لأكثر من أسبوع بقليل في يوليو 2018 ، جرب فريق من علماء الفيزياء في CERN تقنية جديدة لإبطاء حركة جسيمات المادة المضادة بسرعات فائقة. كانت تلك الأيام العشرة من المراقبة تتويجًا لعشر سنوات من التطور في تعاون دولي يسمى ألفا، التي أشرفت على تصميم وبناء ليزر عالي الطاقة. أعلن الفيزيائيون اليوم أن الليزر الخاص بهم يمكن أن يبطئ المادة المضادة بشكل كبير ، مما يجعل درجة حرارتها قريبة من الصفر المطلق.
بحث الفريق هو نشرت اليوم في الطبيعة. يعد إبطاء المادة المضادة أمرًا ضروريًا لفهم أفضل لكيفية تصرف القوانين التي تحكم المادة العادية بشكل مختلف عند التعامل مع معكوسها. المادة المضادة هي نوع من مرآة المادة. نفس الجسيمات ولكن بشحنات معاكسة. إلكترونات المادة العادية لها شحنة سالبة ؛ بوزيترونات المادة المضادة موجبة الشحنة. ثم لديك بروتونات موجبة الشحنة والبروتونات المضادة سالبة الشحنة ، وهكذا. تدمر المادة المضادة والمادة بعضهما البعض عندما يتلامسان ، ولكن لحسن الحظ ، فإن الكميات الضئيلة التي يتم إنتاجها في CERN لا تشكل أي تهديد لنا.
تبدو المادة المضادة بشكل مدهش وكأنها مادة عادية
تعلم العلماء شيئًا مجنونًا بشأن المادة المضادة هذا الصباح: اتضح ، بقدر ما نستطيع …
خلال 93 عامًا التي عرفناها عن المادة المضادة ، تقدمت قدرتنا على تجربة المادة بشكل كبير. الآن في مرحلته الثانية ، مشروع ALPHA يعبث مع ذرات الهيدروجين المضاد – حرفيا ، بوزيترون يدور حول البروتون المضاد ، تماما كما يدور الإلكترون حول البروتون في الهيدروجين العادي. الهيدروجين المضاد ، الذي تم التقاطه لأول مرة في عام 2011 ، هو مرشح رئيسي لمثل هذه التجارب لأنه أبسط مضاد.
“إن إبطاء حركة الذرات المضادة يسمح لنا بإجراء قياسات أكثر دقة على خصائصها. قال ماكوتو فوجيوارا ، عالم فيزياء الجسيمات في كندا انتصار فريق مسرع الجسيمات في مكالمة فيديو. “نفس الشيء يحدث في فيزياء الكم…. كلما زاد الوقت المتاح لك لمراقبة خاصية معينة ، زادت دقة قياسك “.
قال فوجيوارا إن الهيدروجين المضاد عند احتجازه يتحرك بسرعة فائقة مثل سيارة لامبورغيني جاياردو ، بما يزيد قليلاً عن 200 ميل في الساعة. قام الفيزيائيون بقصف الذرات المضادة بالفوتونات ، أو الجسيمات الضوئية المأخوذة من الليزر.
قال تاكاماسا موموز ، المتخصص في التحليل الطيفي الجزيئي الذري المنتسب إلى المشروع ، والذي صنع الليزر ، في مكالمة فيديو: “بمجرد أن يضرب الفوتون الذرات ، فإنه يثير الذرات ، ولكنه أيضًا يغير حركتها”. “ما فعلناه هو أننا قمنا بالتحكم في الضوء بحيث قمنا فقط بإثارة الذرات التي كانت تقترب من الفوتونات ، وقمنا بإبطائها.”
استخدم الباحثون تقنية القصف ، المسماة التبريد بالليزر ، لإبطاء الذرات المضادة بترتيب من حيث الحجم ، إلى ما يقرب من سرعة الفهد ، وبالتالي تقليل درجة حرارتها. الفوتونات دون الذرية هي في الأساس الذخيرة لمسدس الليزر هذا ، والذرات المضادة هي الأهداف.
في مثل هذا البرودة الشديدة ، كان من الأسهل تقييم سلوك الجسيمات. إن الفهم الأفضل لمثل هذا السلوك يمكن أن يوفر نظرة ثاقبة ما حدث لكل المادة المضادة في الكون، وهو سؤال طويل الأمد لفيزياء الجسيمات. السؤال الكبير – عدم التناسق الملحوظ للكون ، والذي يحتوي على مادة أكثر بكثير من المادة المضادة – يتوقف على فهم كيف تعمل هياكل المادة المضادة الأكبر والأكبر عند مقارنتها بنظيراتها من المادة العادية.
أسفل الطريق الذي يضرب به المثل (والذي يشبه إلى حد كبير تقاطع الطريق السريع ، نظرًا لعدد المسارات المختلفة التي يمكن أن يسلكها الفيزيائيون) ، لدى فوجيوارا وموموز مجموعة من الآمال لمزيد من البحث عن المادة المضادة. هناك قضية جزيئات المادة المضادة وكيف تقارن مع تلك التي نراها في حياتنا اليومية. يهدف مشروع HAICU ، وهو تعاون كندي مع CERN ، من المقرر أن يبدأ في وقت ما بين عامي 2027 و 2036 ، إلى بناء نافورة مضادة للذرات ، والتي يمكن للفريق من خلالها إطلاق مجموعات من الذرات المضادة في الفضاء الحر ومعرفة كيف تسقط.
ما قبل HAICU هو مشروع مستمر في CERN لقياس تأثير الجاذبية على المادة المضادة ، يسمى Alpha-g. قال فوجيوارا: “ما سنفعله هو شحن ذرة هيدروجين مضاد ومعرفة كيفية سقوطها ، ومعرفة ما إذا كانت تمامًا مثل المادة العادية”. “إذا كانت الذرة ساخنة ، وإذا كانت تتحرك بسرعة كبيرة ، فعند إطلاقها ، فإنها تذهب إلى كل مكان. لا يمكننا رؤية ما تفعله الجاذبية. ولكن إذا جعلت الأشياء بطيئة للغاية ، فإنها تستجيب للجاذبية بشكل أكثر حساسية “.
يأمل الباحثون أن تتم أخيرًا معالجة الأسئلة المتعلقة بخصائص الكون التي لم تتم الإجابة عنها منذ فترة طويلة. تبقى المادة المضادة غير ضارة بسبب قلة وجودها. عندما تصبح مثل هذه الهياكل أكثر تعقيدًا ، يمكن أن تصبح الأشياء مثيرة للاهتمام حقًا – تخيل جزيئات كاملة من المادة المضادة. أول الأشياء أولاً ، على الرغم من ذلك: دعونا نتحكم في فيزياءهم.
