في عالم الفيزياء، نعيش في كنف مفهوم مذهل يتمثل في وجود الجسيمات، التي تشكل اللبنات الأساسية لكل ما يحيط بنا. من الجسيمات الأساسية التي تتكون منها الذرات، إلى الجسيمات الغريبة التي تؤدي إلى ظواهر غير مألوفة مثل المادة المضادة والمادة المظلمة، لذا تعد هذه المفاهيم جزءًا لا يتجزأ من سعي البشرية لفهم الكون. بينما تمر السنوات، يواصل العلماء إجراء تجارب رائدة باستخدام مسرعات الجسيمات الضخمة، سواء تلك الموجودة على كوكب الأرض أو التي تُحقق في أعماق الفضاء، مما يكشف لنا أسرار تلك الجسيمات وطبيعة وجودها. في عام 2024، شهدنا مجموعة من الاكتشافات اللافتة في هذا المجال، منها تطورات في القدرة على نقل المادة المضادة، وسجلات جديدة لأثقل جزيئات المادة المضادة، وكذلك محاولات ربط المادة المضادة بالمادة المظلمة. في هذا المقال، سنتناول أبرز الأحداث والاكتشافات في عالم الجسيمات، وتأثيراتها المحتملة على فهمنا للكون.
الجسيمات وأسرار الكون
يتكون الكون من مجموعة من الجسيمات؛ حيث تحتوي على الجسيمات الأساسية التي تشكل الذرات التي تُعتبر أساس كل شيء نراه من حولنا، بالإضافة إلى الجسيمات الغريبة التي تؤدي إلى ظواهر غامضة مثل المادة المضادة والمادة المظلمة. تتراوح هذه الجسيمات من الجسيمات الأساسية مثل الكواركات والإلكترونات إلى الجسيمات الأكثر تعقيدًا مثل الهايبريونز، التي تحتوي على مكونات نادرة لم تُكتشف إلا مؤخرًا. الجسيمات ليست مجرد مكونات، بل تلعب دورًا رئيسيًا في فهم كيف نشأ الكون وكيف تطور على مرّ الزمن.
يتحقق العلماء من خصائص هذه الجسيمات باستخدام مسرعات الجسيمات الضخمة، التي تُستخدم لدمج الجسيمات مع بعضها البعض بسرعات قريبة من سرعة الضوء. تعمل هذه المسرعات على الأرض مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في CERN، ولكن هناك مسرعات كونية تعمل في الكون، حيث تُنتج ظواهر مثيرة ترسل إلى الأرض عبر الأشعة الكونية. تعتبر هذه الأبحاث أساسية في فهم بنية الكون وخلق الأشياء. العلماء دائماً يحاولون فهم الدور الذي تلعبه المادة العادية والمادة المضادة، وما إذا كانت هناك تفسيرات جديدة يمكن أن تفسر الظواهر الغامضة التي نراها
التحقق من حركة المادة المضادة
المادة المضادة من أكثر المواد تقلبًا وتعقيدًا في العلم. تتكون المادة المضادة من جزيئات تتشابه في الكتلة ولكن لها شحنات معاكسة للمادة العادية، مثل البوزيترونات و البارونات المضادة. المشكلة الرئيسية في التعامل مع المادة المضادة هي أنه عندما تلتقي مع المادة العادية، فإنها تمحو بعضها البعض في انفجار طاقة هائل. لذلك، فإن نقل المادة المضادة من مكان إلى آخر دون أن تتفاعل مع المادة العادية يعد تحديًا كبيرًا. علماء في CERN هم في سباق لتطوير طريقة لأداء هذا الأمر.
تمكن الباحثون من تطوير حاويات مستخدمة مجالات كهربائية مغناطيسية من المغناطيسات فائق التوصيل لحفظ المادة المضادة في حالة فراغ دون أن تتواصل مع أي شيء. يعتبر هذا النجاح خطوة كبيرة نحو إجراء المزيد من التجارب حول المادة المضادة، الأمر الذي قد يكشف عن أسرارها ويعطينا فهمًا أفضل حول كوننا. من خلال استكشاف الخصائص الغامضة للمادة المضادة، نأمل في الوصول إلى إجابة السؤال حول عدم وجود كمية كافية منها في الكون، على الرغم من المفروض أن تكون في حالة تساوي مع المادة العادية في اللحظات الأولى للانفجار العظيم.
تحديات الظواهر الجسيمية والتفسير العلمي
تمكن العلماء أخيرًا من حل اللغز المتعلق بالجسيمات الأكثر ثقلاً من خلال التجارب التي أُجريت في مسرع الأيونات الثقيلة النسبي (RHIC) ومصادم الهادرونات الكبير. تم إنتاج هياكل جديدة من المادة المضادة كـ “الهايبريون” المضاد، مما يعكس تطورًا كبيرًا في البحث حول الجسيمات الثقيل. مع إدخال الكوارك الغريب في التركيب، تصبح هذه الجسيمات أثقل من الجسيمات العادية. هذا الكشف يعمق من الغموض الذي يحيط بتوازن المادة والمادة المضادة في الكون.
يعتبر مسألة إنتاج الكميات المتساوية من المادة والمادة المضادة في التجارب بمثابة إجداث لمشاكل الفيزياء الفلكية. إذا كانت المادة والمادة المضادة متساويين، فلماذا تكون لدينا مادة أكثر بكثير من المادة المضادة في الكون؟ إن فهم أسباب هذه اللغز قد يساعد العلماء في شرح كيف تمكّنت المادة من التفوق في الكون الموجود الآن.
المادة المضادة وعلاقتها بالمادة المظلمة
تصل المسرعات الجسيمية فقط إلى جزء من اللغز. في الفضاء الخارجي، يأتي شكل آخر من المواد وهي المادة المظلمة التي تشكل حوالي 85 بالمائة من كتلة الكون. يتعلق الأمر هنا بوجود مادة غير مرئية لا يمكن قياسها إلا من خلال تأثيراتها الجاذبية. من المفترض أن تكون المادة المظلمة مصنوعة من جسيمات WIMP، وهي جسيمات ضخمة ضعيفة التفاعل. النماذج تشير إلى أنه عند تفاعل جسيمين من WIMP، يمكن أن يحدث انمحاء، مما ينتج عنه جسيمات مضادة.
تشير النتائج التي تم جمعها من تجربة AMS-02 على متن محطة الفضاء الدولية إلى وجود كميات تكبر من الجسيمات المضادة. الأبحاث الحالية تطالب بضرورة إعادة تقييم النماذج الخاصة بكيفية تفاعل جسيمات WIMP وما الذي يمكن أن تحدثه من تأثيرات على الجسيمات المضادة. هذه النتائج قد تدفع العلماء إلى فهم جديد للمادة المظلمة، وأثرها على المادة المضادة. مما لا شك فيه أن هناك غموضًا عميقًا حول كل من المادة المضادة والمادة المظلمة، مما يدفعنا للسعي نحو اكتشافات جديدة في هذا المجال.
اكتشافات جديدة حول المادة المظلمة وتأثيراتها في clusters المجرات
تُعتبر clusters المجرات من بين الجوانب الرئيسية لدراسة المادة المظلمة، حيث تحتوي على كميات هائلة من المادة المظلمة والغبار الساخن ومجموعات من المجرات. تمثل هذه الكتل الكونية المختلطة مختبراً طبيعياً لفهم كيف تتفاعل المادة المظلمة مع الكتل الأخرى. عند تصادم مجموعتين من المجرات، حدثت ظواهر مذهلة حيث انطلق الغبار الساخن (الغاز) مُصدرًا أشعة سينية نتيجة الاصطدام. يمكن من خلال دراسة هذه الأشعة السينية تحديد موقع الغاز الساخن بينما يظهر شكل المجرات، مما يُتيح فحص تأثير الجاذبية للمادة المظلمة عبر الانحناءات التي تحدث في الفضاء.
يتضح من خلال دراسة هذه التصادمات أنه عند حدوث تصادم، فإن المجرات تمر مرور الكرام بسبب المسافات الشاسعة بين بعضها، بينما الغاز الساخن يتداخل مع الغاز الموجود في الكتلة الأخرى. هذا يشير إلى أن المادة المظلمة، التي يُمكن استنتاج موقعها من خلال انحناء الجاذبية، قد لا تتفاعل مع الغازات أو المجرات بشكل كبير. فيما يتعلق بتصادم cluster المجري “MACS J0018.5+1626” في عام 2024، أظهرت النتائج أن المادة المظلمة انفصلت عن الغاز الساخن، وأثبتت سرعتها الهائلة والتي تصل إلى 10.8 مليون كيلومتر في الساعة، مما يشير إلى احتمايلات جديدة حول خصائص المادة المظلمة.
هذا النوع من الأبحاث يجلب تحديات كبيرة حيث يصعب مراقبة التصادمات التي تحدث على مدى مئات الملايين من السنين. لذا، تظل تفاصيل هذه الظواهر بحاجة إلى المزيد من المراقبة والفهم لإعادة صياغة أفكار العلماء حول المادة المظلمة.
تحديات استكشاف الجسيمات. الأكسيون كمرشح بديل للمادة المظلمة
لقد كانت الجسيمات الضعيفة المعروفة باسم WIMPs هي المرشح الرئيسي للمادة المظلمة لسنوات، لكنها بدأت تفقد الدعم بسبب الفشل في رصدها في التجارب المخبرية. وظهر بديل جديد للجسيمات، وهو الأكسيون، الذي تشير إليه الدراسات كمرشح قوي للمادة المظلمة بسبب ارتباطه بنظرية الكروموديناميكا الكمية.
يقوم الأكسيون بتقديم إمكانية جديدة لفهم المادة المظلمة، حيث يمكنه التفاعل بسهولة مع المجالات الكهرومغناطيسية. توضح الأبحاث الجديدة أن حدوث انفجار النجوم الضخمة يجب أن ينتج عنه أكسيونات يمكن اكتشافها خلال الدقائق الأولى من الانفجار، من خلال تحويلها إلى فوتونات غاما، مما سيقدم دلائل حيوية تدعم النظرية الخاصة بالأكسيونات كمادة مظلمة.
يُعتبر التواصل مع أثر الأشعة الغامضة التي قد تنتج عن انفجار نجم عملاق بمثابة تحدٍ كبير. ولذلك، اقترح الباحثون إنشاء كوكبة جديدة من الأقمار الصناعية لرصد الأشعة، بحيث يمكنها تغطية السماء وتركز على الأوقات التي يحتمل فيها الانفجار لنجم في مجرتنا.
إذا تمكنت هذه الكوكبة من رصد الأشعة الغامضة، فإن ذلك سيكون دليلاً على أن المادة المظلمة من المحتمل أن تتكون من الأكسيونات، مما ينهي النقاش حول الجسيمات المنافسة في الساحة العلمية.
نظريات جديدة حول أصل المادة المظلمة: الانفجار العظيم المظلم
تُقدِّم الأبحاث في جامعة تكساس نظرية جديدة تُفكر في كيفية تكوّن المادة المظلمة بعد الانفجار العظيم الذي أنتج الكون. يذهب العلماء إلى استكشاف فكرة تسمى “الانفجار العظيم المظلم”، حيث يمكن أن تكون جزيئات المادة المظلمة حصلت على خصائصها من تحولات حدثت في حقبة لاحقة من تطور الكون.
تصف النظرية كيفية تصنيفات مختلفة من الطاقة الكونية التي يمكن أن تنتج عنها جزيئات المادة المظلمة، مع تركيز على فكرة أنه يمكن أن توجد جزيئات لا تتفاعل إلا عبر الجاذبية. وبناءً على هذه النظرية، يمكن اكتشاف موجات الجاذبية الناتجة عن المادة المظلمة عن طريق التكنولوجيا الحديثة، بواسطة قياس التداخل في إشارات pulsar.
تعتبر النتائج التي ظهرت عن استخدام “NANOGrav” لمراقبة موجات الجاذبية خطوة كبيرة قد تقربنا من تأكيد هذه النظرية. إذا كان بالإمكان رصد التأثيرات الناتجة عن هذه الموجات، فإنها ستُدعم الفرضية الجديدة حول نشوء المادة المظلمة وتحديات شكلها وهويتها.
العمر القصير للنيوترونات وأهميتها في فهم النماذج الكونية
يتميز النيوترون بكونه جزءاً حيوياً من تركيب الذرات، إلا أن له عمرًا قصيرًا عندما يكون خارج الهياكل الذرية، حيث يدوم تقريبًا 15 دقيقة قبل أن يتحلل. هذا الاختلاف يثير الإعجاب، خصوصًا أن العلماء وجدوا اختلافًا مستمرًا في تقديرات عمر النيوترونات حسب الأساليب المختلفة المستخدمة في القياس.
دراسة جديدة اقترحت أن هذا الاختلاف في العمر قد يكون نتيجة لاختلاف مستويات الطاقة للنيوترونات عند إنتاجها. هذا الوصف الجديد يفتح بابًا لفهم أفضل لعوامل التأثير التي تحدد كيفية تدهور النيوترونات، مما قد يؤثر على النظريات الأوسع نطاقًا حول تكوين المادة في الكون.
تُعطي الأبحاث المتعلقة بالنيوترونات ضوءًا جديدًا في فهم تموّج الزمن والمادة، حيث أنه في تفاعلات في غاية التعقيد، تسعى الفيزياء لفهم الدوافع وراء العوامل التي تتحكم في عمليات التحلل والنشوء.
فهم التحلل الإشعاعي والتجربة الحديثة
التحلل الإشعاعي هو عملية طبيعية تحدث عندما تتفكك الذرات غير المستقرة، والمعروفة باسم النظائر المشعة، إلى نظائر أكثر استقرارًا. خلال هذه العملية، تنبعث من الذرات جزيئات مثل الجسيمات ألفا، التي هي نوى الهيليوم، أو الإلكترونات كما هو الحال في التحلل بيتا. في عام 2024، قام فريق من العلماء في الولايات المتحدة بتطوير تجربة جديدة مكنت من رؤية لحظة حدوث هذا التحلل بشكل مباشر. تم ذلك من خلال ربط نوى الرصاص-212 قطعة من السليكا الدقيقة، والتي تم رفعها عن طريق مجاهر بصرية.
يمتلك الرصاص-212 نصف عمر يبلغ حوالي عشر ساعات ونصف، مما يعني أنه في أي كمية من هذا العنصر، سيتحلل نصفها تقريبًا خلال هذه الفترة. تم وضع أربع نوى من الرصاص-212، وكان من المتوقع أن يتم تحلل اثنان منها إلى رصاص-208 الأكثر استقرارًا. عند حدوث التحلل، أدت الجسيمات ألفا التي تم إطلاقها إلى ارتداد النظير، مما ساهم في إنشاء تغيير في كيفية تشتت الضوء عن السليكا. تمكن العلماء من تحديد اللحظة الدقيقة التي تحدث فيها عملية التحلل، مما يفتح الطريق أمام تقنيات جديدة في اكتشاف الجسيمات الدقيقة مثل النيوترينوات أو حتى المادة المظلمة.
الغموض حول جسيم W boson
في عام 2024، كان هناك اكتشاف مخيب للآمال فيما يتعلق بجسيم W boson، الذي يعتبر ناقل القوة الضعيفة والتي تتحكم في التحلل الإشعاعي للجسيمات ألفا. قد توقعت نموذج القياسي لفيزياء الجسيمات أن يكون لجسيم W boson كتلة تبلغ 80,357 ± 6 MeV، ولكن القياسات السابقة من مسرع الجسيمات Fermilab لم تتطابق مع هذا التوقع. كانت النتيجة السابقة تشير إلى كتلة تبلغ 80,433 ± 9 MeV، مما أثار التكهنات حول إمكانية وجود فيزياء جديدة خارج النموذج القياسي.
الجسيم W boson أثار الكثير من الاهتمام في دوائر البحث، حيث يمكن أن يشير إلى وجود نظرية الفائض، التي تفترض أن كل جسيم له جزيء “فائض” أثقل. ومع ذلك، فإن البيانات التي تم الحصول عليها من جهاز Compact Muon Solenoid في LHC في عام 2024 أكدت أن كتلة الجسيم بلغت 80,360.2 ± 9.9 MeV، مما كان ضمن نطاق النموذج القياسي. هذا الاكتشاف مثل خيبة أمل للفيزيائيين، الذين كانوا يأملون في اكتشاف شيء جديد قد يغير فهمنا للحقيقة الأساسية للكون.
تأثير وفاة بيتر هيغز على المجتمع العلمي
في 8 أبريل 2024، فقد المجتمع العلمي أحد أعظم عقول الفيزياء الحديثة، بيتر هيغز، الذي توفي عن عمر يناهز 94 عامًا. كان هيغز مشهورًا بنبوءته حول وجود بوزون هيغز، الذي يحمل حقل هيغز، والذي تم اكتشافه بواسطة مصادم الهادرون الكبير في عام 2012. حقل هيغز هو ما يمنح كل الجسيمات كتلتها أثناء مرورها خلال الحقل – بعض الجسيمات تمر بسهولة أكبر، بينما تواجه أخرى مقاومة أكبر مما يؤدي إلى زيادة كتلتها.
نيل هيغز جائزة نوبل في الفيزياء عام 2013 بعد اكتشاف بوزون هيغز، وكان له تأثير عميق على فهمنا للطبيعة الأساسية للكون. تركت وفاته أثرًا شديدًا في الأوساط الأكاديمية، حيث أعرب الكثيرون عن تقديرهم لعمله ودوره في توضيح ما يعتبر أحد أهم العناصر في فيزياء الجسيمات. في ضوء تأسيسه لتلك الأفكار، لا يزال تأثير بوزون هيغز قائمًا، وستستمر الدراسات حول حقل هيغز ومشاركته في تحولات الجسيمات في فتح مجالات جديدة للبحث العلمي في المستقبل.
رابط المصدر: https://www.space.com/the-universe/how-2024-brought-us-deeper-into-the-world-of-particles
تم استخدام الذكاء الاصطناعي ezycontent
اترك تعليقاً