منذ اقتراح وجود المادة المضادة في أوائل القرن العشرين ، سعى العلماء إلى فهم كيفية ارتباطها بالمادة الطبيعية ، وسبب وجود اختلال واضح بين الاثنين في الكون. للقيام بذلك ، ركزت أبحاث فيزياء الجسيمات في العقود القليلة الماضية على الجسيم المضاد لأكثر الذرات أولية ووفرة في الكون - جسيم الهيدروجين المضاد.
حتى وقت قريب ، كان هذا صعبًا للغاية ، حيث كان العلماء قادرين على إنتاج الهيدروجين المضاد ، لكنهم غير قادرين على دراسته لفترة طويلة قبل أن يباد. ولكن وفقًا لدراسة حديثة نُشرت في طبيعة سجية وفريق يستخدم تجربة ألفا كان قادرًا على الحصول على المعلومات الطيفية الأولى عن الهيدروجين المضاد. هذا الإنجاز ، الذي استغرق صنعه 20 عامًا ، يمكن أن يفتح حقبة جديدة تمامًا من البحث في المادة المضادة.
يعد قياس كيفية امتصاص العناصر للضوء أو إصدارها - أي التحليل الطيفي - جانبًا رئيسيًا من جوانب الفيزياء والكيمياء وعلم الفلك. فهو لا يسمح للعلماء فقط بتوصيف الذرات والجزيئات ، بل يسمح لعلماء الفيزياء الفلكية بتحديد تكوين النجوم البعيدة عن طريق تحليل طيف الضوء المنبعث منها.
تقوم تجربة ALPHA بالتحقيق فيما إذا كانت المادة تتصرف بشكل مختلف عن المادة المضادة عن طريق قياس طيف الهيدروجين المضاد بدقة عالية ، مما يزيد من قوة النموذج القياسي. الائتمان: Maximilien Brice / CERN
في الماضي ، تم إجراء العديد من الدراسات حول طيف الهيدروجين ، والذي يشكل ما يقرب من 75٪ من إجمالي كتلة الباريونات في الكون. لقد لعبت هذه دورًا حيويًا في فهمنا للمادة والطاقة وتطور التخصصات العلمية المتعددة. لكن حتى وقت قريب ، كانت دراسة طيف الجسيمات المضادة صعبة للغاية.
بالنسبة للمبتدئين ، يتطلب الأمر أن يتم التقاط الجسيمات التي تشكل الهيدروجين المضاد - البروتونات المضادة والبوزيترونات (الإلكترونات المضادة) - وتبريدها حتى تتجمع معًا. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري بعد ذلك الحفاظ على هذه الجسيمات لفترة كافية لمراقبة سلوكها ، قبل أن تتلامس بشكل حتمي مع المادة الطبيعية وتفنيها.
لحسن الحظ ، تقدمت التكنولوجيا في العقود القليلة الماضية لدرجة أن البحث في المادة المضادة أصبح ممكنًا الآن ، وبالتالي منح العلماء الفرصة لاستنتاج ما إذا كانت الفيزياء الكامنة وراء المادة المضادة متوافقة مع النموذج القياسي أو تتجاوزه. كما أشار فريق بحث CERN - بقيادة الدكتور أحمدي من قسم الفيزياء في جامعة ليفربول - في دراستهم:
'يتنبأ النموذج القياسي بأنه كان يجب أن تكون هناك كميات متساوية من المادة والمادة المضادة في الكون البدائي بعد الانفجار العظيم ، ولكن يُلاحظ أن الكون اليوم يتكون بالكامل تقريبًا من مادة عادية. هذا يحفز علماء الفيزياء على دراسة المادة المضادة بعناية ، لمعرفة ما إذا كان هناك عدم تناسق صغير في قوانين الفيزياء التي تحكم نوعي المادة '.
يستخدم ALPHA مصيدة مغناطيسية لحمل الذرات المحايدة من الهيدروجين المضاد ثم إخضاعها لتحليل الطيف. الائتمان: سيرن
ابتداءً من عام 1996 ، تم إجراء هذا البحث باستخدام جهاز AnTiHydrogEN (ATHENA) تجربة ، وهي جزء من منشأة CERN لإبطاء البروتون المضاد . كانت هذه التجربة مسؤولة عن التقاط البروتونات المضادة والبوزيترونات ، ثم تبريدها إلى النقطة التي يمكن أن تتحد فيها لتكوين هيدروجين anithydrogen. منذ عام 2005 ، أصبحت هذه المهمة مسؤولية خليفة أثينا ، تجربة ألفا.
باستخدام أدوات محدثة ، تلتقط ALPHA ذرات الهيدروجين المضاد المحايد وتحتجزها لفترة أطول قبل أن تفني حتماً خلال هذا الوقت ، تجري فرق البحث تحليلًا طيفيًا باستخدام ليزر ALPHA فوق البنفسجي لمعرفة ما إذا كانت الذرات تتبع نفس قوانين ذرات الهيدروجين. كما أوضح جيفري هانجست ، المتحدث باسم تعاون ألفا ، في أ تحديث CERN :
'إن استخدام الليزر لمراقبة التحول في الهيدروجين المضاد ومقارنته بالهيدروجين لمعرفة ما إذا كانوا يطيعون نفس قوانين الفيزياء كان دائمًا هدفًا رئيسيًا لأبحاث المادة المضادة ... من السهل تحريك وحبس البروتونات المضادة أو البوزيترونات لأنها جزيئات مشحونة. ولكن عندما تجمع بين الاثنين ، تحصل على هيدروجين مضاد محايد ، وهو أمر يصعب حصره ، لذلك صممنا مصيدة مغناطيسية خاصة جدًا تعتمد على حقيقة أن الهيدروجين المضاد مغناطيسي قليلاً. '
وبذلك ، تمكن فريق البحث من قياس تواتر الضوء اللازم لانتقال البوزيترون من أدنى مستوى طاقته إلى المستوى التالي. ما وجدوه هو أنه (ضمن الحدود التجريبية) لم يكن هناك فرق بين البيانات الطيفية للهيدروجين المضاد وبيانات الهيدروجين. هذه النتائج هي أول تجربة تجريبية ، لأنها أول ملاحظات طيفية على الإطلاق لذرة هيدروجين مضاد.
إلى جانب السماح بإجراء مقارنات بين المادة والمادة المضادة لأول مرة ، تظهر هذه النتائج أن سلوك المادة المضادة - مقابل خصائصها الطيفية - يتوافق مع النموذج القياسي. على وجه التحديد ، تتوافق مع ما يُعرف باسم تناظر Charge-Parity-Time (CPT).
تتنبأ نظرية التناظر هذه ، وهي أساسية للفيزياء الراسخة ، بأن مستويات الطاقة في المادة والمادة المضادة ستكون هي نفسها. كما أوضح الفريق في دراستهم:
لقد أجرينا أول قياس طيفي بالليزر على ذرة من المادة المضادة. لطالما كان هذا إنجازًا مطلوبًا في فيزياء المادة المضادة منخفضة الطاقة. إنه يمثل نقطة تحول من تجارب إثبات المبدأ إلى المقاييس الجادة ومقارنات CPT الدقيقة باستخدام الطيف البصري للذرة المضادة. النتيجة الحالية ... توضح أن اختبارات التناظرات الأساسية مع المادة المضادة في AD تنضج بسرعة '.
وبعبارة أخرى ، فإن التأكيد على أن المادة والمادة المضادة لها خصائص طيفية مماثلة هو مؤشر آخر على أن النموذج القياسي صمد - تمامًا كما فعل اكتشاف بوزون هيغز في عام 2012. كما أثبتت أيضًا فعالية تجربة ALPHA في محاصرة جزيئات المادة المضادة ، والتي ستفيد تجارب الهيدروجين المضاد الأخرى.
بطبيعة الحال ، كان باحثو CERN متحمسين جدًا لهذا الاكتشاف ، ومن المتوقع أن يكون له آثار وخيمة. بالإضافة إلى تقديم وسيلة جديدة لاختبار النموذج القياسي ، من المتوقع أيضًا أن يقطع شوطًا طويلاً نحو مساعدة العلماء على فهم سبب وجود عدم توازن بين المادة والمادة المضادة في الكون. خطوة مهمة أخرى في اكتشاف كيف ظهر الكون بالضبط كما نعرفه.
قراءة متعمقة: سيرن