جزء مهم في قصتنا يتمثل في كيفية معرفتنا بهذه الأشياء. للتعرف على كوننا على جميع المستويات - بداية من المسافات الشاسعة التي تفصلنا عن النجوم، وحتى المسافات الصغيرة الموجودة داخل نواة الذرة - على نحو يستحيل تخيله سنحتاج إلى مضاعفة حواسنا بمساعدة بعض المعدات. تمكّننا التلسكوبات من النظر بعيدا، بينما تكشف الميكروسكوبات عما تكون عليه الأشياء على مسافات صغيرة. حيث أن النظر داخل نواة الذرة يتطلب نوعًا خاصًا من الميكروسكوبات يُعرَف بمعجلات الجسيمات التي يتم داخلها - بواسطة المجالات الكهربية - تعجيل جسيمات ذات شحنة كهربية على غرار الإلكترونات أو البروتونات إلى سرعات عالية تناهز سرعة الضوء، ثم جعلها تصطدم بأهداف محددة من المادة أو حتى تصطدم بعضها ببعض. يمكن لنتائج عمليات الاصطدام هذه أن تكشف عن البنية العميقة للمادة. وهي لا تكشف فقط عن الكواركات التي: تمثل أساس نواة الذرة، بل تكشف أيضًا عن أشكال مذهلة من المادة ذات أسماء عجيبة - على غرار الكواركات الغريبة والساحرة والقمِّية والقاعية - إضافةً إلى ما يبدو كأنه أشكال أثقل للإلكترون، تُعرف بالميوون والتاوون. لا تلعب هذه الجسيمات دورًا واضحا في المادة التي من المعتاد أن نجدها على الأرض، وليس من المفهوم تماما بعد سبب استخدام الطبيعة لها. وتُعَدُّ الإجابة على مثل هذه التساؤلات من التحديات التي تجابهنا في الوقت الحالي.

شكل 1-1: داخل الذرة. تتكون الذرة من إلكترونات تدور عن بعد حول نواة مركزية ضخمة. تتكون النواة من بروتونات ونيوترونات. البروتونات موجبة الشحنة، أما النيوترونات فمتعادلة الشحنة. البروتونات والنيوترونات بدورهما تتكونان من جسيمات أصغر تُسمَّى الكواركات وفق أفضل ما أجرينا من تجارب، يبدو أن الإلكترونات والكواركات هي الجسيمات الأساسية التي لا تتكون من أي مكونات أخرى أصغر.

رغم أن هذه الأشكال العجيبة من المادة ليست هي السائدة اليوم، يبدو أنها كانت وفيرة في اللحظات الأولى من عمر الكون عقب الانفجار العظيم، الذي أذِنَ ببداية كوننا المادي. وهذه الفكرة جاءتنا أيضًا من نتائج تجارب الجسيمات العالية الطاقة، إضافةً إلى الإدراك العميق لما تقوم به هذه التجارب. فلخمسين عامًا ركَزَتْ فيزياء الجسيمات العالية الطاقة على الكشف عن البنية الداخلية العميقة للمادة، وفهم الأشكال العجيبة للمادة التي ظهرت على نحو غير متوقع. وفي الربع الأخير من القرن العشرين، طورنا نظرة عميقة للكون مفادها أن الكون المادي الذي نراه اليوم ظهر نتيجة انفجار عظيم حار، وأن اصطدام الجسيمات دون الذرية قادر على أن يُعيد بصورة لحظية إنشاء الظروف التي كانت سائدة في تلك الحقبة المبكرة للغاية من عمر الكون.

وبناءً عليه، ننظر اليوم إلى الاصطدامات بين الجسيمات العالية الطاقة باعتبارها وسيلة لدراسة الظواهر التي سادت الكون حين كان وليدًا. فبإمكاننا دراسة الكيفية التي نشأت بها المادة، واكتشاف أنواع المادة المختلفة التي كانت موجودة وقتها؛ واستنادًا إلى هذه المعرفة يمكننا بناء النظرية الخاصة بكيفية تطوُّر الكون المادي من ذلك المرجل البدائي الحار وصولاً إلى الظروف الباردة الموجودة على الأرض اليوم، حيث تتألف المادة من إلكترونات، دون الحاجة إلى ميوونات وتاوونات، وحيث تتألف نواة الذرة من كواركات علوية وسفلية فقط، دون الحاجة للكواركات الغريبة أو الساحرة.

صورة عامة للغاية، هذه قصة ما حدث تكونت المادة التي ولدت أثناء الانفجار العظيم من كواركات وجسيمات أشبه بالإلكترونات. فيما يخص الكواركات، تتسم الكواركات الغريبة والساحرة والقمية والقاعية بعدم الاستقرار الشديد، ومن ثَمَّ فقد فَنَتْ في غضون كسر بسيط من الثانية، وحوَّلَتْها القوة الضعيفة إلى أشكال أكثر استقرارًا؛ وهي الكواركات العلوية والسفلية التي واصلت البقاء حتى يومنا هذا. وقد حدث أمر مشابه مع الإلكترون ونسختيه الأثقل؛ الميوون والتاوون. فالميوون والتاوون يتّسمان هما أيضًا بعدم الاستقرار، ومن ثَمَّ فقد فنيًا بفضل القوة الضعيفة وبقي الإلكترون وحده. خلال عمليات التحلل هذه أُنتجت كميات هائلة من النيوترينوات والإشعاع الكهرومغناطيسي، وهي لا تزال تغمر أرجاء الكون بعد مرور نحو 14 مليار عام على مولده.

ظلت الإلكترونات والكواركات العلوية والسفلية باقية بينما كان الكون وليدا حارا، ومع برودة الكون، التصقت الكواركات بعضها ببعض، مكونةً البروتونات والنيوترونات. وقد تسببت قوى الجذب المتبادلة بين هذه الجسيمات في تجميعها على صورة سُحب شكلت النجوم البدائية. وبينما اصطدمت هذه الجسيمات بعضها ببعض في قلوب تلك النجوم، كونت البروتونات والنيوترونات بذرة العناصر الأثقل صارت بعض النجوم غير مستقرة وانفجرت مُطلقة هذه الأنوية الذرية في الفضاء، حيث حاصرت الإلكترونات مكونة ذرات المادة كما نعرفها. هذا ما نعتقد أنه حدث منذ نحو خمسة مليارات عام، حين كانت المجموعة الشمسية في طور التكون، فتلك الذرات الآتية من المستعرات العظمى البائدة منذ زمن بعيد هي ما يشكل أجسامنا اليوم.

ما يمكننا عمله اليوم في تجاربنا هو عكس هذه العملية وملاحظة المادة وهي تعود إلى صورها البدائية الأصلية. فإذا سخَّنَّا المادة إلى بضعة آلاف درجة فستتأين ذراتها؛ أي ستنفصل الإلكترونات عن الأنوية المركزية. هكذا الحال داخل الشمس؛ فالشمس بلازما؛ أي سُحُب من الإلكترونات والبروتونات ذات الشحنة الكهربية التي تدور على نحو مستقل. وفي درجات حرارة أعلى من تلك، مماثلة للظروف التي يمكن الوصول إليها في معجلات الطاقة العالية الصغيرة نسبيًّا، تتفكك الأنوية إلى مكوناتها الأساسية من بروتونات ونيوترونات. وفي ظل درجات حرارة أعلى من تلك، «تذوب» هذه الجسيمات بدورها متحوّلة إلى بلازما من الكواركات الحرة الحركة.