CERN يكتشف قطعة رئيسية في لغز المادة والمادة المضادة

في سابقة من نوعها، تمكن علماء الفيزياء في CERN من رصد عدم التوازن بين المادة والمادة المضادة في الباريونات، وهي جزيئات أساسية تشكل معظم الكون المرئي. نُشر هذا البحث في Nature، حيث أبلغ الباحثون في تعاون LHCb عن أول تحقق تجريبي من انتهاك التناظر الشحني (CP) في تحلل الباريونات. وقد تم الإعلان عن النتائج في وقت سابق من هذا العام في مؤتمر Rencontres de Moriond.

كل مادة في كوننا لها توأم شرير: المادة المضادة. تشير النماذج الكونية إلى أن الانفجار العظيم كان ينبغي أن ينتج كميات متساوية من المادة والمادة المضادة التي تلغي بعضها البعض. ولكن، لأسباب لا يزال العلماء غير متأكدين منها تمامًا، لم يحدث ذلك. ونتيجة لذلك، يحتوي كوننا اليوم على كمية أكبر قليلاً من المادة مقارنة بالمادة المضادة، مما يعد دليلاً مادياً واضحاً على وجودنا.

الآن، قد نكون أقرب خطوة نحو تفسير سبب وجود عدم توازن بين المادة والمادة المضادة، وهو لغز غير محلول في الفيزياء يعرف رسميًا باسم انتهاك التناظر الشحني (CP) أو عدم التماثل في CP.

“حتى وقت قريب، كان انتهاك CP قد لوحظ بوضوح فقط في الميزونات [أو] الجسيمات المكونة من كوارك وكوارك مضاد،” أوضح شوانغ يانغ، فيزيائي LHC ومؤلف الدراسة، في رسالة بريد إلكتروني إلى Gizmodo. “تظهر هذه النتيجة أن الباريونات - التي تتكون من ثلاثة كواركات مثل البروتونات والنيوترونات - يمكن أن تنتهك أيضًا تناظر CP.”

بينما تُعتبر هذه الخطوة الأولى مهمة، لا تزال النتيجة الجديدة غير كافية لرصد عدم تماثل الباريونات، الذي يشير إلى تلك المفارقة المتمثلة في وجود المزيد من المادة مقارنة بالمادة المضادة في الكون اليوم. ما رصده فريق يانغ تحديدًا كان حالة من انتهاك CP في تحلل الباريون، أو الاختلاف الطفيف في السلوك بين الباريون ونظيره المضاد أثناء تحلل الجسيم إلى أجزاء أصغر.

“حسنًا، إنها جزء صغير من لغز أكبر بكثير - لكن كما تعلم، كل جزء مهم”، قال شون كارول، فيزيائي نظري في جامعة جونز هوبكنز، الذي لم يكن مشاركًا في العمل الجديد، خلال مكالمة فيديو مع Gizmodo. “إنه مثير للاهتمام بطبيعته عندما تجد ظاهرة لم تُلاحظ من قبل، ولكن... ربما ستعلمنا شيئًا عن سبب وجود المزيد من الباريونات مقارنة بالباريونات المضادة في الكون.”

للدراسة، أخذ فريق يانغ حوالي تسع سنوات من البيانات من رصد تحلل ما يقرب من تريليون من باريونات لامبدا الجمالية (Λ_b)، وهي النسخة الثقيلة من البروتونات والنيوترونات. في حوالي تريليون من الثانية، تتحلل باريونات لامبدا الجمالية ونظائرها المضادة إلى أجزاء أصغر، مما يتطلب مهارات تقنية من حجم LHC لالتقاطها.

من البيانات، قام الباحثون بفرز التفاعلات المختلفة لاختيار تلك التي تهمهم، وهي سلوك تحلل باريونات لامبدا الجمالية ونظائرها المضادة. “إذا كان تناظر CP صحيحًا، فستكون لديك نفس المعدل تمامًا لهذه التفاعلات”، أوضح كارول. “لكن يتم انتهاكه، لذا تحصل على معدلات مختلفة قليلاً.”

كان هذا المعدل حوالي 2.5%، وهو فرق صغير ولكنه ذو دلالة إحصائية - على الأقل، بما يكفي للفريق لبدء التفكير في كيفية البناء على هذه النتيجة.

“دراسة كيفية تشكيل الباريونات، وكيفية تفاعلها، وكيفية تحللها أمر أساسي لفهم القوى الأساسية في الطبيعة”، قال يانغ. “تُعتبر هذه الملاحظة مجرد بداية. للإجابة عن سبب [احتواء الكون] على المزيد من المادة مقارنة بالمادة المضادة، نحتاج إلى المزيد من مصادر انتهاك CP مقارنة بالنموذج القياسي الحالي لفيزياء الجسيمات.”

النموذج القياسي - النظرية التي تصف سلوك الجسيمات بدقة مذهلة - هو كل من التحفة الفنية وهدف الانتقادات في فيزياء الجسيمات. يفسر كل شيء بدقة مذهلة، بينما يغفل عن بعض الأجزاء الضخمة من الظواهر الفيزيائية المعروفة، مثل الجاذبية أو المادة المظلمة، على سبيل المثال. وعندما جاء LHC، توقع الفيزيائيون أن يحقق إنجازات عظيمة - وهو ما فعله، ولا يزال يفعل. ولكن كما هو الحال مع جميع الاكتشافات الفيزيائية العظيمة، فإنه يمثل الكأس المقدسة التي ستستغرق بعض الوقت لتحقيقها.

“كنا، لنكون صادقين، نشعر بخيبة أمل بعض الشيء لأن مصادم الهادرونات الكبير لم يجد أي فيزياء تتجاوز النموذج القياسي”، قال كارول. “لكن أعتقد أنه من المهم للغاية الاستمرار في البحث. إن LHC آلة رائعة قامت بعمل مذهل - ومع ذلك، لم تأخذنا تمامًا إلى الأرض الموعودة. لذا، فهي تذكرة أخرى بأن هناك أسئلة كبيرة حقًا هناك، وطريقة أو بأخرى، يجب علينا كجنس بشري بذل قصارى جهدنا للإجابة عليها.”