يستمتع العلماء باستكشاف الألغاز ، وكلما زاد الغموض ، زاد الحماس. هناك العديد من الأسئلة الضخمة التي لم تتم الإجابة عليها في العلوم ، ولكن عندما تصبح كبيرًا ، يصعب التغلب على "لماذا يوجد شيء ، بدلاً من لا شيء؟"
قد يبدو هذا سؤالًا فلسفيًا ، ولكنه سؤال قابل جدًا للبحث العلمي. نصت على نحو ملموس أكثر ، "لماذا يتكون الكون من أنواع المواد التي تجعل الحياة البشرية ممكنة حتى نتمكن من طرح هذا السؤال؟" أعلن العلماء الذين يجرون أبحاثًا في اليابان عن قياس في الشهر الماضي يعالج بشكل مباشر أكثر الأسئلة روعة. يبدو أن قياسهم يختلف مع أبسط التوقعات للنظرية الحالية ويمكن أن يشير إلى إجابة هذا السؤال الخالد.
يبدو أن قياسها يشير إلى أنه بالنسبة لمجموعة معينة من الجسيمات دون الذرية ، تعمل المادة والمادة المضادة بشكل مختلف.
المادة ضد المادة المضادة
باستخدام مسرع J-PARC ، الموجود في توكاي ، اليابان ، أطلق العلماء شعاعًا من الجزيئات دون الذرية الشبحية تسمى النيوترينوات ونظيراتها المضادة للمادة (antineutrinos) عبر الأرض إلى تجربة Super Kamiokande ، الموجودة في Kamioka ، أيضًا في اليابان. هذه التجربة ، المسماة T2K (Tokai to Kamiokande) ، مصممة لتحديد سبب كون كوننا مصنوعًا من مادة. قد يسلط السلوك الغريب الذي أبدته النيوترينوات ، والذي يطلق عليه تذبذب النيوترينو ، بعض الضوء على هذه المشكلة المزعجة للغاية.
قد يبدو السؤال عن سبب كون الكون من مادة وكأنه سؤال غريب ، ولكن هناك سبب وجيه للغاية يفاجأ العلماء بهذا. لأنه ، بالإضافة إلى معرفة وجود المادة ، يعرف العلماء أيضًا المادة المضادة.
في عام 1928 ، اقترح الفيزيائي البريطاني بول ديراك وجود المادة المضادة - شقيق معاد للمادة. اجمع بين كميات متساوية من المادة والمادة المضادة وإبادة الاثنين ، مما أدى إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة. ولأن مبادئ الفيزياء تعمل عادةً بشكل جيد على قدم المساواة في الاتجاه المعاكس ، إذا كان لديك كمية هائلة من الطاقة ، فيمكن أن تتحول إلى كميات متساوية تمامًا من المادة والمادة المضادة. تم اكتشاف المادة المضادة في عام 1932 من قبل الأمريكي كارل أندرسون ، وكان أمام الباحثين ما يقرب من قرن لدراسة خصائصه.
ومع ذلك ، فإن عبارة "إلى كميات متساوية بالضبط" هي جوهر اللغز. في اللحظات القصيرة بعد الانفجار العظيم مباشرة ، كان الكون مليئًا بالطاقة. ومع توسعها وتبريدها ، كان يجب أن تتحول تلك الطاقة إلى أجزاء متساوية من المواد وجسيمات دون ذرية مضادة ، والتي يمكن ملاحظتها اليوم. ومع ذلك يتكون كوننا بشكل أساسي من مادة. كيف يمكن أن يكون؟
من خلال حساب عدد الذرات في الكون ومقارنة ذلك بكمية الطاقة التي نراها ، قرر العلماء أن "متساو تمامًا" ليس صحيحًا تمامًا. بطريقة ما ، عندما كان الكون حوالي عُشر تريليون من الثانية القديمة ، انحرفت قوانين الطبيعة بشكل طفيف في اتجاه المادة. مقابل كل 3،000،000،000 من الجسيمات المضادة للمادة ، كان هناك 3،000،000،001 من جسيمات المادة. اجتمعت جزيئات المادة 3 مليار و 3 مليار جسيمات المادة المضادة - وتم إبادةها مرة أخرى إلى طاقة ، تاركة المادة الصغيرة الزائدة لتشكيل الكون الذي نراه اليوم.
منذ أن تم فهم هذا اللغز قبل ما يقرب من قرن من الزمان ، كان الباحثون يدرسون المادة والمادة المضادة لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم العثور على سلوك في الجسيمات دون الذرية يفسر فائض المادة. إنهم واثقون من أن المادة والمادة المضادة تصنعان بكميات متساوية ، لكنهما لاحظا أيضًا أن فئة من الجسيمات دون الذرية تسمى الكواركات تُظهر سلوكيات تفضل قليلاً المادة على المادة المضادة. كان هذا القياس الخاص دقيقًا ، يتضمن فئة من الجسيمات تسمى K mesons والتي يمكن أن تتحول من المادة إلى المادة المضادة والعودة مرة أخرى. ولكن هناك اختلاف طفيف في المادة التي تحول إلى المادة المضادة مقارنة بالعكس. كانت هذه الظاهرة غير متوقعة وأدى اكتشافها إلى جائزة نوبل لعام 1980 ، لكن حجم التأثير لم يكن كافيًا لتفسير سبب هيمنة المادة في عالمنا.
الحزم الشبحية
وهكذا ، حول العلماء انتباههم إلى النيوترينوات ، لمعرفة ما إذا كان سلوكهم يمكن أن يفسر المادة الزائدة. النيوترينوات هي أشباح العالم دون الذري. التفاعل عبر القوة النووية الضعيفة فقط ، يمكنهم المرور عبر المادة دون التفاعل على الإطلاق تقريبًا. لإعطاء إحساس بالحجم ، يتم إنشاء النيوترينوات بشكل شائع في التفاعلات النووية وأكبر مفاعل نووي حولها هو الشمس. إن حماية المرء من نصف النيوترينوات الشمسية يتطلب كتلة من الرصاص الصلب بعمق 5 سنوات ضوئية. لا تتفاعل النيوترينوات كثيرًا.
بين عامي 1998 و 2001 ، أثبتت سلسلة من التجارب - واحدة تستخدم كاشف Super Kamiokande ، وأخرى تستخدم كاشف SNO في سودبوري ، أونتاريو - بشكل قاطع أن النيوترينوات تظهر أيضًا سلوكًا مدهشًا آخر. يغيرون هويتهم.
يعرف الفيزيائيون ثلاثة أنواع متميزة من النيوترينوات ، يرتبط كل منها بأخ فريد دون ذري ، يسمى الإلكترونات والميونات والتاوس. الإلكترونات هي التي تسبب الكهرباء ، وجسيمات الميون والتاو تشبه إلى حد كبير الإلكترونات ، ولكنها أثقل وغير مستقرة.
يمكن للأنواع الثلاثة من النيوترينوات ، التي تسمى الإلكترون نيوترينو وميون نيوترينو وتاو نيوترينو ، "التحول" إلى أنواع أخرى من النيوترينوات والعودة مرة أخرى. يسمى هذا السلوك تذبذب النيوترينو.
تذبذب النيوترينو هو ظاهرة كمومية فريدة ، لكنه يشبه تقريبًا البدء بوعاء من آيس كريم الفانيليا ، وبعد أن تذهب وتجد ملعقة ، تعود لتجد أن الوعاء نصف فانيليا ونصف شوكولاتة. تغير النيوتريونات هويتها من كونها نوعًا واحدًا تمامًا ، إلى مزيج من الأنواع ، إلى نوع مختلف تمامًا ، ثم العودة إلى النوع الأصلي.
التذبذبات Antineutrino
النيوترينوات هي جزيئات المادة ، ولكن توجد أيضًا النيوترينوهات المضادة للمادة ، تسمى مضادات النيوترينو وهذا يؤدي إلى سؤال مهم للغاية. تتأرجح النيوترينوات ، لكن هل تتذبذب مضادات النيوترونات وهل تتذبذب بنفس الطريقة التي تتذبذب بها النيوترينوات؟ الإجابة على السؤال الأول هي نعم ، بينما الإجابة على السؤال الثاني غير معروفة.
لنأخذ هذا في الاعتبار بشكل كامل ، ولكن بطريقة مبسطة: لنفترض أنه كان هناك نوعان فقط من النيوترينو - الميون والإلكترون. لنفترض كذلك أن لديك شعاعًا من النيوترينوهات من نوع الميونات البحت. تتأرجح النيوترينوات بسرعة محددة ، وبما أنها تتحرك بالقرب من سرعة الضوء ، فإنها تتأرجح كدالة للمسافة من حيث تم إنشاؤها. وهكذا ، سيبدو شعاع النيوترينونات الميونية النقية كمزيج من أنواع الميون والإلكترونات على مسافة ما ، ثم أنواع الإلكترونات البحتة على مسافة أخرى ثم تعود إلى الميونات فقط. النيوترينوات المضادة للمادة تفعل نفس الشيء.
ومع ذلك ، إذا تأرجحت المادة والنيوترينات المضادة للمادة بمعدلات مختلفة قليلاً ، فستتوقع أنه إذا كنت على مسافة ثابتة من النقطة التي تم فيها إنشاء شعاع من النيوترينات الميونية النقية أو مضادات النيوترينات الميونية ، فستشاهد في حالة النيوترينو مزيج واحد من الميونات والنيوترينات الإلكترونية ، ولكن في حالة المادة النيوترينينية المضادة ، سترى مزيجًا مختلفًا من الميونات والنيوترينونات المضادة للمادة. الوضع الفعلي معقد بحقيقة أن هناك ثلاثة أنواع من النيوترينوات ويعتمد التذبذب على طاقة الشعاع ، لكن هذه هي الأفكار الكبيرة.
إن مراقبة ترددات التذبذب المختلفة بواسطة النيوترينوات ومضادات النيوترينوات ستكون خطوة مهمة نحو فهم حقيقة كون الكون من مادة. إنها ليست القصة بأكملها ، لأن الظواهر الجديدة الإضافية يجب أن تستمر أيضًا ، ولكن الفرق بين المادة والنيوترينات المضادة للمادة ضروري لتفسير سبب وجود المزيد من المادة في الكون.
في النظرية السائدة الحالية التي تصف تفاعلات النيوترينو ، هناك متغير حساس لإمكانية تذبذب النيوترينوات ومضادات النيوترينو بشكل مختلف. إذا كان هذا المتغير صفرًا ، يتذبذب نوعا الجسيمات بمعدلات متطابقة ؛ إذا اختلف هذا المتغير عن الصفر ، يتذبذب نوعا الجسيمات بشكل مختلف.
عندما قام T2K بقياس هذا المتغير ، وجدوا أنه غير متسق مع الفرضية القائلة بأن النيوترينوات ومضادات النيوترينوات تتأرجح بشكل متطابق. تقنيًا أكثر قليلاً ، حددوا مجموعة من القيم المحتملة لهذا المتغير. هناك احتمال بنسبة 95 في المائة أن تكون القيمة الحقيقية لهذا المتغير ضمن هذا النطاق ، و 5 في المائة فقط فرصة أن يكون المتغير الحقيقي خارج هذا النطاق. إن فرضية "لا فرق" تقع خارج نطاق 95 بالمائة.
بعبارات أبسط ، يشير القياس الحالي إلى أن النيوترينوات والنيوترينورات المضادة للمادة تتأرجح بشكل مختلف ، على الرغم من أن اليقين لا يرتفع إلى المستوى لتقديم مطالبة نهائية. في الواقع ، يشير النقاد إلى أن القياسات بهذا المستوى من الأهمية الإحصائية يجب النظر إليها بشكل متشكك للغاية. لكن من المؤكد أنها نتيجة أولية استفزازية للغاية ، والمجتمع العلمي العالمي مهتم للغاية برؤية دراسات محسنة وأكثر دقة.
ستستمر تجربة T2K في تسجيل بيانات إضافية على أمل إجراء قياس نهائي ، لكنها ليست اللعبة الوحيدة في المدينة. في Fermilab ، الواقعة خارج شيكاغو ، تقوم تجربة مماثلة تسمى NOVA بتصوير كل من النيوترينوات والنيوترينات المضادة للمادة إلى شمال ولاية مينيسوتا ، على أمل التغلب على T2K. وبالنظر إلى المستقبل أكثر ، تعمل Fermilab بجد على ما ستكون تجربتها الرائدة ، المسماة DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) ، والتي ستكون لديها قدرات فائقة بكثير لدراسة هذه الظاهرة المهمة.
في حين أن نتيجة T2K ليست نهائية ويكفل الحذر ، إلا أنها بالتأكيد محيرة. نظرًا لضخامة السؤال حول لماذا يبدو أن كوننا لا يحتوي على مادة مضادة ملحوظة ، سينتظر المجتمع العلمي العالمي بشوق المزيد من التحديثات.
