أثقل اكتشاف للمادة المضادة قد يفتح أسرار المادة المظلمة

وفي تجارب أجريت في مختبر بروكهافن الوطني في الولايات المتحدة، اكتشف فريق دولي من الفيزيائيين أثقل “نواة مضادة” على الإطلاق. تتكون الأجسام الصغيرة قصيرة العمر من جزيئات غريبة من المادة المضادة.

تؤكد قياسات عدد مرات إنتاج هذه الكيانات وخصائصها فهمنا الحالي لطبيعة المادة المضادة، وسوف تساعد في البحث عن نوع غامض آخر من الجسيمات – المادة المظلمة – في الفضاء السحيق. تم نشر النتائج في وقت سابق من هذا الشهر في طبيعة.

عالم المرآة المفقود

فكرة المادة المضادة عمرها أقل من قرن من الزمان. في عام 1928، وضع الفيزيائي البريطاني بول ديراك نظرية دقيقة للغاية لسلوك الإلكترونات، مما أدى إلى تنبؤ مثير للقلق: وجود إلكترونات ذات طاقة سلبية، وهو ما كان سيجعل الكون المستقر الذي نعيش فيه مستحيلا.

ولحسن الحظ، وجد العلماء تفسيرًا بديلًا لحالات “الطاقة السلبية” هذه: الإلكترونات المضادة، أو توائم الإلكترون ذات الشحنة الكهربائية المعاكسة. تم اكتشاف الإلكترونات المضادة في التجارب التي أجريت عام 1932، ومنذ ذلك الحين اكتشف العلماء أن جميع الجسيمات الأساسية لها معادلاتها الخاصة من المادة المضادة.

ومع ذلك، فإن هذا يثير سؤالا آخر. يجب أن تكون الإلكترونات المضادة والبروتونات المضادة والنيوترونات المضادة قادرة على الاتحاد لتكوين ذرات مضادة كاملة، وفي الواقع كواكب مضادة ومجرات مضادة. علاوة على ذلك، تشير نظرياتنا حول الانفجار الكبير إلى أن كميات متساوية من المادة والمادة المضادة يجب أن تكون قد نشأت في بداية الكون.

لكن في كل مكان ننظر إليه، نرى المادة، وكميات ضئيلة فقط من المادة المضادة. أين ذهبت المادة المضادة؟ هذا هو السؤال الذي حير العلماء منذ ما يقرب من قرن من الزمان.

شظايا الذرات المحطمة

تأتي نتائج اليوم من تجربة STAR، الموجودة في مصادم الأيونات الثقيلة النسبية في مختبر بروكهافن الوطني في الولايات المتحدة. تعمل التجربة عن طريق تحطيم نوى العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم ببعضها البعض بسرعة عالية للغاية. تخلق هذه الاصطدامات كرات نارية صغيرة ومكثفة تحاكي ظروف الكون لفترة وجيزة في المللي ثانية القليلة الأولى بعد الانفجار الكبير.

وينتج عن كل تصادم مئات الجسيمات الجديدة، ويمكن لتجربة STAR اكتشافها جميعًا. معظم هذه الجسيمات هي كيانات قصيرة العمر وغير مستقرة تسمى البيونات، ولكن في بعض الأحيان يظهر شيء أكثر إثارة للاهتمام.

في كاشف STAR، تتحرك الجسيمات عبر حاوية كبيرة مملوءة بالغاز داخل مجال مغناطيسي، وتترك آثارًا مرئية في أعقابها. ومن خلال قياس “سمك” المسارات ومدى انحناءها في المجال المغناطيسي، يمكن للعلماء معرفة نوع الجسيمات التي أنتجتها. تتمتع المادة والمادة المضادة بشحنة معاكسة، لذا فإن مساراتهما تنحني في اتجاهين متعاكسين في المجال المغناطيسي.

“مضاد للهيدروجين”

في الطبيعة، تتكون نوى الذرات من البروتونات والنيوترونات. ومع ذلك، يمكننا أيضًا صنع ما يسمى “فرط النواة”، حيث يتم استبدال أحد النيوترونات بالهايبرون – وهو نسخة أثقل قليلاً من النيوترون.

ما اكتشفوه في تجربة STAR كان عبارة عن نواة مفرطة مصنوعة من مادة مضادة، أو نواة مضادة. في الواقع، كانت أثقل نواة المادة المضادة وأكثرها غرابة على الإطلاق.

على وجه التحديد، فهو يتكون من بروتون مضاد واحد، واثنين من النيوترونات المضادة ومضاد فرط الهيدروجين، ويحمل اسم مضاد هيدروجين-4. ومن بين مليارات البيونات التي تم إنتاجها، حدد باحثو STAR 16 نواة مضادة للهيدروجين-4 فقط.

النتائج تؤكد التوقعات

تقارن الورقة الجديدة هذه النوى المضادة الجديدة والأثقل، بالإضافة إلى مجموعة من النوى المضادة الأخف وزنًا، مع نظيراتها في المادة العادية. جميع النوى المفرطة غير مستقرة وتتحلل بعد حوالي عُشر النانو ثانية.

وبمقارنة النوى المفرطة مع النوى المضادة لفرط النوى المناظرة لها، نرى أن لها عمرًا وكتلًا متطابقتين، وهو بالضبط ما كنا نتوقعه من نظرية ديراك. كما تقوم النظريات الحالية بعمل جيد في التنبؤ بكيفية إنتاج النوى المضادة لفرط النوى الأخف في كثير من الأحيان، ونادرًا ما يتم إنتاج النوى الأثقل.

عالم الظل كذلك؟

تمتلك المادة المضادة أيضًا روابط رائعة مع مادة غريبة أخرى، وهي المادة المظلمة. ومن خلال الملاحظات، نعلم أن المادة المظلمة تتخلل الكون وهي أكثر انتشارًا بخمس مرات من المادة العادية، لكننا لم نتمكن أبدًا من اكتشافها بشكل مباشر.

تتنبأ بعض نظريات المادة المظلمة أنه إذا اصطدمت جسيمتان من المادة المظلمة، فإنهما سوف يفنيان بعضهما البعض وينتجان انفجارًا من جسيمات المادة والمادة المضادة. سيؤدي ذلك بعد ذلك إلى إنتاج الهيدروجين المضاد والهيليوم المضاد، وتبحث عنه تجربة تسمى مطياف ألفا المغناطيسي على متن محطة الفضاء الدولية.

إذا لاحظنا الهيليوم المضاد في الفضاء، فكيف سنعرف ما إذا كان قد تم إنتاجه بواسطة المادة المظلمة أو المادة العادية؟ حسنًا، تتيح لنا قياسات مثل هذه القياسات الجديدة من STAR معايرة نماذجنا النظرية لمعرفة كمية المادة المضادة التي يتم إنتاجها في تصادمات المادة العادية. توفر هذه الورقة الأخيرة ثروة من البيانات لهذا النوع من المعايرة.

تبقى الأسئلة الأساسية

لقد تعلمنا الكثير عن المادة المضادة خلال القرن الماضي. ومع ذلك، فإننا لم نقترب بعد من الإجابة على سؤال لماذا نرى القليل منه في الكون.

تجربة STAR ليست وحدها في السعي لفهم طبيعة المادة المضادة وأين ذهبت كل هذه الأمور. إن العمل في تجارب مثل LHCb وAlice في مصادم الهادرونات الكبير في سويسرا سيعزز فهمنا من خلال البحث عن علامات الاختلافات في السلوك بين المادة والمادة المضادة.

ربما بحلول عام 2032، عندما تحل الذكرى المئوية للاكتشاف الأولي للمادة المضادة، سنكون قد خطونا بعض الخطوات في فهم مكان هذه المادة المرآة الغريبة في الكون، وحتى معرفة كيفية ارتباطها بلغز المادة المظلمة.

أولريك إيجيدي هو أستاذ الفيزياء في جامعة موناش. تم إعادة نشر هذه المقالة من The Conversation بموجب ترخيص المشاع الإبداعي. إقرأ المقال الأصلي.