وفي التجربة الأخيرة التي أجريت في مختبرات فيرمي بالولايات المتحدة الأمريكية، أظهر الفيزيائيون أن الكواركات المضادة المحاكية العائمة في البروتون هي من النوع "السفلي" أكثر من النوع "الأعلى". وتتناقض النتيجة الجديدة مع نتائج البحث الذي أجري في نفس المختبر في التسعينيات. في السنوات الأخيرة، أضيفت أدلة كثيرة على كسر التماثل بين المادة والمادة المضادة، والآن يطرح السؤال، ما هو النموذج الذي سيجلب النظام؟
رسم توضيحي للبروتون من الداخل
ينظر الكثيرون إلى التماثل في الطبيعة على أنه المثل الأعلى للجمال، ولكن بعيدًا عن الأناقة والنظام الذي يعبر عنه، فهو بمثابة أحد أحجار الزاوية في الفيزياء النظرية. ومن الأهمية بمكان أن نستنتج قوانين الطبيعة، ولا يمكن التنبؤ بالظواهر الجديدة إلا في ضوء التماثلات التي تم الكشف عنها. وبسبب أهميتها، يفاجأ الفيزيائيون باكتشاف عمليات تشير فيها المعادلات إلى تماثل واضح، لكن الطبيعة "تقرر" التصرف بطريقة تكسره.
لمفاجأة الجزيئات، في المقال الأخير وقد نشر البروتون، وهو الجسيم ذو الشحنة الموجبة الذي يشكل نواة الذرة، في مجلة الطبيعة المرموقة، مثل هذا عدم التماثل. وتتبع باحثون من المعهد الوطني في الولايات المتحدة العلامات التي تشير إلى عدم تناسق مدهش بمساعدة تجربة أجريت في المسرعات في بيرميلاب. حتى أن نتائج التجربة تتناقض مع تلك التي نُشرت في التسعينيات والتي أنكرت عدم التماثل في البروتون.
بحر الكواركات يحاكي في البروتون
البروتون ليس جسيمًا أوليًا في حد ذاته، بل يتكون في الواقع من الكواركات. الكواركات هي جسيمات أولية (على الأقل وفقًا لما يعرفه العلم اليوم)، مما يعني أنها لا يمكن تفكيكها. قام الفيزيائيون بتصنيف الكواركات إلى ثلاثة "أجيال" وفي كل جيل "نكهتان". كلمة توليد أو طعم ليس لها معنى، فهي مجرد طريقة لتصنيف الكواركات حسب الكتلة والشحنة الكهربائية. البروتون، على سبيل المثال، يتكون من كواركين علويين وكوارك واحد سفلي. مرة أخرى، الأسماء ليس لها أي معنى على الإطلاق. إلى جانب الكواركات، يوجد داخل البروتون غلوونات عائمة تعمل على "لصق" الكواركات الثلاثة لتكوين الجسيم. لكن هذه ليست نهاية القصة، ففي الكم يجب ألا ننسى الفراغ، وهو عنصر أساسي يملأ كل الفضاء. يبدو الفراغ الذي يملأ الفضاء وكأنه عبارة متناقضة، ولكن وفقًا لنظرية الكم، فإن الفراغ هو مجرد مرادف للتقلبات العشوائية في مجالات الجسيمات. وصف فاينمان التذبذبات بأنها جسيمات تظهر من العدم (جسيمات محاكاة) وتختفي على الفور. داخل البروتون، على سبيل المثال، يمكن أن تظهر الغلوونات، وتتحلل إلى كواركات وكواركات مضادة وتتأين (أي تتلامس مع بعضها البعض وتحول المادة إلى طاقة نقية - مرة أخرى إلى غلوون).
عند هذه النقطة، يلعب التماثل دورًا أساسيًا. وفقًا للنموذج القياسي، فإن قوانين الطبيعة متماثلة بين المادة والمادة المضادة (جسيمات لها نفس الكتلة ولكن بشحنة معاكسة)، مما يعني أن المعادلات التي لدينا تشير ضمنًا إلى أن المادة والمادة المضادة تخضعان لنفس القوانين. ويترتب على هذا التناظر أن كل جسيم محاكى يخرج من الفراغ يجب أن يكون مصحوبًا بنظيره المضاد للجسيم وأن احتمال ظهور النكهات المختلفة في حساء الكوارك يجب أن يكون واحدًا. ومع ذلك، وفقًا لنتائج الدراسة الأخيرة، يبدو أنه في بحر الغلوونات والكواركات المحاكية داخل البروتون، يطفو عدد أكبر من الكواركات المضادة من النوع العلوي مقارنة بالكواركات المضادة من النوع السفلي، بغض النظر عن الزخم.
لقاء بين الجسيمات المحاكية
في السبعينيات، اقترح الفيزيائيان النظريان سيدني داريل وتان مو يان طريقة لقياس الديناميكيات التي تحدث داخل البروتون. في التجربة التي اقترحوها، يتم إطلاق البروتونات نحو هدف، أي نحو مادة ذات تركيبة معينة. أثناء اللقاء، تمتزج الكواركات المحاكية من البروتون والهدف، وتتأين وتنتج فوتونات (جسيمات الضوء). تتحلل الفوتونات النشطة وتشكل الأيونات والإلكترونات وفقًا لكتلة الكواركات التي تأينت في بداية العملية. ومن خلال النسبة بين الميونات والإلكترونات التي تم إنشاؤها في هذه العملية، من الممكن قياس احتمالية تكوين النكهات المختلفة في الحساء المحاكى داخل البروتون.
"ما زلنا لا نملك تفسيرا كاملا لديناميات الكواركات التي تحدث داخل البروتون. ونتيجة لذلك، ليس لدينا تفسير كاف لكيفية اكتساب البروتون لخصائصه"، يوضح بول ريمر، الباحث من معهد أوريغون. "إن الطبيعة المراوغة للكوارك والكوارك المضاد تجعل البحث المتعمق أمرًا صعبًا، ولكن بفضل التجربة الأخيرة رأينا عدم التماثل لأول مرة." وأضاف دون جيسمان، أحد مؤلفي البحث: "نحن قادرون على تمييز الديناميكيات الدقيقة داخل البروتون". "بمساعدة التجربة الأخيرة تقودنا الطبيعة إلى تصحيح المعروف والمعروف".
يضيف ريمر: "لقد اخترنا قياس الميونات لأنها قادرة على اختراق المواد بسهولة أكبر من أجزاء الاصطدام الأخرى". بين الهدف والكاشف، أضاف الباحثون خمسة أمتار من جدار حديدي لإبطاء الميونات على طول الطريق.
تقدم نتائج البحث المفاجئة للفيزيائيين أسئلة أكثر من الإجابات. وقد تم تجميع هذه التجارب جنبًا إلى جنب مع التجارب الأخرى التي أجريت في السنوات الأخيرة والتي تشير إلى عدم التماثل بين المادة والمادة المضادة. تساعد دراسة بنية البروتون الباحثين على جمع أدلة حول الأسئلة الأكثر إلحاحًا في الفيزياء، ولكن حتى تتم الإجابة عليها، يتبين أن هناك أيضًا منتجات ثانوية مهمة - ساعدت دراسة البروتون في تطوير العلاج ضد السرطان بمساعدة إشعاع البروتون، فك شفرة شدة إشعاع البروتون في السفر إلى الفضاء، بل وساعد في دراسة تكوين النجوم في الكون المبكر.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
إن الافتقار إلى التماثل بين المادة والمادة المضادة واضح بشكل خاص من حقيقة أن العالم الذي تنبأ به لنا، وليس فقط الأرض ومكوناتها، مصنوع بالكامل (تقريبًا) من المادة وليس المادة المضادة، على الرغم من أنه من المفترض أن يكون الانفجار الكبير قد حدث. إنتاج كميات متساوية (بتقريب جيد جدًا) من كلا النوعين. وتذهب النظرية المقبولة إلى أن المادة التي نراها هي ما يبقى بعد تأين معظم نواتج الانفجار الكبير، وهو التأين الذي يفسر (ربما) المحتوى الكبير من الطاقة في "الفراغ" - أو ما نسميه "الطاقة السوداء" "التي تعمل بمثابة قوة "مضادة للجاذبية" وتؤدي إلى تضخم الكون بمعدل متزايد.