نجح فيزيائيون في جامعة نورث وسترن في حبس بوزيترون واحد وتبريده والتحكم فيه داخل حالة كمومية لعدة أشهر. والبوزيترون هو النظير المضاد للإلكترون. وأوجدت النتيجة ما يسميه الباحثون «السيكلوترون الكمومي لبوزيترون واحد»: نظاماً يمكن فيه رصد جسيم واحد من المادة المضادة والتلاعب به بدرجة استثنائية من التحكم.
وتكتسب هذه الخطوة أهميتها لأن النموذج المعياري لفيزياء الجسيمات يتوقع أن يكون البوزيترون والإلكترون صورتين متطابقتين تقريباً. ويمكن لمقارنة دقيقة بما يكفي لخصائصهما المغناطيسية أن تختبر هذا التوقع بصرامة أكبر من ذي قبل. وأي اختلاف غير مفسر قد يشير إلى فجوة في النظرية الحالية، ويوفر أدلة على أحد أعمق ألغاز الفيزياء: لماذا يهيمن على الكون المرصودmatter العادية بدلاً من المادة المضادة.
تحويل المادة المضادة إلى نظام كمومي قابل للتحكم
يصعب دراسة البوزيترونات لأن ملامستها للمادة العادية تؤدي إلى الفناء. وقد التقط فريق نورث وسترن أولاً بوزيتروناً سريع الحركة نتج عن تحلل إشعاعي، ثم برده إلى درجة تقترب من الصفر المطلق. وحُبس الجسيم في فراغ شبه كامل، ما حد من احتمال أن يلتقي بالمادة ويختفي.
في تلك الظروف، يتصرف البوزيترون بطريقة يقارنها الباحثون بذرة اصطناعية. وله مستويات طاقة كمومية يمكن التحكم فيها ورصدها. وهذا لا يجعل البوزيترون ذرة بالمعنى الكيميائي التقليدي؛ بل إن ترتيب الحبس يمنح العلماء نظاماً كمومياً معزولاً يمكن قياس حالات طاقته بعناية استثنائية.
إن إبقاء بوزيترون واحد معزولاً يمثل إنجازاً مركزياً بحد ذاته. وتأتي القيمة العلمية في المختبر من جعل جسيم المادة المضادة مستقراً وبارداً ومعزولاً بما يكفي لفحص خصائصه من دون السماح بوقوع تلك المواجهات.
اختبار تناظر أساسي
قال جيرالد غابرييلسه، الذي قاد الدراسة، إن الهدف الأوسع هو فحص العلاقة بين الإلكترونات والبوزيترونات. ويتنبأ النموذج المعياري بأن الجسيمين يجب أن يكونا نظيرين متطابقين تقريباً. فشحناتهما تحمل إشارتين متعاكستين، لكن خصائصهما الأساسية الأخرى ينبغي أن تتطابق بالطريقة التي تتطلبها النظرية.
وتعد المغناطيسية إحدى أهم هذه الخصائص. ومن خلال قياس السلوك المغناطيسي للبوزيترون بدقة عالية ومقارنة النتيجة بالقياسات الراسخة للإلكترون، يستطيع الباحثون اختبار ما إذا كان الاثنان لا يزالان متطابقين بالمستوى المتوقع نظرياً. ويهدف السيكلوترون الجديد للجسيم الواحد إلى توفير طريق لهذه المقارنة.
وستعزز النتيجة المتطابقة الثقة في الإطار القائم. أما عدم التطابق فسيكون أكثر أهمية. ولن يفسر ذلك وحده كل الأسئلة العالقة في الفيزياء، لكنه سيظهر أن النموذج المعياري غير مكتمل بطريقة قابلة للقياس، ويمنح الباحثين شذوذاً ملموساً للتحقيق بدلاً من مجرد لغز كوني لوصفه.
لماذا يظل اختلال المادة والمادة المضادة بلا حل
إن وجود كون مملوء بالمادة أحد أسباب الاهتمام الكبير بتجارب البوزيترونات. ويُتوقع أن يكون الانفجار العظيم قد أنتج المادة والمادة المضادة بكميات متساوية. ولو بقي الاثنان متوازنين تماماً والتقيا بحرية، لفنيا، ولما بقيت النجوم أو الكواكب التي نراها اليوم.
لكن المادة العادية لا تزال موجودة. ويعرف الفيزيائيون أن الكون المرصود لا يمكن وصفه ببساطة بأنه خليط متوازن تماماً فني بالكامل. وما الذي أحدث الاختلال لا يزال غير محسوم. ولذلك فإن الاختبارات التي تبحث عن فروق صغيرة بين المادة والمادة المضادة تختبر مبدأً ذا آثار كونية.
ولا تدعي نتيجة نورث وسترن حل هذا الاختلال. تكمن أهميتها في المنهج: فهي تنشئ نظام بوزيترون شديد التحكم قد يجعل إجراء مقارنة أكثر دقة ممكناً. وغالباً ما يعتمد التقدم في الفيزياء الأساسية على مثل هذه التطورات التجريبية، حيث يتيح العزل والتحكم الأفضل طرح سؤال قديم بمزيد من الدقة.
من جسيم محبوس إلى قياس أدق
نُشرت الدراسة في Physical Review Letters، وفقاً لجامعة نورث وسترن. وستعتمد قيمة المنصة مستقبلاً على دقة القياسات التي تُجرى بها وقابليتها للتكرار. أما الإنجاز المباشر فهو القدرة على إبقاء جسيم واحد من المادة المضادة تحت السيطرة، بدلاً من أن يحدد الفناء وجوده القصير.
وتمنح هذه القدرة الفيزيائيين مختبراً صغيراً ونظيفاً على نحو غير معتاد لفحص المادة المضادة. فإذا أكدت القياسات المستقبلية التناظر المتوقع، فستعزز تنبؤاً رئيسياً للنموذج المعياري. وإذا لم تؤكده، فقد يصبح بوزيترون واحد محبوس دليلاً على أن أنجح وصف قائم للجسيمات الأساسية يحتاج إلى مراجعة.
يستند هذا المقال إلى تقرير نشره Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on phys.org