المادة المظلمة والطاقة المظلمة ومصير الكون - فصل من الكتاب الجديد "رحلة إلى فجر الكون"

يدور الكتاب حول البحث عن الجسيمات المراوغة في معجل الجسيمات في CERN.

صدر كتاب "رحلة إلى فجر الكون" للكاتب أمير أكسل عن دار نشر أرييه نير. من الإنجليزية: إيمانويل لوتيم.

من أين أتينا ومما صنعنا وإلى أين نتجه؟ ماذا حدث في الانفجار الكبير؟
يعد مصادم الهادرونات الكبير أقوى آلة تم بناؤها على الإطلاق. يهدف هذا المشروع الجريء الذي نفذته المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية CERN، إلى إعادة تهيئة نفقها الدائري الذي يبلغ طوله 26.5 كيلومترًا، لظروف الحرارة والكثافة الهائلة التي سادت منذ حوالي 13.7 مليار سنة، وذلك في الأجزاء الأولى من الثانية بعد ذلك. ولادة الكون في الانفجار الكبير.
يوجد اليوم مولد يعمل على تسريع تصادمات البروتونات بسرعة تصل إلى 99.9999991% من سرعة الضوء، وهو إنجاز مذهل لم يتم تحقيقه من قبل. وبمساعدة المسرع الكبير، يأمل العلماء في التعرف على الجسيمات الأولية التي تشكل المادة في الكون، وفهم القوانين التي تكمن وراء كل قوى الطبيعة - وربما حتى حل لغز الخلق.

كم عدد الأبعاد التي يمتلكها الكون؟ هل يوجد شيء اسمه "معاداة الكون"، وإذا لم يكن هناك، فأين ذهب "معاداة الكون"؟
يقودنا أمير أكسل إلى غرف التحكم في تساران في اللحظات الحاسمة ويقدمنا ​​إلى الفريق الدولي من العلماء الذين يسعون جاهدين لتحقيق الآمال الحذرة التي تم تعليقها على المسرع. يشرح برنامج Excel المفاهيم العلمية اللازمة لتقييم الاكتشافات المستقبلية التي ستأتي من هذه الآلة العظيمة عند تشغيلها بكامل طاقتها. لغرض تأليف الكتاب، أجرى أكسل مقابلات مع ثلاثة عشر من الحائزين على جائزة نوبل في الفيزياء والعديد من العلماء الآخرين - الفيزيائيين وعلماء الكون والرياضيات - وبمساعدتهم يقودنا في رحلة اكتشاف رائعة حول حدث لديه القدرة على تغيير تصورنا. من العالم.

ما هي طبيعة المادة المظلمة التي تملأ المجرات؟ فهل هناك خطر من أن يؤدي نشاط المسرع إلى خلق ثقب أسود يبتلع عالمنا؟

إن الرحلة إلى فجر الكون، الحاضرة عند الخلق، والتي صاغها أحد أفضل المعلقين العلميين الذين يعيشون معنا اليوم، تسمح لنا بتتبع مسار أروع تجربة في تاريخ العلم، والتي تعد بالوفاء طلب أينشتاين: "أريد أن أعرف فيم كان الله يفكر، كل شيء آخر هو تفاصيل".

الدكتور أمير د. أكزيل هو باحث في تاريخ العلوم بجامعة بوسطن. قام بتأليف خمسة عشر كتابًا واقعيًا، من بينها "لغز البوصلة" الذي نشره أرييه نير، وكذلك كتاب "نظرية فيرما الأخيرة: كشف سر مشكلة رياضية قديمة" الذي تُرجم إلى 22 لغة.

11

المادة المظلمة والطاقة المظلمة ومصير الكون

تعتبر نظرية النسبية العامة لأينشتاين، في نظر الكثيرين، نموذجًا لنظرية فيزيائية مثالية: تحتوي معادلات أينشتاين على الفضيلة التي يسميها الفيزيائيون الجمال، أو الأناقة. ماذا يعني هذا؟
تصف نظرية أينشتاين واقعًا مكانيًا وزمانيًا معقدًا للغاية، مع معادلات محدودة بشكل مدهش، ومع عدد ضئيل من المعلمات. ولهذا السبب، فإن النظرية تتماشى مع المبدأ المسمى "شفرة أوكام": إن أبسط نظرية لديها أفضل فرصة لإثبات صحتها. أو كما قال أينشتاين، في عبارة مشهورة، النظرية يجب أن تكون "بسيطة قدر الإمكان، ولكن ليس أكثر من ذلك".
كما أنها تتمتع بتناظر مكاني هائل وشامل - والمصطلح المهني هو التغاير العام - والذي يفترض أن قوانين الفيزياء لا تعتمد على نظام الإحداثيات الذي نستخدمه لتحديد المكان والزمان، مهما كان. إذا أخذنا مدينة مثالية على سبيل المثال، فإن المسافة بين شارع 34 وزاوية الجادة الثانية والشارع 19 وزاوية الجادة الرابعة لا ينبغي أن تعتمد على الملصقات التي نستخدمها لتحديد الشوارع والطرق (على افتراض أنها تتقاطع على اليمين الزوايا وأن المسافات بينها متساوية). إن منطق نموذج أينشتاين يقوم على هذا التناظر، وهو ما يمنحه رونقه؛ وهو ضروري أيضًا لشرح قوانين الفيزياء. بعد أينشتاين، اتخذت فكرة الأناقة حياة خاصة بها في الفيزياء، ليس فقط لأنها تنتج معادلات مبهجة من الناحية الجمالية، ولكن أيضًا لأن الأناقة تبدو وكأنها تعمل كأداة لتفسير الطبيعة. المعادلات التي ترضي العين غالبًا ما تكون صحيحة أيضًا: الطبيعة تحب الجمال.
إن نجاح النموذج العظيم التالي للفيزياء، النموذج القياسي - وهي نظرية أخرى تعتمد على مفهوم التناظر - دفع علماء الفيزياء إلى البحث عن نماذج أكثر إمتاعًا من الناحية الرياضية والجمالية، مع اعتقاد عميق بأن مثل هذه النماذج لديها فرصة جيدة لإثبات فعاليتها. الصحيح في وصف الطبيعة. ومع ذلك، هل تلتزم الطبيعة دائمًا بهذه المبادئ؟ سنتعرف في هذا الفصل والذي يليه على بعض النظريات الفيزيائية الجديدة نسبيا - والتي تم تطويرها بشكل رئيسي في الثلث الأخير من القرن العشرين (على الرغم من أن جذورها تعود إلى عقود سابقة من نفس القرن) - والتي تعتبر جميلة رائعة وممتعة في نظر من يطلع عليها ويطورها. لكن لم تجد أي من هذه النظريات حتى الآن أي ذرة من التعزيز في شكل أدلة تجريبية.
ومن ناحية أخرى، هناك ظواهر فيزيائية لم نتمكن حتى الآن من تفسيرها. ولذلك، هناك حاجة قوية للسعي لمطابقة النماذج الأنيقة مع الظواهر غير المبررة، ويأمل الفيزيائيون أن يتم حل بعض هذه الألغاز على الأقل من خلال واحدة أو أكثر من هذه النظريات الجديدة الجميلة. ومن الممكن أن يكون الاختبار الأعلى لبعض هذه النماذج (على الأقل) في الصف الثالث.
منذ عشرينيات القرن العشرين، عرفنا أن الكون يتوسع، ولكن لم يكن معروفًا الكثير عن التغير في سرعة التوسع عبر الزمن الكوني. افترض العديد من الفيزيائيين أنه بما أن الجاذبية تمتد إلى ما لا نهاية في الفضاء، فإن التجاذب المتبادل لكل كتلة الكون يجب أن يبطئ في النهاية التوسع الذي بدأ بالانفجار الأعظم، بحيث يعود الكون وينهار على نفسه في مرحلة ما من الكون. المستقبل البعيد. ومن ثم ربما سيحدث انفجار عظيم آخر، كجزء من دورة دائمة من الولادة والموت والبعث.
ولكن في عام 1998، تحطمت هذه الفلسفة المتفائلة ذات الطبيعة المتجددة باستمرار. أعلن فريقان من علماء الفلك، أحدهما في بيركلي بقيادة شاول بيرلماتر والآخر في جامعة هارفارد بقيادة روبرت كيرشنر، بشكل منفصل عن اكتشافات مفاجئة تم إجراؤها في دراسة معدل انحسار المجرات البعيدة جدًا. وأفاد الباحثون أن توسع الكون لا يتباطأ على الإطلاق، بل يتسارع. وهذا يعني أنه ما لم تتدخل قوة ما بطريقة معجزة للتغلب على التسارع، فإن توسع الكون سيستمر إلى الأبد. في نهاية المطاف، في المستقبل البعيد جدًا، سيصبح الكون متناثرًا للغاية، ويموت بعد أن تستنفد جميع النجوم وقودها النووي.
أحدثت هذه النتائج ضجة علمية، ولم يتوقعها أحد. لاحقًا، تم تحديد المحفز الرياضي للتوسع المتسارع، على شكل ثابت مهجور منذ فترة طويلة - الثابت الكوني (يرمز إليه بالحرف اليوناني لامدا) الذي استخدمه أينشتاين لأول مرة في نموذج الكون الذي بناه عام 1917. . لقد فعل ذلك لأن نموذجه للكون يميل إلى التوسع، بينما أخبره علماء الفلك في تلك الأيام أن الكون ثابت. ولهذا السبب أضاف أينشتاين عنصر المادة إلى معادلاته، لمنع الكون من التوسع - وبالتالي أضاع فرصة التنبؤ نظريًا بتوسع الكون...
عندما علم أينشتاين في عام 1929 أن فيستو سليبر وإدوين هابل وميلتون همسون قد اكتشفوا أن الكون يتوسع بالفعل، تخلص من مادة مادا باعتبارها أداة عديمة الفائدة وصرخ: "إذاً، قم بإزالة ترتيب الثابت الكوني!" ومن سخرية القدر أن نموذج الكون المتسارع يتطلب استخدام التعلم في معادلة أينشتاين، إلا أن وظيفته من الآن فصاعدا ليست منع توسع الكون، بل تسريعه.
وإذا كان ميدا هو نموذج القوة المسؤولة عن تسريع توسع الكون أم لا، فإن العلماء لم يتمكنوا من تحديد القوة المعنية. الاستنتاج الحتمي هو أنه لا بد أن يكون هناك شكل غير معروف وغامض من الطاقة يملأ كل الفضاء - لا بد أن يكون هناك شيء ما، في جميع أطراف الفضاء، نوع من القوة الغامضة، التي "تدفع" باستمرار نسيج الزمكان ذاته، يتغلب على قوة الجاذبية ويصد الفضاء إلى "الخارج". إنها قوة غريبة من نوعها لا يمكن رؤيتها أو الشعور بها إلا في عملها لتسريع توسع الكون. هذه الطاقة غير المرئية تسمى الطاقة المظلمة.
مرة أخرى، يطرح اكتشاف الطاقة المظلمة لغزا آخر يتعلق بالكون ككل، وهو ما تساءل عنه العلماء منذ اكتشافه عام 1933 على يد عالم الفلك السويسري الأمريكي فريتز زويكي من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. بعد دراسة متأنية لقوى الجذب الجماعية التي تمارسها المجرات على نجومها وعلى المجرات الأخرى في مجموعاتها، توصل زويكي إلى نتيجة لا مفر منها: الأمور لا تتفق بشكل صحيح. إن كتل المجرات، المحسوبة على عدد النجوم وكمية الغبار الموجودة فيها، لا تبدأ حتى بالاقتراب من الحجم اللازم لمنع تفكك المجرات أثناء دورانها حول نفسها! وكان استنتاجه هو أن الكون يجب أن يحتوي على كتلة أكبر بكثير مما يمكننا رؤيته في تلسكوباتنا. تسمى هذه الكتلة المفقودة الغامضة الآن بالمادة المظلمة.
جميع الأبحاث الفلكية التي أجريت في السنوات التالية، باستخدام التلسكوبات ذات القوة المتزايدة وطرق التحليل التي زادت قوتها أيضًا بطريقة مماثلة، فشلت في حل مشكلة هذه الفجوة العنيدة التي اكتشفها زويكي، بين المبلغ الإجمالي للأشياء. الكتلة المرئية والكمية الإجمالية للكتلة محسوبة على أساس الجاذبية الجاذبية الجماعية للمجرات. حسنًا، أين توجد كل هذه الكتلة المفقودة من الكون؟ حتى الآن، تم تحديد المادة المظلمة فقط من خلال تأثير جاذبيتها القوية على المادة العادية. ومن الواضح أنها لا تشارك في التفاعلات الكهرومغناطيسية على الإطلاق، على عكس المادة العادية. نحن لا نراها ولا نشعر بها، ولكننا نعلم أنها موجودة، لأنها ضرورية لموازنة جميع قوى الجاذبية اللازمة لتثبيت النجوم والمجرات في أماكنها.
اليوم، يعتقد العلماء أن ما لا يقل عن 96% من إجمالي طاقة الكتلة في الكون (الاثنين متساويان وفقًا لصيغة أينشتاين، كما تتذكرون) هي طاقة مظلمة: 73% طاقة مظلمة؛ 23% منها مادة مظلمة. وتقريبًا كل نسبة الأربعة بالمائة المتبقية من طاقة الكتلة عبارة عن غبار وغاز. فقط 0.4% من كتلة وطاقة الكون موجودة على شكل نجوم باعثة للضوء. بمعنى آخر، تشكل المادة المظلمة 85%، وليس أقل، من كل المادة الموجودة في الكون.
تظهر الحسابات أنه ليس هناك احتمال كبير أن تكون المادة المظلمة مختبئة في الثقوب السوداء، أو أنه يمكن تفسيرها عن طريق النيوترينوات، تلك الجسيمات الموجودة بكثرة، والتي بالكاد تتفاعل مع مادة أخرى. كتلتها الإجمالية لا تصل إلى رقم قريب على الإطلاق من الكمية المفقودة. في الوقت الحاضر، لا أحد يعرف شيئًا عن طبيعة هذا الكم الهائل من المادة المفقودة في كوننا.
اليوم، يعلق العلماء أهمية كبيرة على هذا الزوج من ألغاز طاقة الكتلة للكون - المادة المظلمة والطاقة المظلمة - لأن هذه الألغاز تقف حتى الآن في طريق جميع محاولاتنا للتحقيق فيها. ولذلك، يجري البحث للعثور على مرشحين لدور المادة المظلمة، التي تشكل ما يقرب من ربع كل شيء في عالمنا، ومحاولة تفسير الطاقة المظلمة. إن الحاجة إلى حل هذه الألغاز حشدت علماء فيزياء الجسيمات - الخبراء في دراسة الأشياء الصغيرة جدًا - لمساعدة علماء الفلك وعلماء الفيزياء الفلكية وعلماء الكونيات، كل جهودهم لتقديم إجابات لهاتين المشكلتين في عالم الكون. لقد تم إحباط الأشياء الكبيرة جدًا حتى الآن. لقد قبل علماء فيزياء الجسيمات التحدي، وهم الآن يحاولون استكشاف فيزياء تتجاوز النموذج القياسي بحثًا عن حلول.
في بحثهم عن مرشحين لدور المادة المظلمة، توصل الفيزيائيون إلى العديد من الاحتمالات، من بينها مادة غريبة: جسيمات غريبة، ثمرة الخيال، بدلا من كيانات مبنية على شيء يمكننا رؤيته في العالم المادي من حولنا. بعض المرشحين المحتملين للمادة المظلمة التي اقترحها الفيزيائيون غامضون للغاية لدرجة أنه ليس لديهم أسماء، ويتم تمييزهم بأحرف مثل "D" (للظلام) أو "X" (لـ "مختفي")، أو بأسماء مستعارة مثل "كرات Q" (كتل عديمة الشكل من المادة)، المحاور أو الساكسيونات. في الوقت الحالي، هذه الكائنات الغريبة موجودة فقط في الخيال؛ لكن إذا تم الكشف عن هذا النوع من المواد الغريبة في تجارب HG، فلا شك أنها ستغير وجهات نظرنا حول بنية الكون.
أثار بعض علماء الفيزياء احتمال أن تصبح المادة المظلمة مرئية لنا من خلال تفاعلاتها: إذا اصطدم جسيم المادة المظلمة بجسيم مضاد للمادة المظلمة، فقد يتم إطلاق طاقة يمكننا اكتشافها. كما هو موضح أعلاه، فإن القمر الصناعي باميلا (وهو اختصار قسري إلى حد ما لعبارة "الحمولة المفيدة لأبحاث المادة المضادة والفيزياء الفلكية للنوى الضوئية")، الذي أطلقه اتحاد من العلماء الأوروبيين في عام 2006، يبحث عن المادة المضادة في الفضاء. وهو يبحث أيضًا عن دليل على هذا النوع الدقيق من التفاعل، وهو تأين جزيئات المادة المظلمة عندما تتلامس مع الجسيمات المضادة للمادة المظلمة.
ووفقا لجوردون كين، أحد كبار فيزيائيي الجسيمات في جامعة ميشيغان، فإن أحدث بيانات باميلا تتفق مع عمليات التأين هذه، وقد تقدم أدلة غير مباشرة لدعم وجود المادة المظلمة.

התקווה הגדולה ביותר התלויה בתוצאות מה”ג, אחרי גילוי ההיגס, היא עזרת המאיץ בזיהוי חלק מהמסה החסרה של היקום על־ידי גילוי קבוצה חדשה של חלקיקים, שאת קיומם מנבאת תיאוריה מסוג מסוים המרחיבה את הסימטריה של המודל התקני – או אולי אף כמה קבוצות חלקיקים مثل.

أدت التماثلات الموجودة داخل مجموعة الكواركات إلى ظهور الديناميكا اللونية الكمومية وتنبأت بوجود جسيمات جديدة؛ قدمت تماثلات اللبتون القوة الكهربائية الضعيفة الموحدة لكل من واينبرغ، وسلام، وجلاشو؛ والجمع بين ثلاثة أنواع من التناظر خلق النموذج القياسي الكامل. لذلك، وعلى خلفية النجاحات الكبيرة التي حققتها فكرة التناظر في الطبيعة، بدأ بعض علماء الفيزياء يتساءلون عما إذا كان من الممكن التوسع في هذه الفكرة بشكل أكبر. وعلى وجه الخصوص، هل من الممكن زيادة تناظر النموذج القياسي بحيث يخلق اتصالا مباشرا بين الجسيمات الإضافية، وبالتالي يتنبأ بوجود جسيمات "جديدة"؟

انظر المجموعات الثلاث التالية:

الكواركات إلى الفوتونات

البوزونات

نظر الفيزيائيون في اتجاهين لتوسيع النموذج القياسي. يحاول أحد الأساليب إيجاد تناظر يجمع الكواركات مع اللبتونات؛ ويطلب الآخر وجود تناظر يربط جميع الفرميونات - الكواركات واللبتونات - مع البوزونات.

في عام 1974، كتب عبد السلام وزميله جوجيش باتي مقالًا ادعى فيه أنه من الممكن توسيع الشحنة اللونية للكواركات إلى أربعة ألوان، بدلًا من الثلاثة المعتادة، وأن اللون الرابع سيسمح بإدراج اللبتونات في الكون. نموذج الكوارك. في نفس الوقت تقريبًا، بدأ شيلدون جيلشو وهوارد جيورجي في جامعة هارفارد بالبحث عن مجموعة قياس التناظر يونج ميلز التي من شأنها أن تسمح لهم بتوحيد جميع الكواركات واللبتونات رياضيًا في نموذج واحد. عثر الاثنان على مجموعة لي جديدة وكبيرة، تحتوي على النموذج القياسي بداخلها، وتربط أيضًا الكواركات واللبتونات في تناظر واحد. يطلق الفيزيائيون على هذا النهج اسم النظرية الموحدة الكبرى. لكن لا تدع كلمة "كبيرة" تضللك، فالنظرية كبيرة بمعنى محدود نوعًا ما: فهي توحد الكواركات مع اللبتونات. كان نموذج جورجي وجلاشو أول نظرية موحدة كبرى.

أحد الآثار المهمة للنظريات الموحدة الكبرى هو إمكانية تحول الكواركات إلى لبتونات. على وجه الخصوص، يشير هذا النوع من النظرية إلى أن البروتون سوف يتحلل في النهاية إلى لبتون (الذي له شحنة كهربائية موجبة، وبالتالي، وفقًا لقانون حفظ الشحنة، يجب أن يكون جسيمًا مضادًا). هذا التفاعل بالذات له آثار قاتمة على مستقبل الكون: مع مرور الوقت الكافي، ستختفي كل المادة الهادرونية الموجودة في الكون! إذا كانت النظرية صحيحة، ففي المستقبل البعيد جدًا سوف تتفكك البروتونات، وسوف تتفكك النوى نتيجة لذلك، وفي نهاية العملية لن تكون هناك ذرات متبقية في الكون - فقط الإلكترونات الفردية والبوزيترونات والنيوترينوات. تحلق إليهم في مساحة فارغة تتوسع باستمرار.

لكن اضمحلال البروتون لم يتم ملاحظته تجريبيا على الإطلاق، رغم أن العلماء ظلوا يبحثون عنه منذ سنوات طويلة، في عمليات رصد حاويات كبيرة من الماء النقي مدفونة في القشرة الأرضية، بهدف الكشف عن الإشعاع فيها الذي ليس له تفسير آخر. يحاول مشروع سوبر كاميوكاندي في اليابان تتبع اضمحلال البروتون، بصرف النظر عن تذبذبات النيوترينو. أفاد العلماء العاملون في المشروع منذ وقت ليس ببعيد أنه إذا كان هناك بالفعل اضمحلال للبروتون، فيجب أن يحدث بعد فترة زمنية لا تقل عن 8.2 × 1033 سنة (كان التقدير السابق 1032 سنة على الأقل). أي أننا لا داعي للخوف من مثل هذا الانهيار في المستقبل القريب.

في الوقت الحالي، لا نعرف ما إذا كان البروتون قد يتحلل، لأن الأدلة على هذه العملية نظرية فقط، وتعتمد على نموذج رياضي له افتراضات خاصة لم يتم اختبارها بعد. إن التكهنات المتعلقة بإمكانية اضمحلال البروتون الذي يبدو مستقرًا جدًا كانت تطفو في الهواء لسنوات عديدة. قال موريس جولدهابر، الذي ترأس مختبر بروكهافن والذي كان يأمل أن يشهد اكتشاف تحلل البروتون في إحدى التجارب، منذ خمسة وعشرين عامًا: "ليت البروتون يعيش إلى الأبد! ولكن إذا كان فانيا فمن يتركه يموت بيدي..."

الطريقة الثانية التي يختبرها الفيزيائيون لتوسيع النموذج القياسي هي التطلع إلى احتضان البوزونات والفرميونات في مجموعة تناظر واحدة. تسمى هذه الفكرة بالتناظر الفائق - وهو تناظر أكبر من تناظر النموذج القياسي الذي يحتوي عليه كمجموعة فرعية. الأحرف الأولى من التناظر الفائق في اللغة الإنجليزية هي SUSY، لذلك يسميها البعض "Suzy".

تم تطوير فكرة التناظر المفرط في الاتحاد السوفييتي في السبعينيات، ولكن مرت سنوات عديدة قبل أن يصبح عمل الروس معروفًا في الغرب. في عام 1971، بدأ يوري جولفاند ويفغيني ليشتمان بناء نظرية المجال الفائق التناظر، وبعد ذلك بعامين، اكتشف زوج آخر من الفيزيائيين الروس، ديمتري فولكوف وفلاديمير أوكولوف، أول كسر نظري للتناظر الفائق. دون أن يعرف أي شيء عن الروس (الذين لم يعرفوا عنه شيئًا أيضًا)، قام الفيزيائي الإيطالي برونو كومينو، وهو الآن أستاذ فخري في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، مع زميله النمساوي الراحل يوليوس ويس، بتطوير فكرة التناظر الفائق في حوالي نفس الوقت.

درس يوليوس فيس في جامعة فيينا، حيث تأثر بشكل كبير بإروين شرودنغر. كان برونو تسومينو أستاذًا بالفعل عندما التقى بفيس لأول مرة، عندما كانت هيلا مجرد طالبة بحث. بدأ الاثنان العمل معًا على التناظرات في الفيزياء، وقاما ببناء نموذج للطبيعة يعتبر أنيقًا بشكل خاص من قبل العديد من علماء الفيزياء اليوم. ويطلق عليه البعض لقب "سوزي الجميلة".
في أحد نجاحاتها النظرية الأولى، قامت سوزي بحل مشكلة الاختلاف الكبير بين رتب قوى الطبيعة الأربع. كما هو موضح أعلاه، وفقًا للنموذج القياسي، فإن القوى الثلاث التي يتعامل معها لا تلتقي عند نقطة واحدة محددة في الماضي البعيد، مباشرة بعد الانفجار الأعظم؛ لكن في ظل التناظر الفائق تمكنوا من القيام بذلك. ومن الممكن أيضًا أن تتحد الجاذبية مع القوى الثلاث الأخرى، باستثناء الماضي البعيد.

وبما أن ثلاث من قوى الطبيعة (وربما أربعة، وفقًا لافتراضات معينة) اجتمعت معًا تحت تناظر فائق في بداية الكون، فإن التناظر الفائق يشير إلى توحيد القوى. من وجهة النظر هذه، فإن القوى تذهب في طريقها المنفصل فقط بعد أن بدأ الكون يبرد، وانكسرت التماثلات الأصلية تلقائيًا؛ لكن إذا استخدمنا نموذج سوزي، يمكننا أن نرى أنه كان هناك تماثل كبير. هذا التوحيد في بداية الزمن، والذي أعقبه كسر التناظر، يمنح النموذج قدرًا كبيرًا من الأناقة كنظرية تربط جميع القوى معًا، تقريبًا في وقت تكوينها.
ميزة أخرى رائعة للتناظر الفائق هي أن هذه النظرية تتصرف بشكل جيد للغاية على المستوى النظري. ليست هناك حاجة للقيام بالكثير من أعمال إعادة التطبيع، أي أنه من الأسهل إزالة القيم اللانهائية من حلولها، بدلاً من القيام بذلك في إطار النموذج القياسي.
قبل أسبوعين من وفاته في عام 2007، تحدث يوليوس فيس في مؤتمر حول التناظر الفائق، SUSY07، الذي عقد في ذلك العام في جامعة كارلسروه في ألمانيا. وكان يعلق آمالا كبيرة على دخول MHA حيز التنفيذ، والذي كان من المفترض أن يبدأ في عام 2008. لسوء الحظ، لم يتمكن فيس من معرفة ما إذا كان HC سيتحقق من نظريته ونظرية عهوده. وفي محاضرته في المؤتمر أكد فيس على فكرة التناظر وأوضح كيف قاده هو وأتباعه إلى فرط التناظر:

الجميع يلاحظ التماثل، بطريقة أو بأخرى. أعتقد أنه من الجدير بالذكر أنه منذ حوالي ثلاثين عامًا، كان هناك اهتمام كبير بالقردة العليا، بهدف معرفة مدى قدرتهم على التعلم. كان أحد الأهداف هو معرفة كيف ستتعلم القردة الرسم. وفي إحدى هذه التجارب، تم رسم نقطة على أحد جانبي ورقة، ثم حاول حيوان التجربة رسم نقطة على الجانب الآخر لإنشاء توازن متماثل. وهذا بالضبط ما نفعله في الفيزياء.

الفكرة وراء "سوزي" هي أن كل بوزون لديه فرميون شريك - نقطة أخرى مرسومة بشكل متناظر على الجانب الآخر من الورقة، إذا جاز التعبير. وبنفس القدر، كل فيرميون لديه بوزون مصاحب. ويطلق على هؤلاء الشركاء الفائقين. ولكن بما أن أعداد الفرميونات والبوزونات غير متساوية، فمن الضروري "اختراع" المزيد من الجسيمات وإضافتها إلى النموذج، من أجل تحقيق تطابق كامل بين المجموعتين. بعض الجسيمات التي لم يتم تحديدها بعد والضرورية لهذا النموذج هي مرشحة ممتازة لدور المادة المظلمة.

تحتوي بوزونات المعايرة في النموذج القياسي على فرميونات مشتركة في عالم التناظر الفائق. وتسمى هذه بشكل جماعي "gaijinos" ["chiolins"]. على سبيل المثال، لدى الغلوون شريك فائق يسمى غلوينو؛ الشريك الفائق لبوزون W هو الوينو. الشارجينو ["شحناتنا"] هو جسيم مشحون عبارة عن خليط كمي من الجسيمات؛ والنوترالينو هو جسيم محايد وهو أيضًا خليط كمي. وكما رأينا في مناقشتنا للنيوترينوات، فإن اللاحقة "-ino" هي الصيغة التصغيرية باللغة الإيطالية (يسمى الهاتف الخليوي telefonino باللغة الإيطالية)، ويبدو أن هذا هو مصدر طريقة التسمية هذه - ربما كامتداد لفكرة فيرمي الذي أعطى النيوترينو اسمه. وكما كنت قد خمنت، فإن الشريك الفائق لجسيم هيجز هو هيجزينو.

تتم تسمية الشركاء الفائقين الآخرين بأسماء تبدأ بالحرف S: هناك سليبتونات وهناك سكواركات - هؤلاء هم الشركاء الفائقون لليبتونات والكواركات في النموذج القياسي. بمزيد من التفصيل، الشريك الفائق للكوارك السفلي [السفلي] هو الذرة الفرعية؛ الشريك الفائق للكوارك العلوي [top] هو التوقف؛ وفي قطاع Slaptones، يوجد على سبيل المثال Stauon. وفقًا لإحدى النظريات، ربما تكون الكواركات والجلونات هي أثقل الجسيمات الفائقة.
في عائلة النماذج المبنية على "سوزي"، يكون بعض أعضائها أقرب إلى النموذج القياسي، بينما يكون البعض الآخر بين أعضائها أكثر تفصيلاً، وبالتالي أبعد عنه. النموذج الفائق التناظر الأكثر تشابهًا مع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات يسمى النموذج القياسي الفائق التناظر الحد الأدنى، والمختصر بـ MSSM. وهذه بنية نظرية قوية في الفيزياء الحديثة، ويؤمن بها الكثيرون ويشاركون في تطويرها. وحدوده هي الفرصة الضعيفة التي يقدمها لتفسير جزء كبير من المادة المفقودة في الكون. نموذج آخر يسمى NMSSM - النموذج القياسي الفائق التناظر بعد الحد الأدنى. كلاهما امتدادات بسيطة إلى حد ما للنموذج القياسي، وكلاهما يتضمن مرشحين لأدوار جسيمية جديدة، والتي يمكن التحقق منها عن طريق الاصطدامات من HG. لكن النماذج فائقة التناظر الأكثر تعقيدًا تحتاج إلى مستويات طاقة أعلى بكثير لحزم الجسيمات، من أجل السماح بملاحظة الظواهر التي تتنبأ بها، وبالتالي فإن فرص التحقق من صحة هذه النظريات أقل من فرص غازات الدفيئة. وحتى في مستويات الطاقة الأعلى نجد نماذج نظرية الأوتار، والتي سيتم وصفها في الفصل الثاني عشر.

مشكلة المادة المظلمة تضايق الفيزيائيين، ولذلك فلا عجب أنه مع افتتاح تجارب HG، فإن اللهفة لاكتشاف مصدر المادة المظلمة لا تقل عن اللهفة لاكتشاف جسيم هيغز. نظرًا لأن شركاء التناظر الفائق - حتى لو تم اكتشافهم - لا يُتوقع منهم أن يضيفوا إلى الكتلة الإجمالية لجميع الجسيمات المعروفة في النموذج القياسي الكمية اللازمة لملء الفجوة بالكامل، فقد وجد العلماء الذين توصلوا إلى نظريات أكثر تطرفًا .

في العديد من المؤتمرات العلمية رفيعة المستوى التي عقدت عشية افتتاح MHC، قدم الفيزيائيون العاملون في أحدث مجالات فيزياء الجسيمات طرقًا يمكن من خلالها التحقق من التناظر الفائق باستخدام مصادم الهادرونات الكبير. وفيما يلي سأصف بشيء من التفصيل النظريات المقدمة في هذه المؤتمرات، فقط لإعطائك فكرة عن طبيعة الأبحاث الأكثر تقدمًا في فيزياء الجسيمات النظرية وثراء أعمال كبار الباحثين.
الجرافيتون هو البوزون المفترض الذي يتوسط عمل الجاذبية. لم يسبق له مثيل بالمرصاد. إذا كان الجرافيتون موجودًا، فوفقًا للنظرية يجب أن يكون له دوران 2. كما تتذكر، فإن بوزونات W وZ والفوتون والغلوون لها دوران 1، في حين أن هيغز، إذا كان موجودًا، لديه دوران 0.
هناك نظرية تسمى الجاذبية الفائقة، وهي امتداد للتناظر الفائق الذي يشمل الجاذبية. تتنبأ هذه النظرية بوجود الجرافيتينو: وهو شريك فائق للجرافيتون، وهو نظير للشركاء الفائقين لبوزونات النموذج القياسي W وZ. وفقًا لتقدير حديث، قد يكون الجرافيتينو مرشحًا جيدًا لدور المادة المظلمة. "من الممكن أن يكون الجرافيتينو مرشحًا طبيعيًا للمادة المظلمة. وقال ويلفريد بوشميلر من هامبورغ، في عرض تقديمي حول التناظر الفائق في مؤتمر SUSY09 في بوسطن: "لكن ليس لدينا أي فكرة عن كتلته".

وفقًا للبعض، هناك مرشح ممتاز آخر لدور جسيم المادة المظلمة في إطار نظرية التناظر الفائق وهو الجلوينو. وكما تتذكر، فإن هذا الجسيم هو المماثل، في عالم التناظر الفائق، للغلوون الموجود في عالمنا. وفقًا للفيزيائيين، سيكون من الممكن التعرف على الغلوينات من خلال اضمحلالها إلى نفاثات هادرونية وستونونات.

في حين أن الطبيعة، وفقًا لرامان ساندروم من جامعة جونز هوبكنز، لديها "قطاع مظلم" مع "جزيئاتها المظلمة" الخاصة بها، منفصلة تمامًا عن شركاء التناظر الفائق الذين ينتمون بشكل جماعي إلى "قطاع سوزي" في نموذجه، وهذا القطاع، في بدوره، منفصل تمامًا عن النموذج القياسي". هناك "قوة مظلمة" تعمل في "القطاع المظلم"، وفوتونات "القطاع المظلم" هي "فوتونات مظلمة". المنطق وراء "النموذج المظلم" لسوندرم هو ما يسميه "ملاحظات المادة المظلمة" - وهو التفسير الذي يقدمه لبعض التقارير العلمية الحديثة. هذه "المشاهدات" هي ظواهر غير مفسرة تم تسجيلها بواسطة الأقمار الصناعية البحثية، و"Syndrom" تساويها بـ "مشاهدة الأجسام الطائرة المجهولة"، لا أقل ولا أكثر...

إلى جانب كل هذه المكونات، يتضمن نموذج سوندرم أيضًا أحد مكونات نظرية الأوتار يسمى رومان (اختصار لكلمة "غشائي" أي الغشاء)، والذي تعتمد عليه القطاعات المختلفة. يوجد في نموذجه أيضًا قطاع خفي يعيش في فضاء خاص به، ويتصل ببقية النموذج من خلال بعد خامس (البعد العالي) "ملفوف" من الزمكان، والذي تقتضي نظرية الأوتار وجوده . تتوسط الجاذبية جميع التفاعلات بين القطاعات، لأن المادة المظلمة لا تكشف عن وجودها إلا من خلال تأثيرات جاذبيتها. يشتمل نموذج سوندرم أيضًا على "قطاع هيغز المظلم"، الذي يعطي كتلة للفوتون المظلم. يتوسط النموذج الفائق التناظر والنموذج القياسي والجاذبية الفائقة بين القطاع المخفي والقطاع المظلم المنفصلين عن بعضهما البعض. وغني عن القول أن هذا النموذج يصعب استيعابه، حتى بالنسبة لأولئك الفيزيائيين الذين اعتادوا بالفعل على نماذج غريبة جدًا للكون. وبطبيعة الحال، لا توجد فرصة لمثل هذا النموذج المرهق والمعقد لاجتياز اختبار أينشتاين للأناقة؛ ولكنها موجودة لتعطيك فكرة عن طبيعة نماذج الكون التي يفكر فيها بعض علماء الفيزياء العاملين اليوم.

لا تحتاج إلى الاستنتاج من كل ما سبق أن التناظر الفائق قد تم تطويره لحل مشكلة المادة المظلمة. والتناظر الفائق هو امتداد أنيق لأفكار النموذج القياسي، الذي استمده -بناء على اعتبارات نظرية فقط- من قبل فيزيائيين موهوبين كرسوا أنفسهم قلبا وقالبا لفكرة التناظر وحاولوا توسيعها أكثر فأكثر. لكن الصدفة ستأتي، والتناظر الفائق يستلزم وجود أنواع عديدة من الجسيمات أكثر مما نعرفه اليوم، وبالتالي فهو يحمل الوعد بحل مشكلة المادة المظلمة. علاوة على ذلك، فهو يحتوي على أمل شديد الإغراء لتوحيد قوى الطبيعة عند مستوى الطاقة العالي جدًا الذي ميز الفترة الزمنية التي تلت الانفجار الأعظم مباشرة، بل إنه يوفر، كمكافأة، إمكانية مريحة نسبيًا لإعادة التطبيع.

لا يستخدم نموذج Sondrome المتشابك والمعقد التماثل فحسب، بل يستخدم أيضًا أفكارًا من نظرية الأوتار. من حيث التطور التاريخي، هناك علاقة بين هاتين النظريتين، نظرية الأوتار والتناظر الفائق: في الواقع، استمد التناظر الفائق إلهامه من الأفكار الأولى المطروحة في دراسة الأوتار. تهدف كل من الجاذبية الفائقة - النموذج الفائق التناظر الذي يتضمن الجاذبية - ونظرية الأوتار إلى دمج النظرية النسبية العامة لأينشتاين مع نظرية المجال الكمي.

في العشرين سنة الأخيرة، أصبحت نظرية الأوتار واحدة من أهم النظريات في الفيزياء، لأنها تعتبر أنيقة ولها الكثير من القوة التوحيدية النظرية، وقد اجتذب هذان الجانبان الفيزيائيين الشباب اللامعين بأعداد كبيرة. وسنناقش الآن هذه النظرية.