منذ أن تم اقتراح وجود المادة المضادة في أوائل القرن العشرين ، سعى العلماء إلى فهم كيفية ارتباط المادة الطبيعية ، ولماذا يوجد اختلال واضح بين الاثنين في الكون. للقيام بذلك ، ركزت أبحاث فيزياء الجسيمات في العقود القليلة الماضية على مضاد الجسيمات للذرة الأكثر شيوعًا ووفرة في الكون - الجسيمات المضادة للهيدروجين.
حتى وقت قريب ، كان هذا صعبًا للغاية ، حيث كان العلماء قادرين على إنتاج مضاد للهيدروجين ، لكنهم غير قادرين على دراسته لفترة طويلة قبل أن يبيد. ولكن وفقا لدراسة حديثة نشرت في طبيعة، تمكن فريق يستخدم تجربة ألفا من الحصول على أول معلومات طيفية عن الهيدروجين المضاد. هذا الإنجاز ، الذي كان 20 سنة في طور التكوين ، يمكن أن يفتح حقبة جديدة تمامًا من البحث في المادة المضادة.
يُعد قياس كيفية امتصاص العناصر للضوء أو إطلاقه - أي التحليل الطيفي - أحد الجوانب الرئيسية للفيزياء والكيمياء وعلم الفلك. فهو لا يسمح للعلماء فقط بتوصيف الذرات والجزيئات ، بل يسمح لعلماء الفلك بتحديد تركيبة النجوم البعيدة من خلال تحليل طيف الضوء الذي ينبعثون منه.
في الماضي ، أجريت العديد من الدراسات على طيف الهيدروجين ، الذي يشكل ما يقرب من 75 ٪ من جميع الكتلة الباريونية في الكون. وقد لعبت هذه دورًا حيويًا في فهمنا للمادة والطاقة وتطور التخصصات العلمية المتعددة. ولكن حتى وقت قريب ، كانت دراسة طيف مضادات الجسيمات صعبة للغاية.
بالنسبة للمبتدئين ، فإنه يتطلب أن يتم التقاط الجزيئات التي تشكل مضادًا للهيدروجين - مضادات البروتونات والبوزيترونات (المضادة للإلكترونات) - وتبريدها حتى تتحد معًا. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري الحفاظ على هذه الجسيمات لفترة كافية لمراقبة سلوكها ، قبل أن تتمكن حتمًا من الاتصال بالمادة العادية وإبادة.
لحسن الحظ ، تقدمت التكنولوجيا في العقود القليلة الماضية إلى النقطة التي أصبح فيها البحث عن المادة المضادة ممكنًا الآن ، مما يتيح للعلماء الفرصة لاستنتاج ما إذا كانت الفيزياء وراء المادة المضادة متسقة مع النموذج القياسي أو تتجاوزه. كما أوضح فريق بحث CERN - بقيادة الدكتور أحمدي من قسم الفيزياء في جامعة ليفربول - في دراستهم:
"يتنبأ النموذج القياسي بأنه كان يجب أن تكون هناك كميات متساوية من المادة والمادة المضادة في الكون البدائي بعد الانفجار الكبير ، ولكن لوحظ أن عالم اليوم يتكون بالكامل تقريبًا من مادة عادية. هذا يحفز الفيزيائيين على دراسة المادة المضادة بعناية ، لمعرفة ما إذا كان هناك عدم تناسق صغير في قوانين الفيزياء التي تحكم نوعي المادة. "
بدءًا من عام 1996 ، تم إجراء هذا البحث باستخدام تجربة جهاز AnTiHydrogEN (ATHENA) ، وهو جزء من منشأة CERN Antiproton Decelerator. كانت هذه التجربة مسؤولة عن التقاط مضادات البروتونات والبوزيترونات ، ثم تبريدها إلى النقطة التي يمكن أن تتحد فيها لتكوين أنيثروجين. منذ عام 2005 ، أصبحت هذه المهمة مسؤولية خليفة أثينا ، تجربة ألفا.
باستخدام الأدوات المحدثة ، تلتقط ALPHA ذرات الهيدروجين المضاد المحايد وتحتفظ بها لفترة أطول قبل أن تُفنى حتمًا خلال هذه الفترة ، تُجري فرق البحث تحليلًا طيفيًا باستخدام الليزر فوق البنفسجي لـ ALPHA لمعرفة ما إذا كانت الذرات تلتزم بنفس قوانين ذرات الهيدروجين. كما شرح جيفري هانجست ، المتحدث باسم تعاون ALPHA ، في تحديث CERN:
"إن استخدام الليزر لمراقبة الانتقال في الهيدروجين المضاد ومقارنته بالهيدروجين لمعرفة ما إذا كانت تلتزم بنفس قوانين الفيزياء كان دائمًا هدفًا رئيسيًا للبحث عن المادة المضادة ... إن نقل واحتجاز البروتونات المضادة أو البوزيترونات أمر سهل لأنها مشحونة بالجسيمات. ولكن عند الجمع بين الاثنين ، تحصل على مضاد هيدروجين محايد ، والذي يصعب اصطياده أكثر من ذلك بكثير ، لذلك قمنا بتصميم مصيدة مغناطيسية خاصة جدًا تعتمد على حقيقة أن مضاد الهيدروجين هو مغناطيسي قليلاً. "
وبذلك ، تمكن فريق البحث من قياس تواتر الضوء اللازم للتسبب في انتقال بوزيترون من أدنى مستوى للطاقة إلى التالي. ما وجدوه هو أنه (ضمن الحدود التجريبية) لم يكن هناك فرق بين البيانات الطيفية المضادة للهيدروجين وبيانات الهيدروجين. هذه النتائج هي تجربة أولية ، حيث إنها أول مشاهدات طيفية يتم إجراؤها على الإطلاق لذرة الهيدروجين المضاد.
إلى جانب السماح بإجراء مقارنات بين المادة والمادة المضادة لأول مرة ، تُظهر هذه النتائج أن سلوك المادة المضادة - في مقابل خصائصها الطيفية - يتوافق مع النموذج القياسي. على وجه التحديد ، فهي متسقة مع ما يعرف بتناظر وقت التكافؤ بين الشحنة.
تتنبأ نظرية التناظر هذه ، وهي أساسية للفيزياء الراسخة ، بأن مستويات الطاقة في المادة والمادة المضادة ستكون متشابهة. كما أوضح الفريق في دراستهم:
لقد أجرينا أول قياس طيفي ليزر على ذرة المادة المضادة. لطالما كان هذا إنجازًا مطلوبًا في الفيزياء المضادة للطاقة منخفضة الطاقة. إنه يمثل نقطة تحول من تجارب إثبات المبدأ إلى المقاييس الجدية ومقارنات CPT الدقيقة باستخدام الطيف البصري لمضاد الذرة. النتيجة الحالية ... تثبت أن اختبارات التماثلات الأساسية مع المادة المضادة في AD تنضج بسرعة ".
وبعبارة أخرى ، فإن التأكيد على أن المادة والمادة المضادة لهما خصائص طيفية متشابهة هي إشارة أخرى على أن النموذج القياسي صمد - تمامًا كما فعل اكتشاف هيجز بوسون في عام 2012. كما أظهر فعالية تجربة ALPHA في اصطياد جزيئات المادة المضادة ، والتي سيكون لها فوائد التجارب الأخرى المضادة للهيدروجين.
وبطبيعة الحال ، كان الباحثون في CERN متحمسين للغاية لهذا الاكتشاف ، ومن المتوقع أن تكون له آثار شديدة. بالإضافة إلى تقديم وسيلة جديدة لاختبار النموذج القياسي ، من المتوقع أيضًا أن يقطع شوطًا طويلاً نحو مساعدة العلماء على فهم سبب وجود اختلال في المادة المضادة للمادة في الكون. خطوة حاسمة أخرى في اكتشاف بالضبط كيف أصبح الكون كما نعرفه.
