يكفي تجمع ثلاثة كواركات معًا لتكوين البروتون أو النيوترون، وهناك نوعان مختلفان (أو «نكهتان») للكواركات مطلوبان من أجل تكوين البروتون أو النيوترون؛ وهما يُعرَفان بالكواركات العلوية والسفلية (وعادةً ما يشار لهما بالاختصارين u وd على الترتيب). ويتكون البروتون من كواركين علويين وثالث سفلي، فيما يتكون النيوترون من كواركين سفليين وثالث علوي.

للكواركات شحنات كهربية ويحمل الكوارك العلوي شحنة مقدارها 2/3 من الشحنة (الموجبة) للبروتون، فيما يحمل الكوارك السفلي شحنة قدرها -3/1 (أي شحنة سالبة). ومن ثَمَّ فإن الشحنة الكهربية الإجمالية للبروتون أو النيوترون هي الشحنات المنفردة للكواركات، وهكذا فإن البروتون (كواركان علويان وكوارك سفلي) يساوي
 2/3 + 2/3 - 1/3  = 1+ ، أما النيوترون (كواركان سفليان وكوارك علوي) فيساوي 2/3 + 1/3 - 1/3- = 0

للجسيمات زخم زاوي ذاتي، ويُطلَق عليه اسم «اللف المغزلي»، ويقاس مقدار اللف المغزلي بوحدات ثابت بلانك، h، مقسومة على π2 ومتى استخدمت هذه الصيغة في عموم الفيزياء الذرية وفيزياء الجسيمات، يشار إليها بالرمز ħ ويملك كل من البروتونات والنيوترونات والكواركات من اللف المغزلي المقدار 2/ħ أو اختصارًا (لف مغزلي قدره 1/2).

يمكن جمع اللف المغزلي أو طرحه ما دام الناتج ليس سالبًا؛ لذا الجمع بين جسيمين لكل منهما لف مغزلي قدره 1/2 ينتج عنه إما صفر أو 1، بينما الجمع بين ثلاثة كواركات ينتج عنه إما 1/2 أو 3/2. للبروتون والنيوترون لف مغزلي قدره 1/2، وهو ناتج عن اتحاد اللف المغزلي لثلاثة كواركات وفق الصيغة السالف ذكرها. وحين تتحد الكواركات بإجمالي لف مغزلي قدره 3/2، تكون طاقتها الإجمالية أكبر بنحو طفيف، وهذا ينتج عنه تكون الجسيمات القصيرة العمر المعروفة باسم «التجاوبات∆»، والتي تملك نحو 30% إضافية من الكتلة مقارنةً بالبروتون أو النيوترون، وهي تعيش لأقل ^23-10 من ثوان قبل أن تتحلل ثانية إلى البروتونات والنيوترونات الأكثر استقرارًا. (^23-10 ثوان هو وقت قصير لدرجة يستحيل تصوُّرها، لكنه تقريبًا الوقت الذي يستغرقه الضوء في اجتياز نواة ذرة وحيدة.) تسمح قواعد ميكانيكا الكم (مبدأ الاستبعاد لباولي) فقط لارتباطات معينة أن تحدث بين مقادير اللف المغزلي ونكهات الكواركات، وهذا هو ما يمنع ثلاثة كواركات علوية أو سفلية «متطابقة» من الاتحاد بحيث يكون صافي لفها المغزلي 1/2، ومن ثَمَّ لا يوجد أشقاء للبروتون والنيوترون بشحنة قدرها +2 أو -1 مكونة على الترتيب من ثلاثة كواركات علوية أو ثلاثة كواركات سفلية. على النقيض، حين تتحد ثلاثة كواركات بلف مغزلي قدره 2/3، يُسمح لثلاث نكهات» متطابقة من الكواركات بالاتحاد معًا؛ ومن هنا توجد أمثلة على اتحاد ثلاثة كواركات علوية ++∆، وثلاثة كواركات سفلية -∆ (يشير الرمزان العلويان إلى شحنتيهما الكهربيتين). التفاصيل الكاملة للكيفية التي تظهر بها هذه الارتباطات تتضمن خواص للكواركات تحكم القوى الشديدة التي تربط بين الكواركات (انظر الفصل السابع)، حيث أنها تخرج عن نطاق هذه المقدمة الوجيزة.

تبلغ كتلة الكواركات المنفردة نحو عشرة أضعاف كتلة الإلكترون. وبما أن البروتون والنيوترون لهما كتلة متشابهة - تبلغ نحو ألفي مرة قدر كتلة الإلكترون - ثمة سؤالان علينا الإجابة عنهما؛ الأول: كيف يحصل البروتون والنيوترون على هذه الكتلة الضخمة؟ والثاني: هل كتل هذه الكواركات التي يمكن اعتبارها مماثلة لكتلة الإلكترون، تشير إلى وجود نوع من الوحدة العميقة بين المكونات الأساسية للمادة؟

 تتحد الكواركات بعضها ببعض بإحكام، وتبقى على الدوام في مجموعات ثلاثية كتلك التي تكون الجسيم الذي نسميه البروتون. لم يحدث قط أن عُزل أحد الكواركات عن رفاقه، وعالم الكواركات يمتد فقط لمسافة ^15-10 أمتار التي هي مساحة حجم البروتون، وهذا الاحتجاز داخل (الفمتو گون) البالغ حجمه ^15-10 أمتار والذي نسميه البروتون، هو ما يمنح الكواركات طاقتها الإجمالية البالغة نحو 938 ميجا إلكترون فولت كتلة البروتون، والتي هي رأينا كيف أن ثمة علاقة بين الأطوال والطاقة، وأن المسافات في نطاق ^15-10 أمتار تكافئها طاقة قدرها نحو 1 جيجا إلكترون فولت علاقة التكافؤ الفعلية ذات الصلة هنا تتضمن عوامل قدرها 2 وπ، وهو ما يخرج بنا عن نطاق هذه المقدمة الوجيزة، لكن النتيجة هي أن الكوارك العلوي أو السفلي - الذي إن تُرِك وحيدًا ستكون طاقته بضعة ميجا إلكترون فولت - حين ينحصر داخل الفمتو گون البالغ حجمه 10^-10 أمتار ستكون طاقته نحو 200 إلى 300 ميجا إلكترون فولت. إن الكواركات تتفاعل بقوة مع بعضها (ويجب أن يكون الأمر كذلك لأنه لا مهرب لها!) والتفاصيل الكاملة للكيفية التي صارت بها كتلة البروتون 938.4 ميجا إلكترون فولت تحديدًا تقع خارج نطاق أي نظرية نملكها في الوقت الحالي.

الكوارك السفلي أكبر من الكوارك العلوي بنحو بضعة ميجا إلكترون فولت لا نعلم سبب هذا (في الواقع، لا نعلم السبب وراء امتلاك هذه الجسيمات الأساسية، بما فيها الإلكترونات، لمقادير الكتل التي تملكها)، لكن هذا يفسر سبب كون النيوترون أكبر قليلا من البروتون. إن التجمُّع الثلاثي لكواركين علويين وكوارك سفلي (البروتون)، والتجمع الثلاثي لكواركين سفليين وكوارك علوي (النيوترون)، سيكون له كتلة قدرها نحو 1 جيجا إلكترون فولت، وذلك بفضل انحباس الكواركات داخل منطقة مساحتها ^15-10 أمتار. ستكون هناك اختلافات في نطاق 1 ميجا إلكترون فولت نتيجة لخاصيتين: (1) أن النيوترون به كوارك سفلي إضافي على حساب كوارك علوي مقارنة بالبروتون، والكتلة الأكبر بهذا الكوارك السفلي تمنح النيوترون إجمالا كتلة أكبر من الثلاثي المكافئ المكون للبروتون. (2) القوى الكهروستاتيكية بين كواركين علويين وكوارك سفلي (كما في البروتون) ستختلف عن تلك الموجودة بين كواركين سفليين وكوارك علوي (كما في النيوترون). هذه الاختلافات أيضًا تسهم في الطاقة الإجمالية في نطاق الميجا إلكترون فولت؛ وبهذا يكون فارق الكتلة بين النيوترون والبروتون (1.3 ميجا إلكترون فولت من واقع التجارب) راجعًا إلى القوى الكهروستاتيكية بين الكواركات المكونة لكل منهما، والكتلة الذاتية الأكبر للكوارك السفلي مقارنة بنظيره العلوي.

الكواركين العلوي والسفلي أشقاء في عائلة الكواركات، لكن الإلكترون لا يتكون من كواركات، وفي حدود علمنا هو جسيم أساسي شأنه شأن الكوارك، وبهذا ينتمي الإلكترون إلى عائلة مختلفة، تُعرف باللبتونات ومثلما يتجمع الكواركان العلوي والسفلي معا بفارق قدره وحدة واحدة بين شحنتيهما الكهربيتين (بمعنى أن
 +2/3 - (1/3-) = 1، فالإلكترون أيضًا له شقيق تختلف شحنته الكهربية عن شحنة الإلكترون بمقدار وحدة واحدة فقط. هذا الجسيم، عديم الشحنة الكهربية، يُعرف باسم «النيوترينو».

تُنتج النيوترينوات في عمليات التحلُّل الإشعاعي للعديد من الأنوية الذرية. ففي هذه العمليات، تظهر النيوترينوات إلى جانب أشقائها الإلكترونات. على سبيل المثال، ما دام النيوترون ليس حبيسًا داخل نواة، فإنه يتحوّل إلى بروتون من خلال إطلاق إلكترون ونيوترينو خلال هذه العملية. يُطلق على هذا اسم تحلُّل بيتا، حيث ينتج عدم استقرار النيوترون عن امتلاكه كتلة أكبر قليلا من كتلة البروتون. تسعى الطبيعة للوصول إلى حالات الطاقة الأدنى، وهو ما يُترجم في هذه الحالة إلى حالة الكتلة الأدنى. إن مقدار الكتلة الزائد الذي يملكه النيوترون هو الذي يجعله غير مستقر (قليلا) حين يُترك منفردًا. وإذا امتلكت مجموعة كبيرة من النيوترونات كلٌّ منها حر عن الآخرين، فبعد حوالي عشر دقائق سيتحلل نصفها بفعل نشاط بيتا الإشعاعي. وإذا أشرنا إلى النيوترون والبروتون بالرمزين n وp على الترتيب، وإلى الإلكترون والنيوترينو بالرمزين ‑e وv يمكن تلخيص تحلّل بيتا للنيوترون بالمعادلة التالية:

n→ p+ e- + v

ليس للنيوترون شحنة كهربية إجمالاً، ويظل الوضع كذلك في تحلُّل بيتا؛ إذ يملك البروتون وحدة واحدة موجبة تعادل شحنة الإلكترون السالبة والبروتون الذي هو أخف حالة مكونة من ثلاثة كواركات يتسم بالاستقرار أو على الأقل إذا كانت البروتونات غير مستقرة، فإن متوسط أعمارها أكبر من 10³² أعوام!)

شكل 4-2: تحلُّل بيتا للنيوترون.

مواضيع ذات صلة

Normal modes

Waves in three dimensions

Probability amplitudes for particles

The random walk

Nuclei and particles

الزخات الهوائية Air Showers

النيوترينات Neutrinos

النيوكليونات Nucleons

النوى الثقيلة Heavy Nuclei

المركبة الكهرومغناطيسية

الميونات Mouns

الأشعة الكونية الثانوية Secondary Cosmic Rays