ما هي المادة المضادة؟ ولماذا يملك الكون كمية قليلة فقط منها؟

 
لماذا نحن موجودون؟ يمكنك القول إن هذا هو السؤال الأكثر عمقًا والذي قد يبدو تمامًا خارج نطاق فيزياء الجسيمات. لكن التجربة الجديدة في مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN جعلتنا نقترب خطوةًً نحوَ اكتشافها.

ولفهم السبب، دعونا نعود بالزمن نحو 13.8 مليار سنة إلى الانفجار العظيم. حيث أنتج هذا الحدث كميات متساوية من المادة التي صنع منها الكون وكل ما يحتويه، وكذلك أنتج شيء آخر يسمى المادة المضادة. من المعتقد أن كل جسيم له مادة رفيقة لها تتطابق فعليًا مع نفسها، ولكن يكون لها شحنة معاكسة. عندما يلتقي جسيم مع جسيمه المضاد، فإنهما يُبيدان بعضهما البعض - أي يختفيان في ما يشكّل حدثاً ما أشبه باندفاعٍ من الضوء.
"لماذا يتكون الكون الذي نراه اليوم بالكامل من المادة وليس من المادة المضادة" هذا هو أحد أعظم ألغاز علم الفيزياء الحديثة. لو كان هناك كمية متساوية من المادة المضادة، لكان كل شيء في الكون قد أبيد عن بكرة أبيه. كما كشف البحث عن مصدر جديد لعدم التناسق بين المادة والمادة المضادة.


وفقًا للنظرية، يجب أن يكون الانفجار الأعظم قد خلق المادة والمادة المضادة بكميات متساوية. ولكن عندما تلتقي المادة والمادة المضادة، فإنها تباد تماماً، ولا تترك وراءها سوى الطاقة. لذلك من حيث المبدأ، لا ينبغي أن يتواجد أيٌّ منا.

لكننا نحن موجودون. وبقدر ما يمكن أن يقوله الفيزيائيون، هذا فقط لأنه، في نهاية المطاف، كان هناك جسيم مادة إضافي واحد لكل مليار زوج من المادة والمادة المضادة. يعمل الفيزيائيون حالياً على قدم وساق بجد في محاولة تفسير هذا التباين.

اقترح آرثر شوستر مبدأ المادة المضادة لأول مرة في عام 1896، وأُعزي الأساس النظري لها لبول ديراك في عام 1928، واكتشفها كارل أندرسون في شكل إلكترونات مضادة، أطلق عليها اسم البوزيترونات، في عام 1932. تحدث البوزيترونات في العمليات الإشعاعية الطبيعية، مثل في اضمحلال البوتاسيوم 40. هذا يعني أن متوسط ​​حجم حبة الموز (الذي يحتوي على البوتاسيوم!) يصدر بوزيترونًا واحداً كل 75 دقيقة. ثم تفنى هذه المواد بإلكترونات المادة لتنتج الضوء. تنتج التطبيقات الطبية مثل الماسحات الضوئية للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني مادة مضادة في نفس العملية.

إن اللبنات الأساسية للمادة التي تتكون منها الذرات هي جسيمات أولية تسمى الكواركات واللبتونات. هناك ستة أنواع من الكواركات: up, down, strange, charm, bottom, top. وبالمثل، هناك ستة لبتونات: الإلكترون، والميون، والتاو، والنيوترينوات الثلاثة. هناك أيضًا نسخ من المادة المضادة لهذه الجسيمات الاثني عشر التي تختلف فقط في شحنتها.

يجب أن تكون جسيمات المادة المضادة، من حيث المبدأ، صورًا معكوسة مثالية لرفاقها العاديين. لكن التجارب تظهر أن هذا ليس هو الحال دائمًا. خذ على سبيل المثال الجسيمات المعروفة باسم الميزونات، والتي تتكون من كوارك واحد وكوارك مضاد واحد. تتمتع الميزونات المحايدة بميزة رائعة: يمكنها أن تتحول تلقائيًا إلى مادة مضادة للميزون والعكس صحيح. في هذه العملية، يتحول الكوارك إلى كوارك مضاد أو يتحول الكوارك المضاد إلى كوارك. لكن التجارب أظهرت أن هذا يمكن أن يحدث في اتجاه واحد أكثر من الاتجاه المعاكس - مما يخلق مادة أكثر من المادة المضادة بمرور الوقت.

المرة الثالثة ثابتة كالسحر!

من بين الجسيمات التي تحتوي على كواركات، تم العثور على تلك التي تحتوي على strange quarks و bottom quarks فقط، تعرض مثل هذه التباينات - وكانت هذه اكتشافات مهمة للغاية. حيث سمحت الملاحظة الأولى لعدم التناسق التي تضمنت جسيمات strange quarks في عام 1964 للمنظرين بالتنبؤ بوجود ستة كواركات - في وقت كان من المعروف وجود ثلاثة منها فقط. كان اكتشاف عدم التناسق في جسيمات bottom quarks في عام 2001 بمثابة التأكيد النهائي للآلية التي أدت إلى صورة ستة كوارك. أدى كلا الاكتشافين إلى الحصول على جوائز نوبل.


يحمل كل من strange quark و bottom quark شحنة كهربائية سالبة. الكوارك الوحيد ذو الشحنة الموجبة والذي من الناحية النظرية يجب أن يكون قادرًا على تكوين جسيمات يمكنها إظهار عدم تناسق المادة والمادة المضادة هو charm quark. تقترح النظرية أنه إذا حدث ذلك، فيجب أن يكون التأثير ضئيلًا ويصعب اكتشافه.

لكن تجربة مصادم الهادرونات الكبير LHCb تمكنت الآن من ملاحظة عدم تناسق في جسيمات تسمى D-meson - والتي تتكون من charm quarks - لأول مرة. أصبح هذا ممكنًا بفضل الكمية غير المسبوقة من جسيمات charm quarks التي تم إنتاجها مباشرةً في تصادمات مصادم الهادرونات الكبير LHC. تشير النتيجة إلى أن احتمال أن يكون هذا تقلبًا إحصائيًا هو كاحتمال حوالي 50 في المليار.

إذا كان عدم التناسق هذا لا يأتي من نفس الآلية التي تسبب إنتاج التباين للـ strange quarks و bottom quarks، فإن هذا يترك مجالًا لمصادر جديدة لعدم تناسق المادة والمادة المضادة التي يمكن أن تضيف إلى إجمالي عدم التناسق في الكون المبكر. وهذا مهم في حد ذاته لأن الحالات القليلة المعروفة لعدم التماثل لا يمكنها تفسير سبب احتواء الكون على الكثير من المادة. لن يكون اكتشاف charm quarks وحده كافياً لملء هذه الفجوة، ولكنه قطعة أحجية أساسية في فهم تفاعلات الجسيمات الأساسية.

الخطوات التالية:

سيتبع الاكتشاف عدد متزايد من الأعمال النظرية، مما يساعد على تفسير النتيجة. ولكن الأهم من ذلك، أنه سيحدد المزيد من الاختبارات لتعميق الفهم بعد اكتشافنا - مع وجود عدد من هذه الاختبارات قيد التنفيذ بالفعل.

على مدى العقد المقبل، ستعزز تجربة مصادم الهادرونات الكبير LHCb التي تمت ترقيتها وتحسينها، الحساسية والدقّة لهذه الأنواع من القياسات. سيتم استكمال ذلك من خلال تجربة Belle II ومقرها اليابان، والتي بدأت للتو في العمل. هذه آفاق مثيرة للبحث في عدم تناسق المادة والمادة المضادة.
المادة المضادة هي أيضًا موجودة في قلب عدد من التجارب الأخرى. يتم إنتاج ذرات مضادة كاملة في مبطئ البروتون المضاد التابع لـ CERN، والذي يغذي عددًا من التجارب التي تجري قياسات عالية الدقة. تجربة AMS-2 على متن محطة الفضاء الدولية تبحث عن مادة مضادة ذات أصل كوني. وسيتناول عدد من التجارب الحالية والمستقبلية مسألة ما إذا كان هناك عدم تناسق في المادة المضادة بين النيوترينوات.

في حين أننا ما زلنا غير قادرين على حل لغز عدم تناسق المادة والمادة المضادة في الكون، فتح اكتشافنا الأخير الباب لعصر من القياسات الدقيقة التي لديها القدرة على الكشف عن ظواهر غير معروفة حتى الآن. هناك كل الأسباب للتفاؤل بأن الفيزياء ستتمكن يومًا ما من تفسير سبب وجودنا هنا على الإطلاق.