ما هي الفرميونات

الموسوعة » ميكانيكا كم » ما هي الفرميونات

لم يعد النظر إلى الذرة على أنها أصغر مكونات المادة، أمرًا مثيرًا للدهشة، بل الأمر الأشد غرابةً هي مكونات الذرة نفسها، وما يُشكل هذه المكونات ومما يتألف كل مكونٍ، وهكذا نستمر في التقسيم والتصغير حتى نصل إلى ما يُعرف بالجسيمات الأولية، ومنها نتعرف على الفرميونات والبوزونات. التناهي في الصغر والغموض الشديد، دائمًا ما يحيطان بكل ما هو غير مرئيٍّ، وفي فيزياء الجسيمات، يتجلى هذا الأمر بوضوحٍ كما سنرى.

ما هي الجسيمات الأولية

قبل أن نتحدث عن مفهوم الفرميونات، يجب التطرق أولًا إلى التكوين الأساسي لها، ألا وهي الجسيمات الأولية. الجسيمات الأولية هي اللّبنة الأساسية المكونة للمادة في كونِنا، يُعتقد أنها لا تحتوي على أي بنيةٍ داخليةٍ، ويتصورها العلماء على أنها نقطةٌ معدومة الأبعاد ولا تشغل أي مساحةٍ من الفراغ.

ربما تكون الإلكترونات (Electrons) هي الجسيمات الأولية الأكثر شيوعًا، ولكن طبقًا للنموذج القياسي في الفيزياء (The Standard Model)، الذي يصف تفاعلات الجسيمات وجميع القوى الموجودة في الطبيعة تقريبًا، تم التعرف على عشرة جسيماتٍ أولية، وصُنّفت بشكلٍ أساسيٍّ إلى فرميونات وبوزونات. (Bozons).§.

تعريف الفرميونات

يمكن تعريف الفرميونات (Fermions) طبقًا لفيزياء الجسيمات، على أنها نوعٌ من الجسيمات الأولية التي تخضع لإحصائيات فيرمي-ديراك (Fermi-Dirac statistics) والتي تُعرف بمبدأ استبعاد باولي (Pauli Exclusion Principal)، وينص هذا المبدأ على أنه لا يمكن لاثنين من الفرميونات أن يحتلا نفس الحالة الكمومية (نفس أرقام الكم).

تتميز الفرميونات بأن لها دورانًا مغزليًّا يعادل نصف عدد صحيح مثل (1/2, -1/2, -3/2)، وبالمقارنة مع نوعٍ آخر مهم من الجسيمات الأولية المعروفة باسم البوزونات، نلاحظ أن للبوزونات دورانًا مغزليًّا بقيمٍ تعادل أعداد صحيحة مثل (0, 1, -1, -2, 2).

تُصنف كل من البروتونات والإلكترونات والنيوترونات – مكونات الذرة – على أنها فرميونات، وحقيقة أن أساس الإلكترونات فرميونات، هي أساس إنشاء الجدول الدوري للعناصر، كما تُصنف نواة الذرة كفيرميون أو بوزون بناءًا على العدد الإجمالي للبروتونات والنيوترونات، هل هو عددٌ فرديٌّ أم زوجيّ. اكتشف الفيزيائيون مؤخرًا أن هذا الأمر تسبب في بعض السلوكيات الغريبة في ذراتٍ معينةٍ عندما تخضع لظروفٍ غير تقليديةٍ من الحرارة والضغط، مثل سلوك ذرة الهيليوم عند درجات الحرارة شديدة الانخفاض.§.

اكتشاف جُسيم الفرميون

تُعرف الفرميونات أحيانًا بجسيمات المادة حيث أنها تشكل معظم المواد الفيزيائية التي تشغل عالمنا المادي والذري مثل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. تنبأ الفيزيائي الألماني فولفغانغ باولي (Wolfgang Pauli) بوجود الفرميونات لأول مرة في عام 1925، في محاولةٍ منه لإيجاد طريقة مقنعة لتفسير النموذج الذري الذي وضعه نيلز بور (Niels Bohr)عام 1922.

جنح بور إلى الاستدلال التجريبي في بناء نموذجه الذري الذي يتضمن مداراتٍ خاصة بالإلكترونات، وكذلك اوربتالات مستقرة تتحرك فيها حول نواة الذرة. على الرغم من التوافق التجريبي القوي بين ما افترضه بور ونموذجه الذري؛ إلّا أنه لم يكن هناك برهان علمي دامغ يفسر ثبات ذاك النموذج، وهو ما سعى باولي للوصول إليه.

توصل باولي في نهاية الأمر إلى أنه إذا قمنا بتعيين أعداد كمية (عُرفت فيما بعد بالدوران الكمي أو المغزلي)، خاصة بتلك الإلكترونات، فيمكننا أن نصل إلى مبدأ يجزم باستحالة تواجد إلكترونين في نفس الحالة الكمومية، وعرفت هذه القاعدة فيما بعد بمبدأ باولي للاستبعاد.

وفي عام 1926، حاول كل من إنريكو فيرمي (Enrico Fermi) وبول ديراك (Paul Dirac) أن يعملا بشكلٍ مستقلٍ لفهم الحالات الأخرى التي من شأنها أن تُحدث سلوكيات متناقضة في الإلكترونات داخل الذرة؛ ومن جراء ذلك توصلا إلى طريقةٍ إحصائيةٍ متكاملة للتعامل مع الإلكترونات.

كان لفيرمي السبق في التوصل إلى تلك الطريقة، ولكن هذا لا ينفي التقارب الشديد بينه وبين ديراك، رغم العمل بشكلٍ مستقلٍ، وقد بذل كل منهما مجهودًا كافيًّا لكي تتوج نتائجهما بإحصائياتٍ سميت تيمنًا بهما فيما يُعرف بإحصائيات فيرمي-ديراك، إلّا أن الفرميونات سميت نسبةً إلى فيرمي فقط.

العلاقة بين الفرميونات والبوزونات

  • غالبًا ما تتعلق الفرميونات بالمادة، بينما تكون البوزونات هي الجسيمات الحاملة للقوى الأساسية الأربع المتواجدة في الطبيعة (القوى الكهرومغناطيسية، والقوى النووية القوية، والقوى النووية الضعيفة، وقوة الجاذبية)، فإذا كان الفرميون ينتج بوزون، ويتبادله معه فرميون آخر؛ فالقوى الأساسية الأربع موجودةٌ بين الفرميونات!.
  • تُصنف الفرميونات هي الأخرى إلى كواركات (Quarks) ولبتونات (liptons):
    • الكواركات: عبارة عن فرميونات مزدوجة، لا يمكنك ملاحظتها بشكلٍ مستقلٍ، أي دائمًا ما يتواجد الكوارك مع كوارك آخر. في التفاعلات القوية بين الكواركات، يتبادلون نوع من البوزونات يُعرف بالغلونات (Gulons)، وعند تبادل الغلونات، يتغير لون الكوارك.
    • الليبتونات: هي تلك الفرميونات التي لا تخضع للازدواج مع الغلونات، وتعد الإلكترونات مثالًا شائعًا على الليبتونات.

أنواع الفرميونات

الفرميونات الأساسية

يوجد 12 نوعًا من الفرميونات الأساسية التي تم اكتشافها عمليًّا وهي فائقة الصغر؛ إذ لا يمكنها أن تتشكل من جسيماتٍ أصغر منها، وتُصنف الفرميونات الأساسية في مجموعتين:

  • الكواركات: وهي الجسيمات التي تُشكل الهدرونات (Hadrons) مثل البروتونات والنيوترونات، وللكواركات ستة أنواعٍ وهي:
  1. الكوارك العلوي أو الصاعد (UP Quark) .
  2. الساحر (Charm).
  3. القمي (Top).
  4. السفلي أو الهابط (Down).
  5. الغريب (Strange).
  6. القعري (Bottom).
  • اللبتونات: ولها ستة أنواعٍ أيضًا كالتالي:
  1. الإلكترون (Electron).
  2. إلكترون نيوترينو (Electron Neutrino).
  3. الميون (Muon).
  4. ميون نيترينو (Muon Neutrino).
  5. تاو (Tau).
  6. تاو نيترينو (Tau Neutrino).
صورة توضيحية لتصنيفات الفرميونات مع رمز كل منها
صورة توضيحية لتصنيفات الفرميونات مع رمز كل منها

بالإضافة إلى الجسيمات المذكورة أعلاه، تتنبأ نظرية التناظر الفائق (Supersymmetry Theory)، بأن لكل بوزون نظير من الفرميونات لم يتم تحديده بعد، ونظرًا لأن عدد البوزونات الأساسية يتراوح من 4 إلى 6 بوزون، ومع افتراض صحة نظرية التناظر الفائق، فلا بد من وجود نفس العدد من الفرميونات التي لم يتم اكتشافها بعد، ربما لعدم استقرارها حتى الآن.

الفرميونات المركبة

وهذا النوع ينجم عن دمج الفرميونات ببعضها البعض أو مع البوزونات، للحصول على جسيمٍ له دوران يعادل نصف عدد صحيح. تُظهر بعض الحسابات الأساسية أن أي جسيمٍ يحتوي على عددٍ فرديٍّ من الفرميونات، سينتهي به المطاف إلى دورانٍ مغزليٍّ يعادل نصف عدد صحيح، وستكون المادة – في تلك الحالة – فرميون بحد ذاتها. من أمثلة الفرميونات المركبة:

  • الباريونات (Baryons): وهي جسيماتٌ تشبه البروتونات والنيوترونات، وتتألف من ثلاثة كواركات متحدة معًا، ولأن لكل كوارك دوران مغزلي يعادل نصف عدد صحيح؛ فسيكون دائمًا للباريون الناتج دوران مغزلي مشابه له، بغض النظر عن أن هناك ثلاثة أنواعٍ من الكواركات المتحدة معًا لتُشكّله. تشكّل الباريونات مع الميزونات Mizons (مكوّنة من زوج من الكوارك وكوارك مضاد)، الهادرونات.
  • الهيليوم-3 (Helium-3): تحتوي نواة ذرة الهيليوم-3 على بروتونين ونيوترون واحد، بالإضافة إلى إلكترونين يدوران حولها، ونظرًا لتواجد عدد فردي من الفرميونات؛ فالدوران المغزلي الناتج يعادل نصف عدد صحيح، بما يعني أن ذرة الهيليوم-3 تعد فرميرونًا أيضًا.§ §.

نكهات الفرميونات

النكهة في فيزياء الجسيمات هي رقمٌ كميٌّ للجسيمات الأولية، يوجد 24 نوعًا من الفرميونات الأساسية، ويشار إليها بالنكهات الفرميونية، إذا أردنا التخصيص، فهناك 6 نكهاتٍ من الكواركات (كل نوعٍ نكهة كما ذكرنا الأنواع في الفقرة السابقة)، تحدد نكهة الكوارك خصائصه.

هناك ثلاثة أجيالٍ من الكوارك، يعتمد كل منها على أزواج من الأيزوسبين الضعيف (weak isospin) أو ما نسميه اللف النظائري الضعيف، بنوعيه السلبي والإيجابي، كما تحتوي جميع الكواركات على على رقم باريون (B = 1/3) ورقم لبتون (L = 0)، وعلى إثر ذلك؛ تحدد النكهة بعض الخصائص الفريدة والفردية للفرميونات.§.

624 مشاهدة