فيزيائيون يلتقطون المادة المضادة في فخ كمي لكشف أسرار الكون

إذا كانت الانفجار العظيم قد خلق كميات متساوية من المادة والمادة المضادة، فإن كل ما هو موجود الآن كان يجب أن يتلاشى منذ مليارات السنين. ومع ذلك، لا يزال عالمنا موجودًا. في الوقت الحالي، قد يكون لدى الفيزيائيين في جامعة Northwestern السبب وراء ذلك. بقيادة البروفيسور جيرارد غابرييل وطلاب الدكتوراه توماس مايرز، قام الفريق بالتقاط وتبريد وحبس إلكترون موجب واحد (المقابل المضاد للإلكترون)، ووضعه في "حالة كمية قابلة للتحكم بشكل كبير". من الجدير بالذكر أن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها إنشاء "مسرع كمي للإلكترون الموجب".

التحكم الكمي في الإلكترون الموجب

تتكون المادة العادية من الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات، بينما يتكون الكون من المادة المضادة من الإلكترونات الموجبة والبروتونات المضادة والنيوترونات المضادة. ومع ذلك، فإن دراسة المادة المضادة تعتبر معقدة للغاية. عندما يتفاعل جسيم من المادة المضادة مع المادة العادية، يتلاشى كلاهما في لحظة، مما يحرر الطاقة. لا يمكن تخزين الإلكترون الموجب في حاويات لأنه سيتلاشى عند تفاعله مع المادة العادية. لذلك، يتطلب دراسة هذه الجسيمات معالجة دقيقة، على الرغم من أن الكميات المستخدمة لا تشكل خطر انفجار حقيقي. قال غابرييل: "إذا أردنا دراسة المادة المضادة، يجب أن نتعامل معها بحذر. من الواضح أن هذا ليس خطرًا."

ليس لدينا ما يكفي من المادة المضادة لصنع انفجار."

التحكم الكمي في الإلكترون الموجب

في هذه الدراسة، قام الفيزيائيون بالتقاط إلكترون موجب واحد من تحلل إشعاعي، وتبريده إلى درجات قريبة من الصفر المطلق، واستخدام الحقول المغناطيسية والكهربائية لحبسه في الفراغ. هذه الحالة أنشأت مسرعًا كميًا للإلكترون الموجب، مما يجعل الجسيم يعمل مثل "ذرة مصنوعة"، حيث يمكن التحكم بدقة في مستويات طاقته دون التفاعل مع المادة العادية مما يؤدي إلى التلاشي. في هذه الدراسة، قام الباحثون بالتقاط إلكترون موجب عالي الطاقة تم تحريره خلال تحلل الصوديوم-22، وقاموا بتبطيئه وتوجيهه إلى فخ كهرومغناطيسي مصمم خصيصًا.

بمجرد دخوله، تم خفض درجة الحرارة الداخلية إلى 300 مل كلفن (أعلى بقليل من الصفر المطلق بمقدار 0.3 درجة). يطفو الإلكترون الموجب في فراغ شبه مثالي، دون أن يتفاعل مع أي جدران. بعد التخلص من الضوضاء الخارجية، استقر في أدنى حالة طاقة، مما يجعله يتصرف بشكل أساسي مثل ذرة مصنوعة، حيث يمكن للعلماء التحكم فيه لمدة تصل إلى عدة أشهر. قال غابرييل: "لقد قمنا بتبريده إلى درجة حرارة منخفضة جدًا، مما جعله يدخل الحالة الأساسية الكمية. نحن فعليًا قمنا بتوجيه هذا الإلكترون الموجب السريع جدًا، مما جعله يستقر هناك ويتصرف لمدة أشهر."

البحث عن الشقوق في النموذج

البحث عن الفروق بين المادة والمادة المضادة

يصف النموذج القياسي الجسيمات الأساسية وثلاثة من القوى الأساسية في الكون، لكن الفيزيائيين يعرفون أنه ليس كاملاً، لأنه لا يفسر لماذا تسود المادة على المادة المضادة. عرض الباحثون في جامعة Northwestern كيف يستخدمون نبضات ميكروويف مضبوطة بدقة لتحفيز ومراقبة التحولات الكمية الفردية للإلكترون الموجب المحبوس. تساعد هذه الدرجة من التحكم في قياس عزم المغناطيسي للإلكترون الموجب بدقة شديدة، مكررين التجارب السابقة لقياس عزم المغناطيسي للإلكترون، بدقة تصل إلى عشرة تريليون من الواحد. ستساعد مقارنة هذين القياسين الفيزيائيين في البحث عن الفروق الدقيقة بين المادة والمادة المضادة.

قال غابرييل: "تشير النظريات الحالية إلى أنه لن يكون هناك فرق بين هذين القياسين. إذا كانت النتائج غير متساوية، فسيكون ذلك أكبر اكتشاف في الفيزياء خلال القرن الماضي."

إذا ظهرت فروق بين هذين القياسين، فقد تكسر النموذج القياسي، وقد تقدم في النهاية أدلة حول سبب انتصار المادة في صراع الكون، مما يجعل كوننا موجودًا. تم نشر نتائج هذه الدراسة في 21 أكتوبر في مجلة Physical Review Letters.

أثر أبحاث الإلكترون الموجب على الفيزياء

تظهر هذه الدراسة كيفية التحكم في المادة المضادة في ظروف قاسية، مما يوفر اتجاهات جديدة للاستكشاف في الفيزياء. لا يقتصر التحكم الكمي في الإلكترون الموجب على تعزيز فهمنا للمادة المضادة، بل قد يكشف أيضًا عن أسباب سيطرة المادة على الكون. إذا أظهرت نتائج القياسات وجود فروق بين المادة والمادة المضادة، فسوف تتحدى النموذج القياسي الحالي، وقد تغير فهمنا للبنية الأساسية للكون. لا تساهم هذه الاكتشافات فقط في العلوم الأساسية، بل قد يكون لها أيضًا تأثيرات بعيدة المدى في التطبيقات التكنولوجية المستقبلية.