تعرض ورقتان بحثيتان نُشرتا هذا الأسبوع الأصول المحيرة والاستخدامات المحتملة للمادة المضادة، وهو نوع من المادة يقلب القواعد التي تحكم المادة العادية رأسًا على عقب.
وجدت إحدى الأوراق البحثية، التي نُشرت اليوم في JCAP، أن النوى المضادة الناتجة عن الأشعة الكونية قد تكون مؤشرًا على نوع معين من المادة المظلمة. وفي ورقة منفصلة نشرت في وقت سابق من هذا الأسبوع في AIP Advances، يصف الباحثون طريقة للكشف عن مواقع المفاعلات النووية ونشاطها باستخدام النيوترينوات المضادة التي تنتجها التفاعلات النووية للمرافق.
المادة المضادة مهمة لأنها قد تساعد في تفسير الألغاز الكونية الأساسية، مثل لماذا يتكون الكون من المادة بدلا من مزيج متساو من المادة والمادة المضادة. تتناسب هذه الدراسات مع جهد أكبر لحل بعض أكبر ألغاز الفيزياء، بما في ذلك طبيعة المادة المظلمة، والفيزياء على أصغر المقاييس، وربما حتى أصل الكون نفسه.
على الرغم من اسمها، المادة المضادة هي مادة حرفيا. لديها كتلة. تشير المادة المضادة إلى مجموعة من الجسيمات التي لها شحنات كهربائية معاكسة لنظيراتها العادية. لقد سمعت عن الإلكترونات (ذات الشحنة السالبة) والبروتونات (ذات الشحنة الموجبة)؛ نظيراتها من المادة المضادة هي البوزيترونات (بشحنة موجبة) والبروتون المضاد (بشحنة سالبة).
على الرغم من وجود اختلافات في شحنة الجسيمات، إلا أن المادة المضادة ليست غريبة تمامًا عن القوى الأساسية. في العام الماضي، وجد فريق من الفيزيائيين أن المادة المضادة تتفاعل مع الجاذبية بنفس الطريقة التي تتفاعل بها المادة العادية، وهو الاكتشاف الذي أكد كلا من آينشتاين والنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات.
شيء أكثر تشابهًا مع فكرة “المادة المضادة” التي قد تكون في رأسك هو المادة المظلمة – التي لها كتلة أيضًا – ولكنها غير مرئية لكل أنواع أجهزة الكشف التي ابتكرتها البشرية حتى الآن. يعرف العلماء أن المادة المظلمة موجودة لأن تأثيرات جاذبيتها مرئية، على الرغم من أنه لا يمكن ملاحظة الجسيم (أو الجزيئات!) المسؤولة عنها بشكل مباشر.
تظل المادة المضادة موضع ارتباك (آسف، تورية فظيعة) لعدة أسباب. كما أوضح Gizmodo في عام 2022:
لقد نشأ الكون قبل 14 مليار سنة، مع انفجار كبير كان من المفترض نظريًا أن يخلق كميات متساوية من المادة والمادة المضادة. لكن انظر حولك، أو إلى أحدث صور تلسكوب ويب: نحن نعيش في عالم تهيمن عليه المادة. السؤال المهم في الفيزياء هو ماذا حدث لكل المادة المضادة؟
تتوافق المادة المضادة والمادة المظلمة بدقة في ورقة JCAP الأخيرة، والتي تفترض أن كمية المادة المضادة التي اكتشفتها التجارب أكبر مما ينبغي، ويعتقدون أن المادة المظلمة هي الجاني.
تم افتراض وجود عدد قليل من الجسيمات المختلفة (وأشياء أخرى أكثر غرابة) كمسؤولة عن المادة المظلمة. من بينها: الأكسيونات، وهو جسيم يُسمى على اسم منظف الغسيل؛ كائنات الهالة المدمجة الضخمة، أو MACHOs؛ الفوتونات المظلمة، والتي على الرغم من اسمها تشبه المحاور أكثر من كونها نسخة ماكرة من الضوء؛ والثقوب السوداء البدائية، والتي ستكون عبارة عن ثقوب سوداء صغيرة جدًا ولدت في بداية الكون، وتطفو في الفضاء.
يركز البحث الأخير على نوع آخر، وهو الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل، أو WIMPs، باعتباره الطرف المذنب. النظرية الأساسية هي أنه عندما تتصادم الجسيمات الضخمة، فإنها في بعض الأحيان تفني – تدمر بعضها البعض – وتنبعث منها الطاقة وجسيمات المادة والمادة المضادة.
في بحث عام 2022 المذكور أعلاه، وجد فريق من الفيزيائيين باستخدام تجربة ALICE في CERN أن المادة المضادة يمكن أن تنتقل عبر مجرتنا بسهولة بدلاً من أن يتم إخمادها بواسطة المادة الموجودة في الوسط بين النجوم، وهو استنتاج مفيد لكاشفات النوى المضادة مثل AMS-02. تجربة على متن محطة الفضاء الدولية.
وقال بيدرو دي لا توري لوك، عالم الفيزياء في معهد النظرية النظرية: “تشير التنبؤات النظرية إلى أنه على الرغم من أن الأشعة الكونية يمكن أن تنتج جسيمات مضادة من خلال التفاعل مع الغاز في الوسط النجمي، إلا أن كمية النوى المضادة، وخاصة الهيليوم المضاد، يجب أن تكون منخفضة للغاية”. فيزيائيون في مدريد والمؤلف الرئيسي لورقة JCAP، في إصدار SISSA Medialab.
وأضاف دي لا توري لوك: “كنا نتوقع اكتشاف حدث واحد مضاد للهيليوم كل بضع عشرات من السنين، ولكن حوالي عشرة أحداث مضادة للهيليوم رصدتها AMS-02 أعلى بعدة مرات من التوقعات المستندة إلى تفاعلات الأشعة الكونية القياسية”. “وهذا هو السبب في أن هذه النوى المضادة هي دليل معقول لإبادة WIMP.”
ومع ذلك، أضاف دي لا توري لوك أن WIMPs يمكنها فقط تفسير كمية الهيليوم المضاد 3 – وهو نظير واحد للمادة المضادة تم اكتشافه بواسطة AMS-02 – ولم تتمكن من اكتشاف كميات من الهيليوم المضاد 4 الأثقل والأكثر ندرة. بمعنى آخر، حتى لو كانت الجسيمات ضعيفة التفاعل (WIMPs) مسؤولة عن المادة المظلمة، فإنها لا تحكي القصة بأكملها.
يمكن أن تكون WIMPs مسؤولة عن اكتشافات المادة المضادة التي تجمعها أجهزة الكشف الفضائية. ولكن بغض النظر عن سؤال المادة المظلمة – وهو السؤال الذي ستستغرق الإجابة عليه وقتًا طويلاً – فإن تصميم كاشف استنشاق المادة المضادة لمراقبة المفاعلات النووية على الأرض يظهر تطبيقات عملية هنا والآن. معًا، يمكن لهذه النتائج المتعلقة بالمادة المضادة أن تقدم طرقًا جديدة لتسخير الخصائص الغريبة للكون للاستخدام العملي، بينما تساعدنا أيضًا على فهم الكون وكوكبنا بشكل أفضل.