في تجارب أجريت في مختبر بروكهافن الوطني في الولايات المتحدة، اكتشف فريق دولي من الفيزيائيين أثقل “نواة مضادة” تم رصدها على الإطلاق. تتكون هذه الأجسام الصغيرة قصيرة العمر من جسيمات مضادة غريبة.
إن القياسات التي أجريت لمعرفة عدد مرات إنتاج هذه الكيانات وخصائصها تؤكد فهمنا الحالي لطبيعة المادة المضادة، وسوف تساعد في البحث عن نوع آخر غامض من الجسيمات ـ المادة المظلمة ـ في الفضاء العميق. وقد نشرت النتائج في وقت سابق من هذا الشهر في مجلة “نيتشر كوميونيكيشنز”. طبيعة.
عالم المرآة المفقود
إن فكرة المادة المضادة لم تتعد القرن من الزمان. ففي عام 1928، وضع الفيزيائي البريطاني بول ديراك نظرية دقيقة للغاية لسلوك الإلكترونات، والتي تنبأت بتنبؤ مثير للقلق: وجود الإلكترونات ذات الطاقة السلبية، وهو ما كان من شأنه أن يجعل الكون المستقر الذي نعيش فيه مستحيلاً.
لحسن الحظ، وجد العلماء تفسيراً بديلاً لهذه الحالات من “الطاقة السلبية”: الإلكترونات المضادة، أو توأم الإلكترون بشحنة كهربائية معاكسة. وقد تم اكتشاف الإلكترونات المضادة في التجارب التي أجريت في عام 1932، ومنذ ذلك الحين وجد العلماء أن كل الجسيمات الأساسية لها ما يعادلها من المادة المضادة.
ولكن هذا يثير تساؤلاً آخر. فمن المفترض أن تكون الإلكترونات المضادة والبروتونات المضادة والنيوترونات المضادة قادرة على الاندماج لتكوين ذرات مضادة كاملة، بل وكواكب مضادة ومجرات مضادة. وعلاوة على ذلك، تشير نظرياتنا عن الانفجار العظيم إلى أن كميات متساوية من المادة والمادة المضادة لابد وأن تكون قد نشأت في بداية الكون.
ولكن أينما نظرنا، نرى المادة ــ وكميات ضئيلة للغاية من المادة المضادة. فأين ذهبت المادة المضادة؟ هذا هو السؤال الذي حير العلماء طيلة ما يقرب من قرن من الزمان.
شظايا من الذرات المحطمة
تأتي نتائج اليوم من تجربة STAR، التي تقع في مصادم الأيونات الثقيلة النسبي في مختبر بروكهافن الوطني في الولايات المتحدة. تعمل التجربة عن طريق تحطيم أنوية العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم في بعضها البعض بسرعة عالية للغاية. تخلق هذه الاصطدامات كرات نارية صغيرة مكثفة تحاكي لفترة وجيزة ظروف الكون في أول ميلي ثانية بعد الانفجار العظيم.
ينتج عن كل تصادم مئات الجسيمات الجديدة، ويمكن لتجربة ستار اكتشافها جميعها. معظم هذه الجسيمات هي كيانات قصيرة العمر وغير مستقرة تسمى البيونات، ولكن في بعض الأحيان يظهر شيء أكثر إثارة للاهتمام.
في كاشف النجوم، تنطلق الجسيمات بسرعة عبر حاوية كبيرة مليئة بالغاز داخل مجال مغناطيسي – وتترك وراءها مسارات مرئية. من خلال قياس “سمك” المسارات ومدى انحنائها في المجال المغناطيسي، يمكن للعلماء معرفة نوع الجسيم الذي أنتجها. المادة والمادة المضادة لهما شحنة معاكسة، لذلك فإن مساراتهما سوف تنحني في اتجاهات متعاكسة في المجال المغناطيسي.
'مضاد الهيدروجين'
في الطبيعة، تتكون نوى الذرات من بروتونات ونيوترونات. ومع ذلك، يمكننا أيضًا صنع ما يسمى “نواة مفرطة”، حيث يتم استبدال أحد النيوترونات بنواة مفرطة الوزن – وهي نسخة أثقل قليلاً من النيوترون.
ما اكتشفوه في تجربة ستار كان نواة مفرطة مكونة من مادة مضادة، أو نواة مفرطة مضادة. في الواقع، كانت أثقل نواة من المادة المضادة وأكثرها غرابة على الإطلاق.
على وجه التحديد، يتكون هذا الجسيم من بروتون مضاد واحد ونيوترونين مضادين وهايبرون مضاد، ويسمى هايبر هيدروجين-4 المضاد. ومن بين مليارات البيونات المنتجة، حدد باحثو STAR 16 نواة هايبر هيدروجين-4 المضادة فقط.
النتائج تؤكد التوقعات
تقارن الورقة البحثية الجديدة بين هذه النوى المضادة الجديدة والأثقل وزنًا، فضلاً عن مجموعة أخرى من النوى المضادة الأخف وزنًا، ونظيراتها في المادة العادية. إن النوى الفائقة كلها غير مستقرة وتتحلل بعد حوالي عُشر النانو ثانية.
وبمقارنة النوى الفائقة مع النوى المضادة لها، نجد أن لها أعمارًا وكتلًا متطابقة ـ وهو ما نتوقعه بالضبط من نظرية ديراك. كما تقوم النظريات القائمة بعمل جيد في التنبؤ بمدى تكرار إنتاج النوى المضادة الأخف وزنًا، وندرتها.
عالم الظل أيضا؟
وترتبط المادة المضادة أيضًا بمادة غريبة أخرى، وهي المادة المظلمة. ومن خلال الملاحظات، نعلم أن المادة المظلمة تتخلل الكون وتنتشر بنسبة أكبر بخمس مرات من المادة العادية، لكننا لم نتمكن قط من اكتشافها بشكل مباشر.
تتنبأ بعض النظريات المتعلقة بالمادة المظلمة بأنه إذا اصطدمت جسيمتان من المادة المظلمة، فسوف تفني كل منهما الأخرى وتنتج انفجارًا من جسيمات المادة والمادة المضادة. ومن شأن هذا أن يؤدي إلى إنتاج الهيدروجين المضاد والهيليوم المضاد، وتبحث تجربة تسمى مطياف ألفا المغناطيسي على متن محطة الفضاء الدولية عن ذلك.
إذا رصدنا الهيليوم المضاد في الفضاء، فكيف لنا أن نعرف ما إذا كان قد تم إنتاجه بواسطة المادة المظلمة أم المادة العادية؟ حسنًا، تسمح لنا القياسات مثل هذه القياسات الجديدة من ستار بمعايرة نماذجنا النظرية لمعرفة مقدار المادة المضادة التي يتم إنتاجها في تصادمات المادة العادية. توفر هذه الورقة البحثية الأخيرة ثروة من البيانات لهذا النوع من المعايرة.
لا تزال هناك أسئلة أساسية
لقد تعلمنا الكثير عن المادة المضادة على مدى القرن الماضي. ومع ذلك، فإننا ما زلنا بعيدين عن الإجابة على السؤال حول سبب قلة ما نراه منها في الكون.
إن تجربة ستار ليست الوحيدة في السعي إلى فهم طبيعة المادة المضادة وإلى أين ذهبت. فالعمل في تجارب مثل LHCb و Alice في مصادم الهدرونات الكبير في سويسرا من شأنه أن يعزز فهمنا من خلال البحث عن علامات تشير إلى اختلافات في السلوك بين المادة والمادة المضادة.
وربما بحلول عام 2032، عندما تحل الذكرى المئوية لاكتشاف المادة المضادة لأول مرة، سنكون قد أحرزنا بعض التقدم في فهم مكان هذه المادة المرآة الغريبة في الكون ــ وحتى معرفة كيفية ارتباطها بلغز المادة المظلمة.
أولريك إيجيدي أستاذ الفيزياء في جامعة موناش. أعيد نشر هذه المقالة من موقع The Conversation بموجب ترخيص Creative Commons. اقرأ المقال الأصلي.