خلال القرنين التاسع عشر والعشرين ، بدأ الفيزيائيون في التعمق في طبيعة المادة والطاقة. من خلال القيام بذلك ، أدركوا بسرعة أن القواعد التي تحكمهم تصبح ضبابية بشكل متزايد كلما ذهب الأمر الأعمق. في حين كانت النظرية السائدة هي أن كل المادة تتكون من ذرات غير قابلة للتجزئة ، بدأ العلماء يدركون أن الذرات نفسها تتكون من جزيئات أصغر.
من هذه التحقيقات ، ولد النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. وفقًا لهذا النموذج ، تتكون جميع المواد في الكون من نوعين من الجسيمات: الهدرونات - التي يحصل منها مصادم الهادرون الكبير (LHC) على اسمها - ولبتونات. حيث تتكون الهادرونات من جسيمات أولية أخرى (الكواركات ، المضادة للكواركات ، إلخ) ، فإن اللبتونات هي جسيمات أولية موجودة بمفردها.
تعريف:
كلمة ليبتون تأتي من اليونانية اللبتوسوالتي تعني "صغير" أو "رفيع" أو "رفيع". أول استخدام مسجل للكلمة كان من قبل الفيزيائي ليون روزنفيلد في كتابهالقوى النووية (1948). في الكتاب ، أرجع استخدام الكلمة إلى اقتراح قدمه الكيميائي والفيزيائي الدنماركي البروفيسور كريستيان مولر.
تم اختيار المصطلح للإشارة إلى جزيئات الكتلة الصغيرة ، حيث كانت اللبونات الوحيدة المعروفة في زمن روزنفيلد هي الميونات. هذه الجسيمات الأولية أكبر من 200 مرة من الإلكترونات ، ولكن لديها فقط حوالي كتلة كتلة البروتون. إلى جانب الكواركات ، فإن اللبتونات هي لبنات البناء الأساسية للمادة ، وبالتالي يُنظر إليها على أنها "جسيمات أولية".
أنواع اللبتونات:
وفقًا للنموذج القياسي ، هناك ستة أنواع مختلفة من اللبتونات. وتشمل هذه الجسيمات الإلكترون ، وميون ، وتاو ، بالإضافة إلى النيوترينوات المرتبطة بها (أي النيوترينو الإلكترون ، وميتون نيوترينو ، وتاو نيوترينو). تحتوي اللبتونات على شحنة سالبة وكتلة مميزة ، بينما تحتوي نيوتريناتها على شحنة محايدة.
الإلكترونات هي الأخف ، بكتلة 0.000511 جيجا إلكترون فولت (GeV) ، في حين أن كتلة الميونات 0.1066 جزيء جزيء تاو (الأثقل) لها كتلة 1.777 جيف. الأنواع المختلفة من الجسيمات الأولية تسمى عادة "النكهات". في حين أن كل من نكهات lepton الثلاثة مختلفة ومميزة (من حيث تفاعلاتها مع الجسيمات الأخرى) ، فهي ليست ثابتة.
يمكن للنيوترينو تغيير نكهته ، وهي عملية تعرف باسم "تذبذب نكهة النيوترينو". يمكن أن يأخذ هذا عددًا من الأشكال ، بما في ذلك النيوترينو الشمسي أو النيوترينو الجوي أو المفاعل النووي أو تذبذبات الشعاع. في جميع الحالات المرصودة ، تم تأكيد التذبذبات من خلال ما يبدو أنه عجز في عدد النيوترينوات التي يتم إنشاؤها.
أحد الأسباب الملحوظة يتعلق بـ "اضمحلال الميون" (انظر أدناه) ، وهي العملية التي تغير فيها الميونات نكهتها لتصبح نيوترينات إلكترونية أو نيوترينو تاو - اعتمادًا على الظروف. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جميع اللبتونات الثلاثة ونيوترينواتها لها جسيم مضاد (antilepton).
بالنسبة لكل منها ، فإن antileptons لها كتلة متطابقة ، ولكن كل الخصائص الأخرى معكوسة. تتكون هذه الاقترانات من الإلكترون / البوزيترون ، الميون / الأنتيمون ، تاو / أنتيتاو ، الإلكترون نيوترينو / مضاد الإلكترون نيوترينو ، نيون نيوترينو / موان إنترينو ، تاو نيوترينو / تاو أنتينوترينو.
يفترض النموذج القياسي الحالي أنه لا يوجد أكثر من ثلاثة أنواع (المعروفة أيضًا باسم "أجيال") من اللبتون مع النيوترينوات المرتبطة بها الموجودة. يتوافق هذا مع الأدلة التجريبية التي تحاول نمذجة عملية التخليق النووي بعد الانفجار الكبير ، حيث كان وجود أكثر من ثلاثة لبتونات قد أثر على وفرة الهليوم في أوائل الكون.
الخصائص:
تمتلك جميع اللبتونات شحنة سالبة. كما أنها تمتلك دورانًا جوهريًا في شكل دورانها ، مما يعني أن الإلكترونات ذات الشحنة الكهربائية - أي "اللبتونات المشحونة" - ستولد مجالات مغناطيسية. إنهم قادرون على التفاعل مع المواد الأخرى فقط على الرغم من القوى الكهرومغناطيسية الضعيفة. في النهاية ، تحدد شحنتها قوة هذه التفاعلات ، وكذلك قوة مجالها الكهربائي وكيف تتفاعل مع المجالات الكهربائية أو المغناطيسية الخارجية.
ومع ذلك ، لا أحد قادر على التفاعل مع المادة عبر قوى قوية. في النموذج القياسي ، يبدأ كل لبتون بدون كتلة ذاتية. تكتسب اللبتونات المشحونة كتلة فعالة من خلال التفاعل مع حقل هيجز ، بينما تبقى النيوترينوات عديمة الكتلة أو لها كتل صغيرة جدًا.
تاريخ الدراسة:
كان أول إلكترون يتم تحديده هو الإلكترون ، الذي اكتشفه الفيزيائي البريطاني ج.ج. طومسون وزملاؤه في عام 1897 باستخدام سلسلة من تجارب أنبوب أشعة الكاثود. جاءت الاكتشافات التالية خلال ثلاثينيات القرن العشرين ، مما سيؤدي إلى إنشاء تصنيف جديد للجسيمات الضعيفة التفاعل التي كانت مشابهة للإلكترونات.
تم اكتشاف الاكتشاف الأول من قبل الفيزيائي النمساوي السويسري وولفغانغ باولي في عام 1930 ، الذي اقترح وجود النيوترينون الإلكتروني من أجل حل الطرق التي يتعارض فيها انحلال بيتا مع قانون الحفاظ على الطاقة ، وقوانين نيوتن للحركة (على وجه التحديد الحفاظ على الزخم والحفاظ على الزخم الزاوي).
اكتشف Carl D. Anders البوزيترون والميون في عام 1932 و 1936 على التوالي. بسبب كتلة الميون ، كان مخطئًا في البداية أنه ميزون. ولكن بسبب سلوكه (الذي يشبه سلوك الإلكترون) وحقيقة أنه لم يخضع لتفاعل قوي ، أعيد تصنيف الميون. جنبا إلى جنب مع الإلكترون ونيوترينو الإلكترون ، أصبح جزءًا من مجموعة جديدة من الجسيمات المعروفة باسم "اللبتونات".
في عام 1962 ، تمكن فريق من علماء الفيزياء الأمريكيين - يتألفون من ليون إم ليدرمان ، وميلفين شوارتز ، وجاك شتاينبرغر - من الكشف عن تفاعلات الميونات نيوترينو ، مما يدل على وجود أكثر من نوع واحد من النيوترينو. في الوقت نفسه ، افترض الفيزيائيون النظريون وجود العديد من النكهات الأخرى للنيوترينوات ، والتي سيتم تأكيدها تجريبيًا في النهاية.
يتبع جزيء تاو في السبعينيات ، بفضل التجارب التي أجراها الفيزيائي الحائز على جائزة نوبل مارتن لويس بيرل وزملائه في مختبر المسرعات الوطني SLAC. تبعت الأدلة على النيوترينو المرتبط بها بفضل دراسة انحلال تاو ، والتي أظهرت فقدان الطاقة والزخم مماثلاً للطاقة المفقودة والزخم الناجم عن تحلل بيتا للإلكترونات.
في عام 2000 ، تم ملاحظة تاو نيوترينو مباشرة بفضل الملاحظة المباشرة لتجربة NU Tau (DONUT) في Fermilab. سيكون هذا هو الجسيم الأخير للنموذج القياسي الذي يتم ملاحظته حتى عام 2012 ، عندما أعلنت CERN أنها اكتشفت جسيمًا يحتمل أن يكون هيجز بوسون الذي سعى إليه طويلًا.
اليوم ، هناك بعض فيزيائيي الجسيمات الذين يعتقدون أن هناك لبتونات لا تزال تنتظر العثور عليها. إن جزيئات "الجيل الرابع" ، إذا كانت حقيقية بالفعل ، ستوجد خارج النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، ومن المحتمل أن تتفاعل مع المادة بطرق أكثر غرابة.
لقد كتبنا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول اللبتين والجسيمات دون الذرية هنا في مجلة الفضاء. إليك ما هي الجسيمات دون الذرية ؟، ما هي Baryons ؟، أول تصادم LHC ، تم العثور على جزيئين دون ذريين جديدين ، والفيزيائيين ، ربما ، فقط ، تأكدوا من الاكتشاف المحتمل للقوة الخامسة للطبيعة.
لمزيد من المعلومات ، يقدم مركز الزائر الافتراضي التابع لـ SLAC مقدمة جيدة إلى Leptons وتأكد من مراجعة مراجعة مجموعة بيانات الجسيمات (PDG) الخاصة بفيزياء الجسيمات.
يلقي فريق علم الفلك أيضًا حلقات حول هذا الموضوع. إليك الحلقة 106: البحث عن نظرية كل شيء ، والحلقة 393: النموذج القياسي - Leptons & Quarks.
مصادر:
- ويكيبيديا - ليبتون
- Hyperphysics - اللبتونات
- Phys.org - شرح: ما هي اللبتونات؟
- مغامرة الجسيمات - ليبتون
- موسوعة بريتانيكا - ليبتون
