الملخص:
حقق فريق من علماء الفيزياء من جامعة نورث وسترن مؤخرًا إنجازًا كبيرًا في مجال تجارب فيزياء الجسيمات. لأول مرة، تم بنجاح توجيه نظير المادة المضادة للإلكترون، البوزيترون، والتحكم فيه بثبات في حالة كمومية دقيقة، وتم تعليقه وسجنه في بيئة شديدة الفراغ بالقرب من الصفر المطلق لعدة أشهر. نتيجة البحث هذه، المنشورة في Physical Review Letters، شيدت أول "سيكلوترون كمي بوزيتروني منفرد" في العالم وفتحت طريقًا تجريبيًا جديدًا للبشرية لاستكشاف سر احتباس المادة في الكون.
في الفيزياء الحديثة، على الرغم من أن النموذج القياسي يصف الجسيمات الأولية وثلاث من القوى الأساسية الأربعة المتفاعلة بدقة عالية للغاية، إلا أنه لم يتمكن أبدًا من الإجابة على لغز أساسي: وفقًا للاستنتاجات النظرية، كان من المفترض أن ينتج الانفجار الكبير كميات متساوية من المادة والمادة المضادة. عندما يلتقي الاثنان، سيتم إبادتهما على الفور وتقليلهما إلى لا شيء. ومع ذلك، في الواقع، يتكون الكون المرئي بالكامل تقريبًا من مادة إيجابية، ويمكن للنجوم والكواكب وحتى البشر البقاء على قيد الحياة. وقال جيرالد غابرييل، قائد البحث، إن هذا يظهر أن النموذج القياسي الحالي لا يزال به عيوب رئيسية أو عدم اكتمال. ويأمل فريق البحث العلمي في تحقيق اختراقات في النظرية الحالية من خلال الفحص الدقيق للغاية لأنظمة الجسيمات الأساسية.
نظرًا لأن المادة المضادة ستُفنى فورًا بمجرد ملامستها لجدار حاوية المادة التقليدية، فمن الصعب للغاية الحفاظ عليها لفترة طويلة. حصل فريق البحث أولاً على البوزيترونات عالية الطاقة من التحلل الإشعاعي لنظير الصوديوم النادر 22، وقاموا بإبطائها بشكل كبير ووضعها في مصيدة كهرومغناطيسية مصممة خصيصًا. واستخدموا مجالات كهربائية ومغناطيسية خاصة لتعليقها وعزلها في بيئة فراغ شبه مثالية، مما أدى إلى عزلها تمامًا عن الاتصال بالمادة العادية في العالم الخارجي. وفي الوقت نفسه، حافظ العلماء على بيئة درجة حرارة منخفضة للغاية تبلغ حوالي 300 ميلي كلفن داخل المصيدة، وهي 0.3 درجة مئوية فقط فوق الصفر المطلق، ونجحوا في تبريد البوزيترونات المتحركة عالية السرعة إلى أدنى حالة أرضية كمومية، مما يجعلها ثابتة بشكل مطيع مثل الذرات الاصطناعية وتظهر مستويات طاقة كمومية واضحة. وعلى هذا الأساس، استخدم الفريق موجات ميكروويف مضبوطة بدقة لحقن كمية صغيرة من الطاقة لتحفيز ومراقبة انتقال البوزيترونات بين الحالات الكمومية المختلفة بدقة.
في السابق، استخدم فريق غابرييلز "سيكلوترونًا كميًا واحدًا" لقياس العزم المغناطيسي للإلكترونات (كمية فيزيائية تقيس قوة التفاعل بين الجسيمات والمجالات المغناطيسية) بدقة مذهلة تبلغ جزءًا واحدًا من عشرة تريليونات. بعد النجاح في توسيع نفس المستوى من تكنولوجيا المعالجة الكمومية إلى جسيم واحد من المادة المضادة، فإن الهدف التالي للفريق هو قياس العزم المغناطيسي للبوزيترون بنفس الدقة. وفقًا لتنبؤات نظرية الفيزياء الحالية، يجب أن تكون العزوم المغناطيسية للإلكترونات والبوزيترونات متساوية تمامًا في الحجم ومتعاكسة في الاتجاه. وأشار غابرييلز إلى أنه إذا تم العثور على اختلاف بسيط للغاية في قيم العزم المغناطيسي بين الاثنين في مقارنات الدقة اللاحقة، فإنه سيهز أساس النموذج القياسي بشكل مباشر. ولا يتوقع أن يكشف فقط عن الآلية العميقة لاختلال توازن المادة والمادة المضادة في الكون، بل سيصبح أيضًا أهم اكتشاف علمي في الفيزياء في القرن الماضي.
التعليقات