علوم / نجح العلماء لأول مرة في تكوين ذرات مادة مضادة يمكن قياس خواصها
أوريل بريزون
وقبل نحو أسبوعين، أعلن علماء في المعهد الأوروبي للأبحاث النووية (CERN) أنهم نجحوا للمرة الأولى في فحص خصائص ذرات المادة المضادة. في التجربة، التي أجرتها مجموعة متعددة الجنسيات من كبار العلماء المعروفة باسم ATRAP، تم دمج جزيئات البروتون المضاد مع جزيئات البوزيترون (مضاد الإلكترون) لتكوين ذرات "هيدروجين مضاد" غريبة.
في عام 1928، صاغ الفيزيائي البريطاني بول ديراك نظرية تصف حركة الإلكترونات في المجالات الكهربائية والمغناطيسية. نجح ديراك في تطوير معادلات تجمع بين ميكانيكا الكم ونظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، وبذلك مهد الطريق للعديد من الدراسات في نظرية الذرة. وفي عام 1933 حصل على جائزة نوبل في الفيزياء لهذا الغرض.
إحدى النتائج غير المتوقعة لمعادلات ديراك هي أنها تنبأت، بل واشترت، وجود نوع جديد من الجسيمات. ووفقا لديراك، يجب أن تكون هذه الجسيمات مشابهة للإلكترونات في خصائصها ولكنها معاكسة لها في شحنتها الكهربائية. وكانت هذه الجسيمات، التي أطلق عليها اسم "البوزترونات" بسبب شحنتها الموجبة، أحد الآثار الجانبية لمعادلة رياضية، لكنها كانت أول إشارة إلى وجود نوع جديد من المادة.
وبعد نظرية ديراك، تم تسخير مجتمع الفيزيائيين التجريبيين للبحث عن الجسيم الغريب. وفي عام 1932، تمكن الفيزيائي الأمريكي كارل أندرسون من تصوير آثار البوزيترون بجهاز قياس خاص يعرف باسم "غرفة الضباب". تم إثبات وجود الجسيم الجديد وحصل أندرسون على جائزة نوبل عام 1936 لاكتشافه.
وسرعان ما أصبح واضحًا أن تنبؤات ديراك فيما يتعلق بالإلكترون كانت صحيحة أيضًا بالنسبة للجسيمات الأولية الأخرى، وأن كلًا منها كان لديه جسيم مضاد. ووفقا لهذه النظرية، يمكن للجسيمات المضادة أن تتحد معا وتنتج مادة تشبه إلى حد كبير المادة العادية، باستثناء أنها عكسها في خواصها الكهربائية. حتى اكتشافات ديراك وأندرسون، كان مفهوم المادة (المادة) يستخدم كمفهوم يشمل كل ما هو موجود (ما عدا الطاقة، التي هي أيضا، حسب أينشتاين، حالة بديلة للمادة). وعندما أصبح من الواضح وجود شيء آخر، شيء مشابه للمادة ولكن ليس مادة بالمعنى المعتاد، تم تضييق المفهوم وتم المطالبة بتركيبة "المادة المضادة" - الصورة المرآة للمادة.
عندما تتلامس المادة المضادة مع المادة العادية، يفني الاثنان بعضهما البعض ويطلقان كمية هائلة من الطاقة. كيلوغرام واحد من المادة المضادة يمكن أن ينتج طاقة كافية لقيادة سيارة متواصلة لمدة 100 ألف سنة. إن فكرة تسخير القوة الهائلة للمادة المضادة للاستخدام البشري مغرية للغاية، خاصة كوسيلة لدفع المركبات الفضائية. تعمل مجموعات مختلفة من الباحثين، بما في ذلك وكالة الفضاء الأمريكية ناسا، منذ بعض الوقت على تصميم محرك فضائي يعتمد على المادة المضادة. يتم دراسة الاستخدامات في البيئات العادية بعناية شديدة، حيث أنه من الواضح أن الإطلاق غير المنضبط للمادة المضادة في بيئة مكونة من مادة عادية يمكن أن يسبب وقوع حوادث.
وبعد اكتشاف المادة المضادة أصبح من الواضح أن لها مكانة مهمة في النظريات الكونية حول تكوين الكون. في المراحل الأولية لتكوين الكون، قرب وقت الانفجار الكبير، كانت المادة والمادة المضادة موجودة بكميات كبيرة. ونظرًا للظروف الخاصة التي كانت سائدة في الكون القديم، كان وجود الاثنين ممكنًا دون فناء متبادل. اليوم نجد حولنا مادة عادية فقط. لاختبار المادة المضادة، يجب إنتاجها تحت ظروف معملية خاصة.
نظرًا لطبيعتها الفريدة، تُعرف المادة المضادة بأنها موضوع مثير للإشكاليات للبحث. تم إنتاج ذرات المادة المضادة "الساخنة" التي تتحرك بسرعات عالية في المختبرات منذ فترة طويلة، ولكن بسبب سرعتها لم يكن من الممكن فحص خصائصها قبل اصطدامها بالذرات العادية واختفائها الفوري عند الاصطدام. وفي العام الماضي، أعلنت مجموعة ATRAP أنها نجحت في تطوير طريقة جديدة لإنتاج ذرات الهيدروجين المضادة. تعتمد الطريقة على إبطاء جسيمات البروتون المضاد ودمجها مع البوزيترونات البطيئة. وهذا يتيح إنتاج ذرات الهيدروجين المضاد التي لا تتحرك بسرعة عالية ويمكن التحقيق فيها. وقبل نحو أسبوعين، أبلغت المجموعة عن أول نجاح في تطبيق هذه الطريقة.
وبعد تكوين ذرات الهيدروجين المضاد، أصبح من الممكن إجراء اختبار أولي عليها بوضعها في مجال مغناطيسي. ومن الممكن بسبب الشحنة الكهربائية للمكونات الذرية أن تتسبب في تفككها في المجال، وبهذه الطريقة يتم قياس خواصها. وأوضح البروفيسور جيرالد غابريلسي من جامعة هارفارد، رئيس المجموعة، أن "الأمر يشبه وضع ذرة الهيدروجين المضاد بجوار البطارية. سينجذب البروتون المضاد الموجود في النواة إلى أحد الجانبين والبوزيترون إلى الجانب الآخر." تشير قوة المجال اللازمة لتفكك نواة الهيدروجين المضاد إلى قوة روابطها الداخلية وقد تشير إلى وجود اختلافات بينها وبين ذرة هيدروجين عادية. وفي الفحص الأولي، لم يتم العثور على أي اختلافات، لكن الباحثين يؤكدون أنه لمعرفة ما إذا كانت هناك اختلافات بالفعل، يجب إجراء اختبارات إضافية.
والخطوة التالية هي إعادة الذرات إلى حالة تم تعريفها على أنها أكثر "طبيعية". ورغم أن التجربة نجحت في "تبريد" ذرات الهيدروجين المضاد وإيصالها إلى سرعات منخفضة، فإن جزيئات البروتون المضاد الموجودة في نواتها لا تزال في حالة مثارة ويجب نقلها إلى حالة أقل إثارة وأكثر شبها بالحالة الطبيعية من ذرات الهيدروجين العادية. فقط بعد هذا الإجراء سيكون من الممكن إجراء تجربة وإجراء مقارنات نوعية بين الهيدروجين والهيدروجين المضاد. الرأي العام بين العلماء هو أن نتائج المقارنة ستوضح أن خصائصهما (باستثناء الشحنة) متساوية تمامًا. وإذا تبين أن هناك أي فرق بينهما، فسيكون، بحسب غابرييلز، "أكبر اكتشاف في الفيزياء منذ عقود عديدة".
إن الفرضية القائلة بوجود المادة المضادة في الكون المبكر جعلت علماء الفيزياء يتساءلون عما إذا كان من الممكن أن يكون الكون قد تشكل من المادة المضادة بنفس الطريقة التي تشكل بها من المادة العادية. إن الاختلافات بين المادة والمادة المضادة، إذا وجدت في المستقبل، قد تتعارض مع النظريات التي تتناول هذا السؤال. ويأمل الباحثون أن يؤدي التقدم البحثي في خصائص المادة المضادة أيضًا إلى تجارب مستقبلية تختبر إمكانيات استخدامها لأغراض تجارية وكوسيلة للدفع المستقبلي.
على الرغم من أن الغرض من البحث الحالي علمي بحت ولم يكن من المتوقع استخدامات عملية، إلا أنه تبين أن تقنية التجربة، كما يحدث غالبًا في تجارب من هذا النوع، يمكن استخدامها أيضًا في مجالات مختلفة. لذلك، على سبيل المثال، يمكن استخدام المغناطيسات الخاصة فائقة التوصيل، المسجلة كبراءة اختراع من قبل الفريق، في المستقبل في أنظمة التصوير الطبي المتقدمة.
