قد تساعد تجربة تاريخية في CERN في تفسير سبب خسارة المادة المضادة في بداية الكون. إذا أسقطت المادة المضادة، فهل تسقط أم ترتفع؟ في تجربة معملية فريدة من نوعها، لاحظ الباحثون الآن المسار الهبوطي لذرة هيدروجين مضاد واحدة، مما يوفر إجابة واضحة:المادة المضادة تسقط إلى الأسفل.
تُظهر هذه الصورة ذرات الهيدروجين المضاد وهي تسقط وتفنى داخل مصيدة مغناطيسية تعد جزءًا من تجربة ALPHA-g في CERN، والمصممة لقياس تأثير الجاذبية على المادة المضادة. مصدر الصورة: المؤسسة الوطنية للعلوم
وفي حين يؤكد هذا الاكتشاف جاذبية المادة المضادة والمادة العادية، فإنه يستبعد أيضًا تنافر الجاذبية باعتباره السبب وراء غياب المادة المضادة إلى حد كبير في الكون المرئي.
نشر باحثون من المرفق الدولي لفيزياء الليزر المضاد للهيدروجين (ALPHA) في CERN في سويسرا نتائجهم اليوم في مجلة Nature.
وقال فياتشيسلاف "سلافا" لوكين، مدير البرنامج في قسم الفيزياء بمؤسسة العلوم الوطنية: "إن نجاح تعاون ألفا يوضح أهمية العمل الجماعي عبر القارات والمجتمعات العلمية". "إن فهم خصائص المادة المضادة لا يساعدنا فقط على فهم كيفية تشكل الكون، ولكنه يتيح أيضًا ابتكارات غير مسبوقة - مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، الذي ينقذ العديد من الأرواح من خلال تطبيق معرفتنا بالمادة المضادة للكشف عن الأورام السرطانية في الجسم."
إن تعاون مرفق فيزياء الليزر المضاد للهيدروجين (ALPHA) هو مجموعة دولية في CERN تستخدم ذرات الهيدروجين المضاد لفهم التماثلات الأساسية بين المادة والمادة المضادة. أعلن الباحثون عن نتائج رائدة من تجربة تهدف إلى فهم تأثيرات الجاذبية على المادة المضادة. مصدر الصورة: المؤسسة الوطنية للعلوم
التوأم المتغير المراوغ للمادة
باستثناء محركات الالتواء التي تغذيها المادة المضادة وطوربيدات الفوتون التي تم تخيلها في ستار تريك، فإن المادة المضادة حقيقية تمامًا ولكنها نادرة بشكل غامض.
قال جوناثان ورتيلي، عالم فيزياء البلازما في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، وعضو في تعاون ALPHA: "تنص النظرية النسبية العامة لأينشتاين على أن المادة المضادة يجب أن تتصرف تمامًا مثل المادة". "تُظهر العديد من القياسات غير المباشرة أن الجاذبية تتفاعل مع المادة المضادة كما هو متوقع." "ولكن حتى نتائج اليوم، لم يقم أحد فعليًا بملاحظات مباشرة لاستبعاد احتمالية تحرك الهيدروجين المضاد للأعلى في مجال الجاذبية بدلاً من الأسفل."
إن أجسادنا والأرض ومعظم كل شيء آخر في الكون يعرفه العلماء يتكون في الغالب من مادة منتظمة تتكون من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، مثل ذرات الأكسجين والكربون والحديد وعناصر أخرى في الجدول الدوري.
ومن ناحية أخرى، فإن المادة المضادة هي الأخ التوأم للمادة العادية، وإن كان لها بعض الخصائص المعاكسة. For example, antiprotons have a negative charge, while protons have a positive charge. الإلكترونات المضادة (وتسمى أيضًا البوزيترونات) مشحونة بشكل إيجابي، في حين أن الإلكترونات مشحونة بشحنة سالبة.
كيفن إم. جونز هو مدير مشروع في قسم الفيزياء في مؤسسة العلوم الوطنية وأستاذ ويليام إدوارد ماكلفريش الفخري للفيزياء في كلية ويليامز. لقد قدم بإيجاز ماهية المادة المضادة والقيمة الإجمالية لدراسة المادة المضادة. المصدر: المؤسسة الوطنية للعلوم
ربما يكون الأمر الأكثر صعوبة بالنسبة للتجارب هو أن "المادة المضادة تنفجر بمجرد ملامستها للمادة"، كما قال جويل فاجانز، عالم فيزياء البلازما في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، وعضو في تعاون ALPHA.
تتحول الكتلة المجمعة من المادة والمادة المضادة بالكامل إلى طاقة في تفاعل شديد الشدة لدرجة أن العلماء يطلقون عليه اسم الإبادة.
بالنسبة لكتلة معينة، يعد هذا الإبادة هو الشكل الأكثر كثافة لإطلاق الطاقة المعروف لنا. ومع ذلك، فإن كمية المادة المضادة المستخدمة في تجربة ALPHA صغيرة جدًا لدرجة أن أجهزة الكشف الحساسة فقط هي التي يمكنها استشعار الطاقة الناتجة عن إبادة المادة المضادة/المادة. لذلك علينا أن نتعامل مع المادة المضادة بحذر شديد وإلا سنفقدها.
صورة مفاهيمية لذرات الهيدروجين المضاد في المصيدة المغناطيسية لجهاز ALPHA-g. عندما تضعف قوة المجال المغناطيسي في أعلى وأسفل المصيدة، تهرب ذرات الهيدروجين المضاد، وتتصل بجدران المصيدة وتفنى. تحدث معظم عمليات الفناء أسفل الحجرة، مما يشير إلى أن الجاذبية تسحب ذرات الهيدروجين المضاد إلى الأسفل. تمثل خطوط المجال المغناطيسي الدوارة في الرسوم المتحركة التأثيرات غير المرئية للمجالات المغناطيسية على ذرات الهيدروجين المضاد. في التجارب الفعلية، المجال المغناطيسي لا يدور. المصدر: Keyi "Onyx" Li/مؤسسة العلوم الوطنية
投掷“反物质炸弹"
وقال فوتيل: "بشكل عام، نحن نصنع المادة المضادة، ونجري تجربة شبيهة بتجربة برج بيزا المائل". كان يشير إلى سلف فكري أبسط لتجاربهم، ألا وهو تجربة جاليليو في القرن السادس عشر (ربما بشكل مجازي) والتي أظهرت أن جسمين لهما نفس الحجم ولكن كتلتين مختلفتين سقطا في نفس الوقت لهما نفس تسارع الجاذبية. "نحرك المادة المضادة ونرى ما إذا كانت سترتفع أم تنخفض."
في تجربة ألفا، يتم احتواء غاز الهيدروجين المضاد في حجرة مفرغة أسطوانية طويلة مع مصيدة مغناطيسية متغيرة تسمى ALPHA-g. قام العلماء بتقليل قوة المجالات المغناطيسية في أعلى وأسفل المصيدة حتى تمكنت ذرات الهيدروجين المضاد من الهروب وأصبحت تأثيرات الجاذبية الضعيفة نسبيًا واضحة.
عندما تهرب كل ذرة هيدروجين مضاد من المصيدة المغناطيسية، فإنها تصطدم بجدار التجويف أعلى أو أسفل المصيدة وتختفي، مما يسمح للعلماء باكتشافها وإحصائها.
كرر الباحثون التجربة عشرات المرات، مع تغيير شدة المجال المغناطيسي في أعلى وأسفل المصيدة لإزالة الأخطاء المحتملة. ولاحظوا أنه عندما كان المجال المغناطيسي الضعيف متوازنًا بدقة في الأعلى والأسفل، تم تدمير حوالي 80٪ من ذرات الهيدروجين المضاد تحت المصيدة - وهي نتيجة تتفق مع كيفية تصرف سحب الهيدروجين العادية في ظل نفس الظروف.
ولذلك، فإن الجاذبية تتسبب في سقوط ذرات الهيدروجين المضاد إلى الأسفل.
سر المادة/المادة المضادة
على الرغم من عدم وجود مصادر كثيرة للمادة المضادة - مثل البوزيترونات المنبعثة عندما يتحلل البوتاسيوم، وحتى المادة المضادة في الموز - إلا أن العلماء لا يرون الكثير من المادة المضادة في الكون. ومع ذلك، تتنبأ قوانين الفيزياء بأن المادة المضادة يجب أن تتواجد تقريبًا بنفس كمية المادة العادية. يسمي العلماء هذا اللغز بمشكلة إعادة الميلاد.
أحد التفسيرات المحتملة هو أن المادة المضادة كانت تتنافر مع المادة العادية أثناء الانفجار الكبير، لكن النتائج الجديدة تشير إلى أن هذه النظرية لم تعد ذات مصداقية.
وقال فوتيل: "لقد استبعدنا احتمال أن تكون المادة المضادة طاردة للجاذبية وليست منجذبة". "This does not mean there is no difference in the gravitational pull experienced by antimatter," he added. فقط القياسات الأكثر دقة يمكن أن تثبت ذلك.
سيستمر الباحثون في تعاون ALPHA في استكشاف طبيعة الهيدروجين المضاد. بالإضافة إلى تحسين قياسات تأثيرات الجاذبية، فإنهم يستخدمون التحليل الطيفي لدراسة كيفية تفاعل الهيدروجين المضاد مع الإشعاع الكهرومغناطيسي.
سيكون أمرًا ثوريًا إذا كان الهيدروجين المضاد مختلفًا عن الهيدروجين بطريقة ما، لأن القوانين الفيزيائية لميكانيكا الكم والجاذبية تنص على أن الهيدروجين المضاد يجب أن يتصرف بنفس الطريقة. ومع ذلك، لن تعرف إلا إذا قمت بالتجربة.