الفضاء والكون

تؤكد تجربة جديدة أن لا شيء يهم مع المادة المضادة


فقدت المادة المضادة المزيد من الإثارة.

يعرف الفيزيائيون أنه مقابل كل جسيم أساسي في الطبيعة يوجد جسيم مضاد، وهو توأم شرير له كتلة ودوران متماثلان ولكنه يتمتع بشحنات كهربائية متساوية ومتعاكسة. عندما يلتقي هذان التوأمان، فإنهما يمحوان بعضهما البعض، ويطلقان وميضًا من الطاقة عند التلامس.

في الخيال العلمي، توفر الجسيمات المضادة القوة اللازمة لمحركات الالتواء. تكهن بعض علماء الفيزياء بأن الجسيمات المضادة يتم صدها بواسطة الجاذبية أو حتى أنها تسافر إلى الوراء عبر الزمن.

تجربة جديدة في CERN، المركز الأوروبي للأبحاث النووية، تعيد بعض هذه التكهنات إلى الأرض. اتضح أنه في مجال الجاذبية، تسقط الجسيمات المضادة مثلنا تمامًا. وقال جويل فاجانز من جامعة كاليفورنيا في بيركلي: “خلاصة القول هي أنه لا يوجد غداء مجاني، ولن نكون قادرين على التحليق في الهواء باستخدام المادة المضادة”.

كان الدكتور فاجانز جزءًا من فريق دولي يُعرف باسم ALPHA، وهو جهاز تعاوني لجهاز فيزياء الليزر المضاد للهيدروجين، ومقره في CERN ويقوده جيفري هانجست، عالم فيزياء الجسيمات في جامعة آرهوس في الدنمارك. قام الدكتور فاجانز وزملاؤه بتجميع حوالي 100 ذرة هيدروجين مضادة وعلقوها في مجال مغناطيسي. عندما تم تخفيض المجال ببطء، انجرفت ذرات الهيدروجين المضاد إلى الأسفل مثل أوراق القيقب في أكتوبر وبنفس معدل التسارع الهبوطي، أو قوة الجاذبية، مثل الذرات العادية: حوالي 32 قدمًا في الثانية في الثانية. ونشروا نتائجهم يوم الأربعاء في مجلة نيتشر.

وقد فوجئ عدد قليل من علماء الفيزياء بالنتيجة. وفقا للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، فإن جميع أشكال المادة والطاقة تستجيب بشكل متساو للجاذبية.

وقال جوناثان ورتيلي، عالم الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، في إعلان صادر عن الجامعة: “إذا مشيت في قاعات هذا القسم وسألت الفيزيائيين، فسيقولون جميعًا إن هذه النتيجة ليست مفاجئة على الإطلاق”. جامعة. كان هو أول من اقترح التجربة على الدكتور فاجانز قبل عقد من الزمن. قال الدكتور ورتيلي: “هذا هو الواقع”.

وأضاف: “لكن معظمهم سيقولون أيضًا إنه كان لا بد من إجراء التجربة لأنه لا يمكنك التأكد أبدًا”. “النتيجة المعاكسة كان من الممكن أن يكون لها آثار كبيرة.”

في عام 1928، وفي أحد أكثر الأمثلة المذهلة للطبيعة بعد الرياضيات، وجد الفيزيائي بول ديراك أن معادلة ميكانيكا الكم التي تصف الإلكترون لها حلان. في إحداهما، كان الإلكترون مشحونًا بشحنة سالبة؛ هذا الجسيم هو العمود الفقري للكيمياء والكهرباء. وفي المحلول الآخر، كان الجسيم مشحونًا بشحنة موجبة.

ماذا كان هذا الجسيم؟ اعتقد ديراك أنه البروتون، لكن روبرت أوبنهايمر، الذي اشتهر لاحقًا بالقنبلة الذرية، اقترح أنه جسيم جديد تمامًا: بوزيترون، مطابق للإلكترون في الكتلة والدوران ولكن بشحنة كهربائية موجبة. وبعد ذلك بعامين، اكتشف كارل أندرسون، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، البوزيترونات في زخات الأشعة الكونية، وهو الاكتشاف الذي أكسبه جائزة نوبل في الفيزياء.

وهكذا ولد إغراء المادة المضادة. البروتونات موجبة الشحنة، التي تهيمن على النوى الذرية، تقابلها بروتونات مضادة سالبة الشحنة. تسمى الإلكترونات المضادة بالبوزيترونات. النيوترونات، الموجودة أيضًا في النوى الذرية، لها نيوترونات مضادة. الكواركات التي تشكل البروتونات لها كواركات مضادة، وهكذا.

من حيث المبدأ، يمكن أن تكون هناك عوالم مضادة بأكملها تسكنها كائنات مضادة. تقول النكتة إنه إذا قابلت نفسك، فإن هذا الشخص سيمد يده اليسرى للمصافحة، لكن من الأفضل ألا تأخذها وإلا ستنفجر كلاكما.

بالنسبة للعلماء، فإن إثارة المادة المضادة لا تكمن ببساطة في إضافتها إلى قائمة من الجسيمات ذات الأسماء الغريبة. بالنسبة لهم، فإن دراسة ذرات الهيدروجين المضاد هي الخطوة الأولى نحو اختبار بعض الفرضيات العميقة حول الطبيعة، والتي ترى أن المادة المضادة يجب أن تبدو وتتصرف بشكل مماثل للمادة العادية.

على مدار العشرين عامًا الماضية، قام علماء من مجموعة ALPHA بجمع المادة المضادة في CERN، حيث قاموا بسحب البروتونات المضادة عالية الطاقة من الاصطدامات في CERN Proton Synchrotron وإبطائها من سرعة الضوء إلى سرعات بضع مئات من الأقدام في الثانية ودرجة حرارة حوالي 15 درجة فوق الصفر المطلق. يتم بعد ذلك خلط البروتونات المضادة بسحابة من الإلكترونات المضادة، أو البوزيترونات، الناتجة عن تحلل الصوديوم المشع، في ما يسمى بمصيدة الخلط التي تسيطر عليها المجالات الكهربائية.

الهيدروجين العادي هو العنصر الأبسط والأكثر وفرة في الكون، ويتكون من بروتون موجب الشحنة ويرافقه إلكترون سالب الشحنة. ينتج عن تجربة ألفا بضع ذرات من الهيدروجين المضاد: النواة عبارة عن بروتون مضاد، ويحيط بها بوزيترون.

في عام 2002، أفاد الدكتور هانجست أن هذه الذرات المضادة للهيدروجين تنبعث وتمتص الضوء بنفس الترددات والأطوال الموجية مثل الهيدروجين العادي، تمامًا كما توقع أينشتاين. منذ ذلك الحين، أشارت العديد من التجارب، وكلها غير مباشرة، بقوة إلى أن المادة المضادة تنجذب أيضًا بشكل طبيعي، كما قال الدكتور فاجانز. لكن هذه التجارب لم تكن حاسمة، لأن قوة الجاذبية أقل من واحد على تريليون من قوة المجالات الكهرومغناطيسية المستخدمة للتعامل مع الذرات المضادة.

وفي التجربة الأخيرة، تم حصر ذرات الهيدروجين المضاد بواسطة مجال مغناطيسي داخل حاوية معدنية طولها 10 بوصات. نظرًا لأن ذرات الهيدروجين المضادة، مثل الهيدروجين، تحمل مجالًا مغناطيسيًا طفيفًا خاصًا بها، فإنها ترتد عن جدران هذه الزجاجة.

يمكن أيضًا ضبط المجالات المغناطيسية لمواجهة الجاذبية وتعليق ذرات الهيدروجين المضادة في الزجاجة. في التجربة، عندما تم تقليص الحقول ببطء، هربت الذرات في النهاية من الحقل وأبادت نفسها في ومضة على جدران الغرفة. وحدث حوالي 80% من هذه الومضات أسفل الحجرة، وفقًا للتحليلات الإحصائية. يشير هذا إلى أن الجاذبية تعمل عادةً على سحب الذرات المضادة إلى الأسفل، تمامًا كما تفعل مع المادة العادية.

إن أي انتهاك للتناظر المتوقع بين الهيدروجين والهيدروجين المضاد كان من شأنه أن يهز الفيزياء حتى جوهرها.

وقال الدكتور ورتيلي إن ذلك لم يحدث. وقال: “هذه التجربة هي المرة الأولى التي يتم فيها إجراء قياس مباشر لقوة الجاذبية على المادة المضادة المحايدة”. “إنها خطوة أخرى في تطوير مجال علم المادة المضادة المحايدة.”

لكن النتيجة تترك لغزًا آخر معلقًا. وفقًا للنظرية النسبية وميكانيكا الكم – النظريتين المتعارضتين اللتين تحكمان الكون – كان من المفترض أن يكون الانفجار الكبير قد خلق كميات متساوية من المادة والمادة المضادة، والتي كان ينبغي أن تفني بعضها البعض منذ فترة طويلة.

ومع ذلك، فإن كوننا كله عبارة عن مادة، مع عدم وجود أي ذرة من المادة المضادة خارج زخات الأشعة الكونية واصطدامات مصادمات الجسيمات. اذا ماذا حصل؟ لماذا يحتوي الكون على شيء بدلاً من لا شيء؟ لقد ظل هذا السؤال مطروحًا منذ ما يقرب من قرن من الزمان.

قبل ثلاث سنوات، كشفت تجربة في اليابان شملت جسيمات غريبة تعرف باسم النيوترينوات عن ما قد يكون دليلا على عدم التوازن الكوني. في مصادم الهادرونات الكبير، تم تخصيص أداة كاملة، تسمى LHCb، للبحث عن أي اختلافات بين المادة والمادة المضادة يمكن أن تقلب التوازن الكوني.

وعندما سُئل عما إذا كانت نتائج تجربة ALPHA قدمت أي أفكار لفريق LHCb، قال الدكتور ورتيلي: “نظرًا لأن إجابتنا تتوافق مع الجاذبية الطبيعية، فلا أعتقد أنها تعطي أي تلميحات، لسوء الحظ”. وهي طريقة أخرى للقول إننا ما زلنا لا نعرف سبب وجودنا هنا.



المصدر

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى