فيزيائيون يصنعون شعاعًا من المادة المضادة “عالِمًا مجنونًا” لاختبار نظرية النسبية العامة لأينشتاين

موضوع، المادة المضادة – الأمر نفسه فيما يتعلق بالجاذبية، ويجب أن يسقط بنفس الطريقة تمامًا.

حتى الآن، تتفق الدراسات العلمية حول هذه الظاهرة على نطاق واسع. الجاذبية لا تهتم بما أنت مصنوع منه، فهي تجدك جذابًا بغض النظر.

حسنًا، آسف أيها الأصدقاء، لكن الفيزياء لا تضع القواعد؛ فهو يصفهم فقط. في هذه الحالة، يُعرف النهج العالمي للجاذبية في الجذب باسم مبدأ التكافؤ الضعيف.

هناك بعض الأنظمة التي كانت أحمق بعض الشيء بحيث لا يمكن اختبارها. لكن الآن فتح الفيزيائيون الباب أمام تحقيق جديد في نظام المادة المضادة.

لقد قاموا ببناء واختبار شعاع الميونيوم – وهو تيار من “الذرات” الغريبة التي تحتوي على المادة المضادة والتي يمكن أن تسمح للفيزيائيين أخيرًا بمراقبة كيفية تأثير الجاذبية عليها قبل أن تختفي.

“لقد خطونا خطوة مهمة نحو إجراء تجربة مثيرة حول هذا الموضوع” تقول الفيزيائية آنا سوتر من ETH زيورخ، المؤلف المقابل لورقة نشرت في فيزياء الطبيعة.

“نريد قياس تفاعل الجاذبية للميون.”

ومع ذلك، للقيام بذلك، يحتاج الباحثون إلى الميونيوم – وهو جسيم غريب قصير العمر يشبه الذرة، يتكون من أنتيمون موجب الشحنة مقترنًا بإلكترون سالب الشحنة، مما يجعل الجسم برمته محايدًا كهربائيًا.

الأنتيموون هو نظير المادة المضادة للميون، وهو جسيم أساسي يشبه الإلكترون ولكن كتلته أكبر بحوالي 200 مرة. وهذا يعني أن كل كتلة الميونيوم تقريبًا تأتي من مكون المادة المضادة. وهذا يجعل الميونيوم مختلفًا تمامًا عن المادة المضادة التي تعرض لها فيزيائيو المادة المضادة بالفعل للجاذبية. في عام 2023، أظهرت تجربة ALPHA التي أجرتها CERN أن الهيدروجين المضاد – وهو بروتون مضاد مقترن بالبوزيترون – يسقط نحو الأرض بطريقة تتفق مع المادة العادية. لقد كان ذلك رائدًا جدًا، لكن البروتونات والبروتونات المضادة ليست جسيمات أساسية. إنها أجسام مركبة مصنوعة من الكواركات. ومن ناحية أخرى، فإن الأنتيموون هو جسيم أولي ينتمي إلى الجيل الثاني من الجسيمات الأساسية. لذا فإن تجربة الجاذبية التي تتضمن الميونيوم ستدخل منطقة السقوط الحر التي لم تتمكن أي تجربة أخرى من استكشافها. “إن الميونيوم الغريب مناسب جدًا لهذا لأنه ذرة محايدة” يشرح سوتر.

“بعد كل شيء، لكي تسقط شيئًا ما، فأنت بحاجة إلى شيء محايد.”

هناك فقط شبك صغير واحد في الخرطوم. يدوم الميونيوم لمدة 2.2 ميكروثانية فقط قبل أن يضمحل. هذا ليس وقتًا طويلاً لإجراء القياس. لكن ما يفتقر إليه الميونيوم في طول العمر، اعتقد الباحثون أنه يمكنهم تعويضه بالحجم – خرطوم حقيقي من جزيئات الميونيوم، ينتقل في شعاع متحكم فيه بإحكام، معظمه في نفس الاتجاه وبنفس السرعة تقريبًا. “نظرًا لأن عمر ذرات الميونيوم قصير جدًا، فنحن بحاجة إلى البدء بأعداد كبيرة حتى يتمكن ما يكفي من البقاء على قيد الحياة لفترة كافية ليتم قياسها بعد سقوطها لبضعة ميكروثانية.” يقول سوتر. مصادر الميونيوم الموجودة ليست جيدة جدًا في هذا الشأن. إنها تنتج حزمًا “حرارية” منتشرة، وترش الذرات على نطاق واسع من الزوايا والسرعات. لذلك توصل الباحثون إلى خطة أخرى، وهي إطلاق مضادات الميونات في طبقة من الهيليوم فائق السائل المبرد إلى حوالي 0.2 كلفن.

عندما تدخل الأنتيموونات إلى الهيليوم، فإنها تفقد طاقتها بسرعة، وتتوقف تحت سطحها مباشرة. هناك، يمكن للأنتيمون أن يلتقط الإلكترون الذي بقي في أعقابه أثناء انفجاره عبر الهيليوم، مكونًا الميونيوم.

ثم يقوم السائل الفائق بشيء مفيد للغاية.

لا يحب الميونيوم حقًا التواجد داخل الهيليوم فائق السيولة. التفاعل بين الاثنين يعطي الميونيوم طاقة إضافية، مما يدفع بفعالية “الذرات” المتكونة حديثًا نحو السطح.

عندما يصلون إليه، ينفجرون في الفراغ الموجود بالأعلى بسرعة تحددها إلى حد كبير دفعة الطاقة تلك، على النقيض من الحركة الحرارية العشوائية التي تجعل مصادر الميونيوم التقليدية في حالة من الفوضى الشديدة.

والنتيجة هي تدفق منظم بشكل ملحوظ من الميونيوم، ينطلق بسرعة حوالي 2.2 كيلومتر في الثانية مع انتشار سرعة أضيق بكثير. حوالي 8% من الأنتيمونات المرسلة إلى الهيليوم خرجت في النهاية إلى الفراغ على شكل ميونيوم.

أتاحت أجهزة الكشف الموضوعة فوق الهيليوم للباحثين إعادة بناء مسارات ذرات الميونيوم من الجسيمات الناتجة أثناء اضمحلالها. كشفت تلك القياسات عن الشعاع الضيق سريع الحركة الذي كانوا يأملون في إنتاجه.

لكن التجربة ليست جاهزة تمامًا لقياس ما تفعله الجاذبية بالجزيئات.

لسبب واحد، يشير الشعاع حاليًا في الاتجاه الخاطئ.

يقوم الهيليوم فائق السيولة ببصق الميونيوم عموديًا إلى الأعلى. لقياس تسارعها تحت الجاذبية، يحتاج الباحثون إلى أن تتحرك الجسيمات أفقيًا، مما يمنح الجاذبية فرصة لسحبها قليلاً إلى الأسفل خلال رحلتها العابرة.

ويعمل الفريق بالفعل على إيجاد طريقة لتحويل العارضة إلى الجانب. الجزء التالي من اللغز هو مقياس التداخل الذي يمكنه قياس إزاحة الجاذبية الصغيرة بشكل لا يصدق.

يقوم الجهاز المقترح بإرسال الميونيوم عبر ثلاث شبكات دقيقة للغاية تفصل بينها ملليمترات فقط. وبفضل غرابة ميكانيكا الكم، تتصرف الجسيمات أيضًا مثل الموجات، وتنتج نمطًا من التداخل أثناء مرورها.

إذا كانت الجاذبية تؤثر على الميونيوم كما هو متوقع، فإن سحبه للأسفل يجب أن يغير هذا النمط بمقدار ضئيل. ومن خلال قياس التحول، يمكن للباحثين تحديد تسارع جاذبية الميونيوم.

ومع شعاعهم الجديد، يقدر الباحثون أنهم يستطيعون في النهاية قياس هذا التسارع إلى حوالي 1 بالمائة.

متعلق ب: لقد وجد الفيزيائيون للتو ميزة غريبة في تنبؤات أينشتاين حول الزمكان

ويأملون في اختبار الطريقة باستخدام الشعاع الذري بحلول نهاية هذا العام، ومن المحتمل أن تتبع تجربة الجاذبية الفعلية في غضون عامين أو ثلاثة أعوام.

وبعد ذلك، سنرى ما إذا كان الميونيوم يسيء التصرف تحت الجاذبية. إذا كان الأمر كذلك، فإنه يمكن أن يشير إلى وجود قوة فيزيائية خامسة في الكون. ولكن حتى لو لم يكن الأمر كذلك، تقول سوتر، فإن فريقها سيكون قد فعل شيئًا رائعًا.

“أريد ببساطة أن أقيس، لأول مرة، ما إذا كان التكافؤ بين كتلة الجاذبية وكتلة القصور الذاتي ينطبق أيضًا على الجيل الثاني من الجسيمات – وهذا وحده عمل ملهم تمامًا.” تقول.

أينشتاين العجوز المسكين – مات منذ أكثر من 70 عامًا، ولا يزال يتعين عليه إجراء الامتحانات.

وقد تم نشر البحث في فيزياء الطبيعة.