تكفَّلَتْ ميكانيكا الكم بحل اللغز المتمثل في كيفية تكوين الذرات «الخاوية» للمادة الصلبة، ويكمن الحل في حقيقة أن الإلكترونات (والكواركات والبروتونات والنيوترونات) كلها تملك لفّا مغزليا داخليا يساوي نصف المقدار المعروف باسم ثابت بلانك، ورمزه h. هذه الجسيمات (ذات اللف المغزلي 1/2) تُعرَف إجمالاً باسم الفرميونات. تقضي ميكانيكا الكم باستحالة أن يشغل اثنان من الفرميونات الموضع عينه، وبنفس حالة الحركة، وباللغة المتخصصة نقول إنه يستحيل عليهما أن يشغلا الحالة الكمية عينها»، وهذا يتسبب في جعل الإلكترونات المختلفة داخل الذرات المعقدة تشغل حالات محددة، ويتسبب في حدوث التفاعلات الكيميائية، أو الخمول، للعناصر المختلفة. وهذا القانون أيضًا يمنع أي إلكترون داخل نفس الذرة من الالتصاق بسهولة بإلكترون ينتمي لذرة أخرى مجاورة، وهذا ما تقوم عليه خصائص عديدة للمادة الكثيفة، على غرار الصلابة.

القوى العاملة بين هذه الفرميونات تُنقل بواسطة الفوتونات، والجلوونات والبوزونات W وZ. لاحظ أننا استخدمنا كلمة «بوزونات»، وهي كلمة عامة تشير إلى الجسيمات ذات اللف المغزلي المقدر بأرقام صحيحة هي مضاعفات ثابت بلانك. كل حاملات القوى هذه، بوزونات ولها لف مغزلي ذو رقم صحيح. وعلى النقيض من الفرميونات - التي لا يمكن لأحدها الوجود في موضع الآخر - تميل البوزونات إلى التجمع مكونة حالات جمعية، كما الحال مع الفوتونات المؤلفة لأشعة الليزر.

رأينا أن الفرميونات - الكواركات واللبتونات - تظهر وحدة عميقة، والأمر عينه ينطبق على البوزونات الحاملة للقوى. لماذا تتألف «جسيمات المادة» (ظاهريا) من فرميونات ذات لف مغزلي قدره 1/2، بينما تُنقل القوى بواسطة بوزونات ذات لف مغزلي قدره واحد صحيح؟ هل يمكن أن يكون هناك تناظر إضافي بين القوى وجسيمات المادة، بحيث يكون للفرميونات المعروفة نظراء من بوزونات جديدة، ويكون للبوزونات المعروفة نظراء من فرميونات جديدة، وبحيث تُنقل قوى جديدة بواسطة هذه الفرميونات؟ هل يمكن لهذا أن يؤدي إلى توحيد أكثر اكتمالاً بين القوى والجسيمات؟ وفق النظرية المعروفة باسم التناظر الفائق الإجابة هي نعم.

في نموذج التناظر الفائق، هناك عائلات من البوزونات ترافق الكواركات واللبتونات المعروفة، وهي تُعرف باسم «الكواركات الفائقة» و«اللبتونات الفائقة». لو كان التناظر الفائق دقيقا على نحو تام، فسيكون لكل نوع من اللبتونات أو الكواركات الكتلة التي يملكها نظيره الفائق. سيكون لكل من الإلكترون والإلكترون الفائق الكتلة عينها، وبالمثل سيكون للكوارك العلوي والكوارك العلوي الفائق الوزن نفسه، وهكذا. لكن في الواقع، لا تسير الأمور على هذا النحو؛ فالإلكترون الفائق، لو كان له وجود، فستبلغ كتلته قدرًا أكبر بكثير من 100 جيجا إلكترون فولت، وهو ما يعني ضمنًا أنه سيكون أثقل بمئات آلاف المرات من الإلكترون. والأمر عينه ينطبق على الكواركات الفائقة واللبتونات الفائقة.

يمكن قول نفس الشيء على النظراء الفائقين للبوزونات المعروفة. ففي نموذج التناظر الفائق هناك عائلات من الفرميونات تناظر البوزونات المعروفة، وهنا تضاف اللاحقة «- ينو» إلى نهاية اسم البوزون المعروف للإشارة إلى نظيره الفرميوني الفائق، وبهذا يكون لدينا الفوتون الفائق (الفوتينو) والجلوون الفائق (الجلووينو) وبوزون Z الفائق (الزينو) وبوزون W الفائق (الوينو). أما جسيم الجرافيتون الافتراضي، الذي يُفترض أن يحمل قوة الجاذبية، فيُتنبأ بأن له نظيرًا فائقًا هو الجرافيتينو. وهنا أيضًا، لو كان التناظر الفائق تاما، لكان كلٌّ من الفوتينو والجلووينو والجرافيتينو عديم الكتلة على غرار الفوتون والجلوون، والجرافيتون، أما الوينو والزينو فستكون كتلتاهما 80 و90 جيجا إلكترون فولت على غرار البوزون Z والبوزون W. لكن كما شهدنا في الحالة السابقة، فإن للنظراء الفائقين هنا أيضًا كتلاً أكبر بكثير من الجسيمات الأصلية المناظرة لها.

المزحة المعتادة، والفاترة أيضًا، هي أن التناظر الفائق لا بد من أن يكون صحيحًا؛ إذ إننا وجدنا نصف الجسيمات بالفعل. بعبارة أخرى، لم يحدث بعد أن عثرنا على أي دليل قاطع على وجود أي كوارك فائق أو لبتون، فائق ولا أي فوتينو أو جلووينو أو وينو أو زينو. ويحتل البحث عن هذه الجسيمات في الوقت الحالي أولوية عظمى.

في ظل هذا النقص في الأدلة على وجود الجسيمات الفائقة، قد يتعجب المرء من سبب إيمان المنظرين بنموذج التناظر الفائق من الأساس. يتضح لنا أن مثل هذا التناظر أمر طبيعي للغاية، على الأقل من الناحية الحسابية، في ظل طبيعة الزمان والمكان كما تتضمنها نظرية النسبية لأينشتاين وطبيعة نظرية الكم. فالنمط الناتج من الجسيمات الفائقة يحل بعضًا من المشكلات الفنية في الصياغة الحالية لفيزياء الجسيمات، ويضفي التوازن على نظريات الكم الخاصة بسلوك القوى المختلفة على الطاقات العالية واستجابات الجسيمات لهذه القوى. باختصار، دون نموذج التناظر

شكل 10-1: ملخص لجسيمات نموذج التناظر الفائق: النيوترينوات الضخمة والتذبذبات.

الفائق، تؤدي محاولات بعينها لبناء نظريات موحدة إلى نتائج عبثية، على غرار إمكانية أن تقع أحداث معينة باحتمالات لا نهاية لها، ومع ذلك فإن التفاوتات الكمية، التي فيها يمكن للجسيمات والجسيمات المضادة أن تظهر لحظيا من الفراغ قبل أن تتلاشى مجددًا، يمكن أن تتأثر بجسيمات نموذج التناظر الفائق إلى جانب تأثرها بالجسيمات المعروفة الأخرى. ومن دون الإسهامات التي يقدِّمها نموذج التناظر الفائق، تعطي بعض العمليات الحسابية نتائج عبثية، على غرار الاحتمالات اللانهائية التي ذكرناها سلفًا، لكن حين تُدرج إسهامات هذا النموذج، تظهر نتائج أكثر معقولية. وتشجع حقيقة أن تلك النتائج المجافية للمنطق قد اختفت ما إن تم استخدام نموذج التناظر الفائق؛ آمال العلماء في أن التناظر الفائق موجود بالفعل في نظام الطبيعة. لا شك في أن التخلص من النتائج العبثية أمر ضروري، لكننا ما زلنا لا نعرف ما إذا كانت النتائج المعقولة تتوافق بالفعل مع الطريقة التي تسير بها الأمور داخل الطبيعة على أفضل التقديرات لمحات عن أن نموذج التناظر الفائق يعمل بنجاح، وإن كان يعمل على نحو خفي علينا في الوقت الحالي. والتحدي هو إنتاج جسيمات تناظرية فائقة في التجارب العملية، وهذا من شأنه إثبات النظرية وتمكين الفهم المفصل لها من الظهور، من واقع دراسة خصائص هذه الجسيمات.

قد يكون التناظر الفائق مسؤولاً على الأقل عن بعض من المادة المظلمة التي تبدو وكأنها تهيمن على الكون المادي. فمن واقع حركة المجرات وغيرها من القياسات الكونية، يمكن الخلوص إلى أن نحو 90 بالمائة من الكون يتكون من مادة «مظلمة» غامضة، ومظلمة هنا تعني أنه ليس لها أي سطوع، وهو ما قد يرجع إلى أن القوة الكهرومغناطيسية لا تؤثر بها. في نموذج التناظر الفائق، إذا كانت أخف الجسيمات الفائقة متعادلة الشحنة الكهربية، على غرار الفوتينو والجلووينو مثلًا، فيمكنها أن تكون شبه مستقرة؛ ومن ثَمَّ يكون بمقدور هذه الجسيمات تكوين مجموعات كبيرة الحجم بفضل قوى الجذب المتبادلة بينها، وذلك على نحو أشبه بالطريقة التي تكونت بها النجوم في بداياتها. لكن بينما تتكون النجوم من الجسيمات العادية - ويكون بإمكانها المرور بعملية الاندماج النووي وأن تستشعر الضوء بفضل استشعارها القوى الأربع كافة - فإن البوزونات الفائقة لن يكون بوسعها ذلك. وحين تكتشف جسيمات التناظر الفائق - إن اكتشفت من الأساس - فسيكون من المثير معرفة ما إذا كانت الجسيمات المتعادلة المطلوبة هي بالفعل أخف الجسيمات، وما إذا كانت تملك الخصائص المطلوبة، وإذا تبين أن الأمر كذلك بالفعل، فسنكون بصدد أجمل تلاق يمكن أن يحدث بين مجال فيزياء الجسيمات العالية الطاقة والكون إجمالاً.

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