هيغز, المصادم الهايدروني الكبير و مستقبل الفيزياء الاولية النظرية

اود ان اقدم بين يدي القارئ العزيز بعض الملحظات المختصرة حول التجارب الفيزيائية الخيرة التي
اجريت في الهيئة الوروبية للبحاث النووية. موضوع هذه التجارب هو فيزياء الجسيمات الولية و
تفاعلتها الساسية و اما اللة المستعملة فهي المصادم الهايدروني الكبير.هذا الجهاز هو اكبر
مسرع للجسيمات في العالم مبني تحت الرض بين الحدود الفرنسية السويسرية بالقرب من جنيف
علي شكل نفق دائري بنصف قطر يساوي 27 كلم و علي عمق يتراوح بين 50 و 175 متر. يعتمد في
هذه اللة علي تسريع حزمتين من البروتونات والبروتونات المضادة في اتجاهين متعاكسين الي ان
تبلغ طاقة كل حزمة حوالي 7 تيراالكترون فولط أي 7000 جيغاالكترون فولط و بالتالي عند تصادم
الحزمتين و تلشي البروتونات مع البروتونا ت المضادة نحصل علي جسيمات بطاقات هائلة في
. حدود 14000 جيغاالكترون فولط . تم اجراء اول التجارب من هذا النوع يوم 10 سبتمبر 2008
حتي يستوعب القارئ كبر الطاقات التي يمكن الوصول اليها الن بهذا الجهاز نقول ان الطاقات التي
كانت متاحة قبل هذا التاريخ في فيزياء الجسيمات الولية هي في حدود 100 جيقاالكترون فولط اما
اقصي الطاقات التي نتعامل معها في الفيزياء النووية فهي في حدود 1 جيقاالكترون فولط. لكن ماذا
يعني الوصول الي هذه الطاقات العليا بالنسبة الي فيزياء الجسيمات الولية وبالنسبة الي النموذج
القاعدي الذي هو النظرية المتفق عليها بين الفيزيائيين التي تصف هذه الجسيمات الولية و
تفاعلتها الكهرومغناطيسية و النووية؟

اذا رجعنا الي التاريخ القريب فاننا نجد انه عندما تمكن الفييزيائيون في الهيئة الوروبية للبحاث
النووية من الوصول الي طاقات عليا في حدود 100 جيغاالكترون فولط في اوائل الثمانينات تمكنوا
مباشرة من اكتشاف ثلث جسيمات هي ض+, ض– و ض 0 المسؤولة عن وساطة التفاعلت النووية
الضعيفة بين الجسيمات الولية. هذه الجسيمات الثلت كان قد تنبأ بها النموذج القاعدي في
الستينات و السبعينات لكن لم يكن من الممكن رؤيتها قبل ذلك لن كتلها هي بالضبط في حدود
100 جيغاالكترون فولط. الن بعد ان اصبح في المكان الوصول الي طاقات اعلي من هذا بكثير
بواسطة المصادم الهايدوني الكبير فان الكثيرين يأملون في اكتشاف اخر الجسيمات التي تنبأ بها
النموذج المعياري و التي لم تكتشف بعد و هي بوزونات هيغز والتي يعتقد انها ذات كتلة تفوق حتما
170 جيغاالكترون فولط ولكن يجب ان تقل عن 1000 جيغا الكترون فولط حتي يحافظ النموذج القاعدي
علي انسجامه الرياضي المتمثل في احادية النظرية. هذه الجسيمات افترض وجودها بيتر هيغز و
اخرون في العام 1964 و وجودها يفسر الفرق بين الفوتون ف المسؤول عن وساطة الظواهر
الكهرومغناطيسية و البوزونات الضعيفة ض+, ض- و ض 0 المسؤولة عن وساطة التفاعلت النووية
الضعيفة كما ان وجودها يفسر كيف تحصل باقي الجسيمات الولية علي كتلها. اكتشاف بوزونات
هيغز هو اذن اهم اهداف المصادم الهايدروني الكبير الذي تم تشغيله حديثا لكن هناك ظواهر اخري
يمكن ان تصبح ايضا مرئية عند بلوغ الطاقات العليا التي ينتجها المصادم الهايدروني اذكر منها فقط
امكانية اكتشاف التناظرات الممتازة, البعاد الزائدة, المادة السوداء و الطاقة السوداء و كذلك الثقوب
السوداء الولية. فيما يلي سنناقش في عجالة التجاهات الخاصة بالتناظرات الممتازة و البعاد
الزائدة ثم نرجع و نركز مع بعض التفصيل علي بوزونات هيغز و اهميتها المحورية للفيزياء الولية و دور
المصادم الهايدروني الكبير.

التناظرات الممتازة كما يدل اسمها هي تناظرات غير عادية تختلف اختلفا جذريا عن تناظرات
الفضاءزمن الخري مثل الدورانات والنسحابات و تحويلت لورنز النسبية لنها تعتمد علي تحويلت
نقطية ذات وسائط فرميونية عكس التناظرات الخري جميعا التي تكون تحويلتها النقطية ذات وسائط
بوزونية. الوسائط البوزونية هي دوال مركبة عادية اما الوسائط الفرميونية فهي دوال مركبة
غراسمانية أي ضدتبديلية. هذا يعني بالخصوص ان ضرب دالتين غراسميتين ببعضهما البعض يتعلق
بترتيب الدالتين فضرب الدالة الولي في الدالة الثانية يساوي الي ناقص ضرب الدالة الثانية في


الولي عكس ما يحدث مع الدوال المركبة العادية. اهم توقعات التناظرات الممتازة هو وجوب وجود
بوزون ممتاز مرافق لكل فرميون عادي ووجوب وجود فرميون ممتاز مرافق لكل بوزون عادي بين
الجسيمات الولية أي ان التناظر الممتاز يربط بين البوزونات و الفرميونات و هذا امر ل يتوفر في أي
مكان اخر في عالم الجسيمات الولية.لكن المشاهد هو ان التناظرات الممتازة غير متحققة بالكامل
في الطبيعة مما دفع الفيزيائيين النظريين الي العتقاد انها يجب ان تكون منكسرة انكسارا تلقائيا
بميكانيزم معين يبقي غير معروف بالضبط. سنناقش مفهوم النكسار التلقائي للتناظربتفصيل اكثر لما
نتكلم علي بوزونات هيغز. المهم هو ان هذا النكسار التلقائي يؤدي الي اكتساب الجسيمات
الممتازة و هي الجسيمات المرفقة بالجسيمات العادية عبر التناظرات الممتازة الي كتل في حدود
الطاقات التي سوف ينتجها المصادم الهايدروني الكبير و بالتالي امكانية مشاهدتها في التجارب
الحالية.

النقطة الخري تخص البعاد الزائدة وتتلخص في التي. المعروف ان هناك اربعة ابعاد مرئية
للفضاءزمن هي الطول و العرض و الرتفاع و الزمن. لكن عند توحيد قوة الجذب الثقالية و باقي
القوي الكونية في نظرية كمية واحدة هي نظرية الوتار الممتازة نجد ان مجموع ا بعاد الفضاءزمن
هو في الواقع يساوي عشرة و ليس اربعة. احد السئلة المطروحة في التجارب الجارية في
المصادم الهايدروني الكبير هو هل فعل الفضاءزمن لديه اكثر من اربعة ابعاد و اذا كانت الجابة بنعم
فلماذا ل نراها مباشرة مثل ما نري البعاد العادية من طول و عرض و ارتفاع و زمن. الجابة عن هذا
السؤال ليست مهمة فقط بالنسبة الي نظرية الوتار الممتازة لكن هي مهمة بالنسبة الي مجمل
الفيزياء الولية لسباب عديدة اخري ليس هنا المكان الملئم للدخول في تفاصيلها.
حتي نتمكن من فهم ماهية جسيمات هيغز علي وجه مرض نبدأ اول بعرض موجز جدا لفيزياء
الجسيمات الولية. الجسيمات الولية تقسم حسب خصائصها الي صنفين اساسيين. الصنف الول
هي الكواركات و الصنف الثاني هي اللبتونات كل منها تاتي في ست عائلت مختلفة بالضافة الي
اضدادها. من الكواركات تتشكل الهايدرونات و هي الجسيمات التي يتم تسريعها في المصادم
الهايدروني الكبير وهي نوعان الباريونات مثل البروتون و النوترون و الميزونات مثل البايون. الفرق بين
الباريونات و الميزونات هو ان الولي تتشكل من ثلث كواركات اما الميزونات فتتشكل من كوارك و
كوارك مضاد. تعرف الكواركات المختلفة بالسماء الصطلحية الشاعرية الواقف, الجالس, الغريب,
الجميل, الفاتن و العلي اما اضدادها فتعرف بالواقف المضاد, الجالس المضاد و هكذا. ياتي كل كوارك
او كوارك مضاد في ثلث الوان مختلفة هي اصطلحا الحمر و الخضر و الزرق بالنسبة الكواركات و
اضدادهذه اللوان بالنسبة الي الكواركات المضادة و هي ليست الوان حقيقية لكن تعبر عن بعض
الخصائص الكمية لهذه الكواركات ناجمة عن تفاعلتها النووية المتينة. النوع الكبير الخر من
الجسيمات الولية هي اللبتونات و اهم اللبتونات هو اللكترون الجسيم الشهر و القدم اكتشافا بين
الجسيمات الولية علي الطلق. هناك ايضا الميون و الطاوون و ثلث انواع من النيترينوات هي
النيترينو اللكتروني و الميوني و الطاووني. اللبتونات علي عكس الكواركات ل تشعر علي الطلق
بتأثير القوة النووية المتينة و علي هذا فهي ل تحمل العدد الكمي اللوني كما تحمله الكواركات.
المادة تتشكل فقط من الكواركات و اللبتونات و تتميز كلها بسبين اي عزم حركي ذاتي يساوي نصف
و علي هذا فهي تسمي فرميونات. بصفة عامة الفرميون هو كل حسيم يحمل سبين يساوي نصف
عدد طبيعي.

اذن الفرق الساسي بين الهايدرونات التي تتكون من كواركات و اللبتونات هو في قدرة الهايدرونات
علي التفاعل عبر القوة النووية المتينة التي ل تشعر بها اللبتونات علي الطلق. اللبتونات يمكنها
ان تتفاعل فقط عبر القوة الكهرومغناطيسية او القوة النووية الضعيفة او قوة الثقالة. الهايدرونات
زيادة علي هذه القوي الثلث فانها تتفاعل كما قلنا عبر القوة النووية المتينة. اذن هناك اربع قوي
اساسية في الكون توصف رياضيا بنظريات مجالت تسمي النظريات المعيارية. تتوسط تأثيرات هذه
القوي بين مختلف الكواركات و اللبتونات التي هي الجسيمات المؤسسة للمادة جسيمات اولية
اخري تسمي البوزونات المعيارية التي ترافق المجالت المعيارية لهذه القوي. النظرية المعيارية تعتمد
علي فكرة اساسية مفادها ان تفاعلت الجسيمات فيما بينها عبر مختلف القوي تتم بتبادل



جسيمات تسمي البوزونات المعيارية. عندما يتجاذب جسمان ثقاليا او كهربائيا فان الذي يحدث في
الواقع حسب النظريات المعيارية هو انهما يتبادلن فيما بينهما بوزونات معيارية هي الغرافيتونات غ
في حالة الثقالة و الفوتونات ف في حالة الكهرباء حيث ان احد الجسمين يصدر هذه البوزونات اما
الخر فانه يقوم بامتصاصها.هذه الصورة تنسحب علي كل التفاعلت الكونية بدون استثناء حسب
نظريات المجالت المعيارية.تتميز الجسيمات الناقلة لتاثير القوي او البوزونات المعيارية بسبين او
عزم حركي ذاتي يساوي واحد بالنسبة الي القوة الكهرومغناطيسية و القوي النووية المتينة و
الضعيفة اما بالنسبة الي قوة الثقالة فالسبين يساوي الي اثنين و هذا هو سبب تسميتها ببوزونات
علي العكس من الكواركات و اللبتونات التي هي عبارة عن فرميونات لن سبينها يساوي نصف.

البوزون المعياري الناقل للقوة الكهرومغناطيسية هو الفوتون و تصف تفاعلته مع المادة نظرية
الديناميك الكهربائي الكمي التي هي عبارة عن نظرية مجالت معيارية تبديلية. القوة النووية الضعيفة
تنقلها ثلث بوزونات معيارية هي بالضبط ض+, ض- و ض 0 التي ذكرناها سابقا. هذه الجسيمات
الثلث مشابهة تماما للفوتون و يمكن اعتبارهم و الفوتون مظاهر مختلفة لنفس البوزون المعياري .
بالفعل فانه يمكن وصف كل القوي الكهرومغناطيسية و كل القوي النووية الضعيفة بنظرية مجالت
معيارية واحدة لكنها غير تبديلية تعرف باسم النظرية الكهرو الضعيفة تصف قوة واحدة هي القوة
الكهروضعيفة و تكون فيها البوزونات المعيارية الناقلة لهذه القوة هي بالضبط ض+, ض- , ض 0 و
الفوتون. في هذه النظرية الكهروضعيفة يتم توحيد التفاعلت الكهرومغناطيسية و التفاعلت النووية
الضعيفة في قوة واحدة هي التفاعلت الكهروضعيفة. يبقي ان نذكر ان القوة النووية المتينة تنقلها
ثمانية بوزونات معيارية تسمي الجليونات او الغرويات لنها تعمل مثل الغراء علي لصق الكواركات
بشدة فيما بينها لتشكيل الهايدونات و توصف هذه البوزونات المتينة ايضا بنظرية مجالت معيارية
غير تبديلية تسمي الديناميك اللوني الكمي و هي نظرية تختلف عن النظرية المعيارية الكهروضعيفة
في كونها نظرية غير اضطرابية في جوهرها و هذا يعني انه الي غاية اليوم لم يمكن دراستها
بطريقة مرضية ال باستعمال الديناميك اللوني الكمي الشبكي الذي يعتمد علي استعمال المحاكاة
و الحساب العددين . الديناميك الكهربائي المعياري يحتوي علي نوع واحد من الشحنة هو الشحنة
الكهربائية الموجبة بالضافة الي ضدها التي هي الشحنة الكهربائية السالبة و هذا هو سبب كون
النظرية المعيارية في هذه الحالة نظرية تبديلية. اما الديناميك اللوني الكمي فانه يحتوي علي ثلت
انواع من الشحنة النووية المتينة هي بالضبط اللوان التي ذكرناها انفا و اضدادها وهناك ايضا نوعان
من الشحنة النووية الضعيفة و ضديهما في النظرية الكهروضعيفة و هذا سبب كون الديناميك الكوني
اللوني و كذلك النظرية الكهروضعيفة نظريات معيارية غير تبديلية.

حتي نلخص ما قلناه الي حد الن نذكر ان الجسيمات الولية من كواركات و لبتونات و تفاعلتها
الكهرومغناطيسية و النووية المتينة والنووية الضعيفة توصف رياضيا و تفهم فيزيائيا باستعمال النظرية
الكهروضعيفة و الديناميك اللوني الكمي و مجموع هاتين النظريتين هو ما يعرف باسم النموذج
القاعدي لفيزياء الجسيمات الولية الذي يوحد القوة الكهروضعيفة مع القوة النووية المتينة. لنلحظ
غياب قوة الجذب الثقالي عن هذه الصورة الموحدة بسبب عدم توفر نظرية معيارية كمية للثقالة علي
غرار باقي القوي لكن من حسن الحظ فانه في غالب الحوال تكون قوة الجذب الثقالية مهملة امام
القوي الخري عند مستوي الطاقات المتوفرة في المسرعات الموجودة حاليا و اكبرها المصادم
الهايدروني الكبير.
النموذج القاعدي لفيزياء الجسيمات يحتوي ايضا علي بوزونات هيغز التي لم نناقش الي حد الن
الدور الذي تلعبه في كل هذا. هذه البوزونات الهيغزية مع الكواركات و اللبتونات و البوزونات المعيارية
تشكل مجموع الجسيمات الولية أي الجسيمات الغير قابلة للنشطار الموجودة في النموذج
القاعدي. كما قلنا الكواركات و اللبتونات ذات سبين نصف, البوزونات المعيارية ذات سبين واحد اما
بوزونات هيغز فهي ذات سبين يساوي صفر وبذلك فهي الجسيم الولي الوحيد الذي ليس له عزم
حركي ذاتي. الفرق الثاني و هو الهم بين بوزونات هيغز و باقي الجسيمات الولية هي في كونها
الوحيدة التي بقيت افتراضية لم تكتشف بعد و اكتشافها يبقي الهدف الول للمصادم الهايدروني
الكبير. دعنا نقول هنا ان الكواركات ايضا ل يمكن مشاهدتها مباشرة في الطبيعة لكن هذا ل يعني