فيزيائيون يحتجزون جسيمًا من المادة المضادة ويحتفظون به في قفص لعدة أشهر

الكون، وفقا للنظرية على الأقل، لا ينبغي أن يكون موجودا.

كل جسيم في الكون له ما يقابله المادة المضادة النظير. إذا التقى زوج من هذه الجسيمات، فسوف يلغي كل منهما الآخر على الفور، ويفنيان في نفخة صغيرة من الطاقة.

من الناحية النظرية، كان من المفترض أن تكون ولادة الكون قد أنتجت كميات متساوية من الجسيمات والجسيمات المضادة.

إن سبب انحراف الكون الحالي بشدة لصالح الجسيمات هو لغز دائم، وهو لغز يظل العثور على حل له أكثر صعوبة بسبب ميل الجسيمات المضادة إلى الذهاب والاصطدام بالجزيئات.

لكن ربما يكون هناك جهد استثنائي قد نجح أخيرًا في ترويض أحد أكبر المحتالين في بيئة الجسيمات المضادة – البوزيترون، نظير المادة المضادة للإلكترون الموجود في كل مكان.

في مصيدة فراغ فائقة التوصيل ومبردة، نجح الفيزيائيون في جامعة نورث وسترن في الولايات المتحدة في الاحتفاظ ببوزترون واحد لعدة أشهر ــ وهو التقدم الذي يقولون إنه يمهد الطريق إلى تحقيقات أكثر صرامة حتى الآن في فيزياء الجسيمات.

“التحدي الأكبر هو إقناع البوزيترون الذي يتم طرده من النواة في حالة اضمحلال إشعاعي بطاقة عالية جدًا بإبطاء سرعته بدرجة كافية حتى نتمكن من احتجازه في فخ الجسيمات لدينا” ، قال جيرالد غابرييل، عالم الفيزياء بجامعة نورث وسترن، والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية، لـ ScienceAlert.

يصنع الكون البوزيترونات بشكل طبيعي بعدة طرق – الانفجارات الكونية، والتفاعلات النشطة بين الجسيمات، والتحلل الإشعاعي، عندما تقذف نواة غير مستقرة جسيمًا موجب الشحنة مطابقًا للإلكترون سالب الشحنة.

لكن الكون ليس لطيفًا تجاه البوزيترونات. كل ما يجب عليه فعله لكي يُمحى من الوجود هو مواجهة إلكترون واحد، والإلكترونات موجودة في كل مكان على الإطلاق.

لقد تمكن الفيزيائيون من مراقبة البوزيترونات منذ ثلاثينيات القرن العشرين، لكن دراسة أحد البوزيترونات لأي فترة زمنية قد تتطلب عزله تمامًا عن مواجهة أي مادة أخرى.

وهذا أمر صعب، لكنه ليس مستحيلا. يمكن للمصيدة الكهرومغناطيسية أن تبقي جسيمًا واحدًا يحوم في مكانه في الفراغ حتى لا يلمس جسيمًا آخر عن طريق الخطأ.

تكمن المشكلة في إيقاف الجسيم المقذوف أثناء عملية التحلل الإشعاعي النشطة.

وأوضح غابريليس: “معظم البوزيترونات التي تخرج من المصدر لا يتم إبطاؤها أو التقاطها بنجاح”. “وينتهي بهم الأمر إلى “إبادة” الإلكترون الموجود في أجهزتنا.”

كان على الحل الذي قدمه الفريق، والذي قاده الفيزيائي توم مايرز، معالجة كلا التحديين: إيقاف البوزيترون، وحصره دون ملامسته للإلكترون.

استخدم الباحثون نظيرًا مشعًا للصوديوم كمصنع للبوزيترون، والذي يقذف الجسيمات المضادة بطاقة تصل إلى حوالي 546 كيلو إلكترون فولت، أي حوالي 88% من سرعة الضوء.

فكيف يفعل هل وضعت المكابح على البوزيترون النسبي؟

حسنًا، في هذه الحالة، الجواب هو القيام بنفس الشيء الذي كان الباحثون يحاولون تجنبه في النهاية، وهو جعله يمر عبر المادة. بلورة واحدة من التنغستن، على وجه الدقة.

يتكون الجهاز التجريبي من ثلاثة مكونات رئيسية: مصدر الصوديوم، والبلورة، والمصيدة.

أولاً، طارت بعض البوزيترونات المنبعثة من مصدر الصوديوم إلى بلورة التنغستن، حيث تفاعلت شحنتها الكهربائية الموجبة مع الإلكترونات سالبة الشحنة في المادة. يمكن لهذه التفاعلات أن تثير الذرات أو تؤينها، وتنقل بعضًا من الطاقة الحركية للبوزيترون إلى البلورة.

معظم البوزيترونات لا تفعل ذلك. إنهم يصطدمون بالإلكترونات، ويتم القضاء عليهما. لكن القليل منها بقي على قيد الحياة، إذ خرج من سطح التنغستن بشكل أبطأ بشكل ملحوظ، ومرتبطًا بالإلكترون، ولكن لا يلمسه. هذا هو البوزيترونيوم.

في هذا الشكل المحدد من البوزيترونيوم، يشغل الإلكترون والبوزيترون حالة كمومية شديدة الإثارة، مما يبقيهما متباعدين نسبيًا، مما يؤخر فناءهما الحتمي لفترة كافية فقط لنقل البوزيترون إلى حيث يجب أن يذهب – مباشرة إلى الفخ المجهز.

هذا الفخ عبقري أيضًا. تسمح فتحة صغيرة بعرض 640 ميكرومترًا فقط للبوزيترونيوم بالدخول، حيث يقوم مجال كهربائي بتجريد الإلكترون بعيدًا، تاركًا البوزيترون خلفه.

يستخدم الجهاز، المسمى مصيدة بينينج، مزيجًا من المجالات الكهربائية والمغناطيسية لحصر الجسيم المشحون دون السماح له بلمس الجدران.

إذا تم الاحتفاظ به في مصيدة فراغ جيدة للغاية ومبردة إلى 300 ميلي كلفن فقط – وهو جزء من درجة فوق الصفر المطلق – يمكن للبوزيترون أن يظل معزولاً عن العالم الخارجي.

بالنسبة للباحثين، إنها تجربة متوترة.

وقال غابرييلسي: “نقوم بتشغيل كاشفنا وننتظر”.

“في النهاية نرى الإشارة الكهربائية من البوزيترون الملتقط. ثم نقوم بسحب المصدر المشع بعيدًا عن الفخ لمنع تحميل أي بوزيترون إضافي.”

يمكن للباحثين الاحتفاظ بالبوزيترون الأسير لعدة أشهر. ولكن مجرد منعه من الإبادة كان مجرد البداية.

وكانوا بحاجة أيضًا إلى التحكم في حركتها بدقة غير عادية.

داخل المجال المغناطيسي القوي للمصيدة، يتحرك البوزيترون في دوائر صغيرة – وهي حركة تسمى حركة السيكلوترون. ومن خلال تبريده إلى أدنى مستويات الطاقة الكمومية، يمكن للباحثين بعد ذلك استخدام الموجات الميكروية المضبوطة بعناية لدفعه بين مستويات الطاقة المنفصلة، ​​كمًا واحدًا في كل مرة.

والأهم من ذلك، أنهم تمكنوا من اكتشاف تلك التغييرات، جنبًا إلى جنب مع التقلبات في دوران البوزيترون، دون إزعاج الحالات الكمومية التي يتم قياسها.

قال غابرييلسي: “لقد كنت أنا وفريقي البحثي نتابع لسنوات عديدة سيكلوترون كمي ذي بوزيترون واحد، لذا فإن مراقبة البوزيترون الذي يقوم بقفزات طاقة كمومية واحدة كان مرضيًا للغاية”.

“كان من الرائع أيضًا أن نرى أطروحة توم للدكتوراه تبلغ ذروتها بنجاح كبير. لقد عمل بجد كبير.”

فلماذا قد يرغب أي شخص في احتجاز وقياس البوزيترون في المقام الأول؟

في الواقع، هناك الكثير من الأسباب الوجيهة للغاية – وفي مكان ما بالقرب من أعلى القائمة يوجد مبدأ أساسي في الفيزياء يسمى التماثل CPT.

يشير CPT إلى الشحنة والتكافؤ وعكس الزمن، وهي ثلاثة تحولات، عند تطبيقها معًا، يجب أن تترك القوانين الأساسية للفيزياء دون تغيير.

إحدى نتائج هذا المبدأ هي أن الجسيمات ونظائرها من المادة المضادة يجب أن تمتلك بعض الخصائص المتطابقة تمامًا.

على سبيل المثال، يتصرف كل من الإلكترون والبوزيترون بشكل يشبه إلى حد ما قضيبًا مغناطيسيًا صغيرًا، مع خاصية تسمى العزم المغناطيسي. يجب أن يكون للعزوم المغناطيسية نفس القدر من القوة ولكن بإشارة معاكسة.

لقد قام الفيزيائيون بالفعل بقياس العزم المغناطيسي للإلكترون بدقة مذهلة. الآن، وبفضل قدرتهم على التحكم في بوزيترون واحد، يأمل غابرييلسي وزملاؤه أن يفعلوا الشيء نفسه بالنسبة لتوأمه من المادة المضادة.

“إذا كانت المقادير هي نفسها، فسيكون هذا هو التأكيد الأكثر دقة لثبات CPT لـ النموذج القياسي – الوصف الرياضي الأساسي للواقع المادي”، أوضح غابرييلسي.

لا يزال الباحثون في طور الحصول على هذا القياس، ويأملون في الإعلان عن نتيجة في أوائل العام المقبل – على الرغم من أن هذه هي أفضل فرصة حتى الآن لفهم جسيم مراوغ للغاية، فقد يستغرق الأمر وقتًا أطول.

ومهما كشفت القياسات، فإنها يمكن أن توفر واحدًا من أكثر الاختبارات صرامة حتى الآن لأحد المبادئ الأساسية التي تقوم عليها الفيزياء الحديثة.

وحتى لو كانت النتائج تتفق تماما مع النظرية، فإن ذلك من شأنه أن يترك الفيزيائيين مع بعض الأسئلة الكبيرة جدا.

وقال جابريليس: “سيؤدي ذلك إلى تعميق الغموض حول كيفية قيام النموذج القياسي بعمل مثل هذه التنبؤات الدقيقة لما نقيسه، في حين أنه يتعارض مع السمات الأساسية للكون”.

وقد تم نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية.

تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة فيونا ماكدونالد وتم تحريره بواسطة فيونا ماكدونالد. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا لاحظت خطأً، يرجى اعلامنا.