لو أخذت أيّاً من أغراض الحياة اليومية، لنقل كوب قهوة، وكسرته لنصفين، ثم مرةً أخرى لنصفين وأبقيت العملية مستمرة، فإلى أين سينتهي بك الأمر؟ هل باستطاعتك أن تواصل للأبد، أم ستجد منظومة من وحدات البناء غير المتجزئة ومنها يتكـوّن كـل شيء؟ وجد الفيزيائيون المذكور آنفاً، فالمادة تتكون من جسيمات أولية، هي أصغر الأشياء في الكون. تتفاعل الجسيمات مع بعضها وفقا لنظرية تدعى "النموذج العياري."
If you were to take any everyday object, say a coffee cup, and break it in half, then in half again, and keep carrying on, where would you end up? Could you keep on going forever? Or would you find a set of indivisible building blocks out of which everything is made? Physicists have found the latter- that matter is made of fundamental particles, the smallest things in the universe. Particles interact with each other according to a theory called the “Standard Model”.
النموذج العياري هو تلخيص متـقن لعالم الكـمّ الغريب للجزيئات غير المتجزئة المتناهية الصغر، ويشمل كذلك القوى التي تنظم كيف تتحرك الجسيمات وتتفاعل وترتبط ببعضها لتشكّل العالم من حولنا.
The Standard Model is a remarkably elegant encapsulation of the strange quantum world of indivisible, infinitely small particles. It also covers the forces that govern how particles move, interact, and bind together to give shape to the world around us.
إذن، فكيف يعمل؟
So how does it work?
بتكبير حطام الكوب، نرى جزيئات مكونة من ذرات مرتبطة ببعضها. الجزيء: هو أصغر وحدة لأي مركب كيميائي، والذرة: هي أصغر وحدة لأيّ عنصر في الجدول الدوري.
Zooming in on the fragments of the cup, we see molecules, made of atoms bound up together. A molecule is the smallest unit of any chemical compound. An atom is the smallest unit of any element in the periodic table.
لكنّ الذرّة ليست أصغر وحدات المادة. وجدت التجارب أن لكل ذرة نواة صغيرة جدًا وكثيفة، محاطة بسحابة إلكترونات تفوقها في الصغر. والإلكترون على حد علمنا، أحد وحدات بناء الكون الأساسية غير المتجزئة، وهو أول جسيمات "النموذج العياري" اكتشافا على الإطلاق. ترتبط الإلكترونات بنواة الذرة عبر الكهرومغناطيسية، وتتجاذب بواسطة تبادل جسميات تدعى الفوتونات، وهي كـمّ الضوء الذي يحمل القوة الكهرومغناطيسية، إحدى قوى "النموذج العياري" الأساسية.
But the atom is not the smallest unit of matter. Experiments found that each atom has a tiny, dense nucleus, surrounded by a cloud of even tinier electrons. The electron is, as far as we know, one of the fundamental, indivisible building blocks of the universe. It was the first Standard Model particle ever discovered. Electrons are bound to an atom’s nucleus by electromagnetism. They attract each other by exchanging particles called photons, which are quanta of light that carry the electromagnetic force, one of the fundamental forces of the Standard Model.
وللنواة المزيد من الأسرار للكشف عنها لاحتوائها على البروتونات والنيترونات، فرغم الاعتقاد بأنها جسيمات أولية بحد ذاتها إلا أنه في 1968 اكتشف الفيزيائيون أن البروتونات والنيترونات تتكون من الكواركات، والتي هي غير متجزئة يحتوي البروتون على كواركين علويين وكوارك واحد سفلي، ويحتوي النيترون على كواركين سفليين وواحد علوي.
The nucleus has more secrets to reveal, as it contains protons and neutrons. Though once thought to be fundamental particles on their own, in 1968 physicists found that protons and neutrons are actually made of quarks, which are indivisible. A proton contains two “up” quarks and one “down” quark. A neutron contains two down quarks and one up.
تتماسك النواة ببعضها بواسطة "القوة القوية" - قوة أخرى من قوى النموذج العياري الأساسية وكما تحمل الفوتونات القوة الكهرومغناطيسية تحمل جسيمات تدعى الغلوونات "القوة القوية." الإلكترونات، مع الكواركات العلوية والسفلية تبدو كل ما نحتاجه لتكوين الذرات، وبذلك وصف المادة الطبيعية، غير أن التجارب ذات الطاقة العالية كشفت أن هناك في الواقع ستة كواركات، السفلي والعلوي، والغريب والساحر، والـقعري والقـمّي ويأتون ضمن نطاق واسع من الأحجام ووجد الشيء نفسه بالنسبة للإلكترونات، التي لها شقيقان أثـقـلُ يُدعيان الميوون والتاو. فـلـمَ هنالك ثلاثة، وثلاثة فقط من الصور المختلفة لكـلٍّ من هذه الجسيمات؟ هذا يبقى لغزًا.
The nucleus is held together by the strong force, another fundamental force of the Standard Model. Just as photons carry the electromagnetic force, particles called gluons carry the strong force. Electrons, together with up and down quarks, seem to be all we need to build atoms and therefore describe normal matter. However, high energy experiments reveal that there are actually six quarks– down & up, strange & charm, and bottom & top - and they come in a wide range of masses. The same was found for electrons, which have heavier siblings called the muon and the tau. Why are there three (and only three) different versions of each of these particles? This remains a mystery.
تصدر هذه الجسيمات الثقيلة، وللحظات قصيرة جدًا، في التصادمات ذات الطاقة العالية، ولا تشاهد في الحياة اليومية. وذلك لأنها تضمحلّ سريعا جدًا لتصير الجسيمات الأخفّ.
These heavy particles are only produced, for very brief moments, in high energy collisions, and are not seen in everyday life. This is because they decay very quickly into the lighter particles.
وهذه الاضمحلالات تتضمن التبادل لجسيماتٍ حاملة للقوة، تدعى دبليو(W) وزد(Z)، والتي - على خلاف الفوتونات - لها كتـلة وهي تحمل "القوة الضعيفة"، آخر قوى "النموذج العياري." نفس هذه القوة تسمح للبروتونات والنيترونات من التحول إلى بعضهم البعض، وهذا جزء جوهريّ من تفاعلات الإندماج التي تحفـّـز الشمس. ولرصد الدبليو(W) والزد (Z) مباشرة، احتجنا التـصادمات ذات الطاقة العالية المتوفرة بواسطة مسرّعات الجسيمات.
Such decays involve the exchange of force-carrying particles, called the W and Z, which – unlike the photon – have mass. They carry the weak force, the final force of the Standard Model. This same force allows protons and neutrons to transform into each other, a vital part of the fusion interactions that drive the Sun. To observe the W and Z directly, we needed the high energy collisions provided by particle accelerators.
ويوجد نوع آخر من جسيمات "النموذج العياري" يدعى النيـوتريـنـوات وهي تتفاعل مع الجسيمات الأخرى فقط بحدود القوة الضعيفة إن تريليونات النيوترينوات، والصادرالعديد منها عن الشمس، تتطاير عبرنا في كل ثانية ووجدت مقاييس" التفاعلات الضعيفة" أن هناك أنواعًا مختلفة من النيوترينوات مرتبطة بالإلكترون، والميوون، والتاو
There’s another kind of Standard Model particle, called neutrinos. These only interact with other particles through the weak force. Trillions of neutrinos, many generated by the sun, fly through us every second. Measurements of weak interactions found that there are different kinds of neutrinos associated with the electron, muon, and tau.
كل هذه الجسيمات لها أيضًا نُسخ مادة مضادة والتي لها الشحنة المعاكسة ولكنها مطابقة في سوى ذلك. تنتج المادة والمادة المضادة على هيئة أزواج في التصادمات ذات الطاقة العالية، ويفني أحدهما الآخر عند التقائهما.
All these particles also have antimatter versions, which have the opposite charge but are otherwise identical. Matter and antimatter particles are produced in pairs in high-energy collisions, and they annihilate each other when they meet.
والجزء الأخير من "النموذج العياري" هو بوزون "هيجز" تموّج كمّي في ظلّ حقل الطاقة الكوني. والتفاعل مع هذا الحقل هو كيف تكتسب كل جسيمات المادة الأولية كتلة وفقا للنموذج العياري. تَـدرُس"تجربة أطلس" في "مصادم الهدرونات الكبير" النموذج العياري بعمق. فبأخذ المقاييس الدقيقة للجسيمات والقوى التي تشكل الكون يستطيع فيزيائيو "أطلس" البحث عن إجابات لألغاز لم يفسرها النموذج العياري،
The final particle of the Standard Model is the Higgs boson – a quantum ripple in the background energy field of the universe. Interacting with this field is how all the fundamental matter particles acquire mass, according to the Standard Model. The ATLAS Experiment on the Large Hadron Collider is studying the Standard Model in-depth. By taking precise measurements of the particles and forces that make up the universe, ATLAS physicists can look for answers to mysteries not explained by the Standard Model.
فمثلًا، كيف نشأت الجاذبية؟ ما حقيقة العلاقة بين حاملات القوة وجسيمات المادة؟ كيف يمكننا وصف "المادة المظلمة" التي تشكل معظم الكتلة في الكون لكنها لا تزال مجهولة؟ بينما يوفر النموذج العياري تفسيرًا جميلًا للعالم من حولنا لا يزال هنالك ألغاز كونية قيـّمة متروكة للاستكشاف.
For example, how does gravity fit in? What is the real relationship between force carriers and matter particles? How can we describe “Dark Matter”, which makes up most of the mass in the universe but remains unaccounted for? While the Standard Model provides a beautiful explanation for the world around us, there is still a universe’s worth of mysteries left to explore.