لماذا يدور كوننا مع مادة أكثر من نظيره المضاد الغريب - ولماذا نحن موجودون على الإطلاق - هو أحد الألغاز الأكثر إرباكًا في الفيزياء الحديثة.
بطريقة ما ، عندما كان الكون شابًا بشكل لا يصدق ، اختفت كل المادة المضادة تقريبًا ، تاركة فقط الأشياء العادية. لطالما طارد المنظرون للتفسير بعيد المنال - والأهم من ذلك ، طريقة لاختبار هذا التفسير من خلال التجارب.
الآن ، اقترح ثلاثة من المنظرين أن ثلاثيًا من الجسيمات يسمى بوزونات هيجز يمكن أن يكون مسؤولًا عن فعل التلاشي الغامض للمادة المضادة في الكون. ويعتقدون أنهم يعرفون كيفية العثور على الجناة المشتبه بهم.
حالة المادة المضادة المفقودة
في كل تفاعل واحد تقريبًا بين الجسيمات دون الذرية ، يتم إنتاج المادة المضادة (التي تتطابق مع المادة الطبيعية ولكن مع شحنة معاكسة) والمادة العادية بنفس القدر. يبدو أنه تناظر أساسي للكون. ومع ذلك ، عندما نخرج وننظر إلى نفس الكون ، لا نرى أي مادة مضادة على الإطلاق. بقدر ما يمكن للفيزيائيين أن يقولوا ، لكل جسيم من المادة المضادة لا يزال يتسكع ، هناك حوالي مليار جسيم من المادة الطبيعية ، في جميع أنحاء الكون.
هذا اللغز له العديد من الأسماء ، مثل مشكلة عدم تناسق المسألة ومشكلة عدم تناظر الباريون ؛ بغض النظر عن الاسم ، فقد تعثرت الفيزيائيين. حتى الآن ، لم يكن أحد قادرًا على تقديم تفسير متماسك ومتسق لهيمنة المادة على المادة المضادة ، وبما أن مهمة الفيزيائيين هي شرح كيفية عمل الطبيعة ، فقد بدأت تثير الغضب.
ومع ذلك ، تركت الطبيعة بعض القرائن ملقاة على عاتقنا للغز. على سبيل المثال ، لا يظهر أي دليل على وجود الكثير من المادة المضادة في ما يسمى بخلفية الميكروويف الكونية - الحرارة المتبقية من الانفجار الكبير ، ولادة الكون. هذا يشير إلى أن الكبر حدث في الكون المبكر للغاية. وكان الكون المبكر مكانًا مجنونًا جدًا ، حيث تحدث جميع أنواع الفيزياء المعقدة وغير المفهومة. لذلك إذا كانت المادة والمادة المضادة سوف تنقسم ، فهذا هو الوقت المناسب للقيام بذلك.
إلقاء اللوم على هيجز
في الواقع ، أفضل وقت لتختفي المادة المضادة هو خلال الفترة الوجيزة ولكن المضطربة في عالمنا عندما كانت قوى الطبيعة تنقسم مع تبريد الكون.
في الطاقات العالية (مثل تلك الموجودة في مصادم الجسيمات) ، تجمع القوة الكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة قواهما لتشكيل قوة جديدة: ضعيفة كهربائية. ولكن بمجرد أن تهدأ الأمور وتعود إلى الطاقات اليومية العادية ، ينقسم الكهر الكهربائي إلى قوتين مألوفتين.
في الطاقات الأعلى ، مثل تلك الموجودة في اللحظات الأولى من الانفجار الكبير ، نعتقد أن القوة النووية القوية تندمج مع الطاقة الكهربائية ، وفي الطاقات الأعلى ، تنضم الجاذبية إلى الحزب في قوة موحدة واحدة. لكننا لم نكتشف كيف دخلت الجاذبية في اللعبة بعد.
بوزون هيجز ، المقترح وجوده في الستينيات ولكن لم يتم اكتشافه حتى عام 2012 داخل مصادم هادرون الكبير ، يقوم بعمل فصل القوة الكهرومغناطيسية عن القوة النووية الضعيفة. إن الفيزيائيين على يقين من أن انقسام المادة والمادة حدث قبل أن تقع قوى الطبيعة الأربعة كلها في مكانها ككيانات خاصة بهم ذلك لأن لدينا فهمًا واضحًا جدًا لفيزياء الكون بعد الانقسام ، وإضافة الكثير من المادة المضادة في العصور اللاحقة تنتهك ملاحظات خلفية الميكروويف الكونية).
على هذا النحو ، ربما يلعب بوزون هيجز دورًا.
لكن هيجز في حد ذاته لا يستطيع قطعه. لا توجد آلية معروفة باستخدام هيجز فقط لإحداث اختلال بين المادة والمادة المضادة.
لحسن الحظ ، قد لا تنتهي قصة هيجز. وجد الفيزيائيون بوزون هيجز واحدًا في تجارب المصادم ، مع كتلة تبلغ حوالي 125 مليار فولت إلكترون ، أو GeV - كمرجع ، يزن البروتون حوالي 1 GeV.
تبين ، قد لا يكون هيجز وحده.
من الممكن تمامًا أن يكون هناك عدد أكبر من بوزونات هيجز تطفو بكثافة أكبر مما يمكننا اكتشافه حاليًا في تجاربنا. في الوقت الحاضر ، لن يفعل هؤلاء هيغز الأكثر ثقلًا ، إن وجدوا ، الكثير ، ولن يشاركوا حقًا في أي فيزياء يمكننا الوصول إليها مع مصادمينا - ليس لدينا ما يكفي من الطاقة "لتنشيطهم". ولكن في الأيام الأولى للكون ، عندما كانت الطاقات أعلى بكثير ، كان من الممكن تنشيط هيجز الأخرى ، وقد تسبب هؤلاء هيجز في خلل في بعض تفاعلات الجسيمات الأساسية ، مما أدى إلى عدم التماثل الحديث بين المادة والمادة المضادة.
حل اللغز
في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا عبر الإنترنت في مجلة arXiv التي تم إعدادها مسبقًا ، اقترح ثلاثة فيزيائيين حلًا محتملاً مثيرًا للاهتمام: ربما ، لعب ثلاثة بوزونات هيغز (يطلق عليها "هيغز ترويكا") لعبة من البطاطا الساخنة في الكون المبكر ، مما أدى إلى تدفق فيض من المادة الطبيعية . عندما تلمس المادة المادة المضادة - لوطي - يهلكان ويختفيان.
وبالتالي فإن معظم تيار المادة هذا سيبيد المادة المضادة ، ويغمرها بالكامل تقريبًا من الوجود في فيضان من الإشعاع. في هذا السيناريو ، سيكون هناك ما يكفي من المادة الطبيعية لقيادة الكون المعاصر الذي نعرفه ونحبه.
للقيام بهذا العمل ، يقترح المنظرون أن يتضمن الثلاثي جزيء هيجز المعروف واثنين من المبتدئين ، مع كل كتلة من هذا الثنائي لديه حوالي 1000 GeV. هذا الرقم تعسفي تمامًا ، ولكن تم اختياره على وجه التحديد لجعل هذا هيجز افتراضي يمكن اكتشافه مع الجيل التالي من مصادمات الجسيمات. لا يوجد استخدام للتنبؤ بوجود جسيم لا يمكن اكتشافه أبدًا.
ثم يواجه الفيزيائيون تحديًا. مهما كانت الآلية التي تسبب عدم التماثل يجب أن تعطي المادة ميزة على المادة المضادة بعامل من مليار إلى واحد. ولديها فترة زمنية قصيرة جدًا في الكون المبكر للقيام بعملها ؛ بمجرد انقسام القوات ، تنتهي اللعبة والفيزياء كما نعلم أنها مقفلة في مكانها. ويجب أن تكون هذه الآلية ، بما في ذلك الهيغز الجديد ، قابلة للاختبار.
الجواب القصير: لقد كانوا قادرين على القيام بذلك. إنها عملية معقدة للغاية ، لكن القصة الشاملة (والنظرية) تسير على النحو التالي: يتحلل هيجز الجديد إلى زخات من الجسيمات بمعدلات مختلفة قليلاً وبتفضيلات مختلفة قليلاً للمادة على المادة المضادة. تتراكم هذه الاختلافات بمرور الوقت ، وعندما تنقسم القوة الكهربية ، يكون هناك ما يكفي من الاختلاف في تجمعات جسيمات المادة المضادة "المضمنة" في الكون بحيث تنتهي المادة الطبيعية إلى السيطرة على المادة المضادة.
من المؤكد أن هذا يحل مشكلة عدم تناظر الباريون ولكنه يؤدي على الفور إلى السؤال عما تفعله الطبيعة مع العديد من بوزونات هيغز. لكننا سنتخذ الأمور خطوة بخطوة.
