المادة العجيبة (والمادة المضادة)

الغرابة

قابلنا بالفعل الجسيمات الأساسية التي تتألف منها المادة الموجودة على الأرض، إلا أن مخطَّط الطبيعة يحوي ما هو أكثر من هذا. تضربنا الأشعة الكونية الآتية من الفضاء الخارجي على نحو متواصل، وهذه الأشعة تتكون من أنوية العناصر التي أُنتِجت في النجوم وفي الأحداث الكارثية في الأماكن الأخرى من الكون، وهذه الجسيمات تندفع عبر الفضاء وبعضها تقتنصه المجالات المغناطيسية للأرض، ومن ثَمَّ يضرب الطبقات العليا من الغلاف الجوي منتجًا وابلًا من الجسيمات الثانوية. في أربعينيات القرن العشرين وخمسينياته، مثَّلَتِ الأشعة الكونية مصدرًا نَشِطًا لاكتشاف أشكال المادة التي لم تكن معروفة بعدُ على الأرض، بعض هذه الأشكال لها خواص غير معتادة وصارت تُعرَف بالجسيمات «الغريبة»، واليوم بتنا نعرف ما يميِّز هذه الجسيمات عن البروتونات والنيوترونات والبايونات المألوفة: أنها تحتوي على نوع جديد من الكواركات، نوع صار يُعرَف باسم «الكوارك الغريب».

هناك باريونات غريبة وميزونات غريبة. تتكون الباريونات الغريبة من ثلاثة كواركات يكون أحدها على الأقل كواركًا غريبًا، وكلما زاد عدد ما يحويه الباريون من كواركات غريبة، زادت درجة «غرابته». يتكون الميزون من كوارك وكوارك مضاد، وبناءً عليه يكون الميزون الغريب هو ذلك الذي يحتوي إما على كوارك غريب أو على كوارك غريب مضاد. جاء اكتشاف الجسيمات الغريبة قبل اكتشاف أن الباريونات والميزونات مكوَّنة من كواركات بسنوات عديدة، وقد أدت خصائص مجموعة من الجسيمات الغريبة بالمُنظِّرين إلى ابتكار مصطلح الغرابة، الذي يحمل في كثير من جوانبه شبهًا بالشحنة؛ إذ إن الغرابة تُحفَظ عندما تؤثِّر القوة الشديدة على الجسيمات، وبذلك أصبح بوسعنا تفسير أي العمليات مفضَّل وأيها غير مفضل، بواسطة حساب مقدار الغرابة التي يملكها كل جسيم من الجسيمات المشاركة. وقد تحدد أن الميزونات المختلفة تحمل غرابة مقدارها +١ أو −١، أما الباريونات الغريبة فقد وُجِد وفق هذا النظام أنها تحمل غرابة مقدارها −١ أو −٢ أو −٣. وقد صرنا اليوم نفهم ما يحدِّد ذلك؛ فمقدار الغرابة «السالبة» التي يحملها جسيم ما يتناسب مع عدد الكواركات الغريبة الموجودة داخله. ربما كان من الملائم أكثر لو أننا قسنا مقدار الغرابة استنادًا إلى أن كل كوارك غريب يحمل وحدة واحدة من الغرابة الموجبة، لكنه ليس كذلك؛ ولهذا نحن ملتزمون بهذه المصادفة التاريخية التي وفقًا لها يترجم عدد الكواركات الغريبة إلى غرابة سالبة، فيما يترجم عدد الكواركات الغريبة المضادة إلى غرابة موجبة. (وقد تسبَّبت مصادفة تاريخية مشابهة في الشحنة السالبة للإلكترون.)

الكوارك الغريب يحمل شحنة كهربية مقدارها −١ / ٣، تمامًا مثل الكوارك السفلي، وهو أثقل من الكوارك السفلي بإجمالي طاقة مكافئة لكتلته قدرها نحو ١٥٠ ميجا إلكترون فولت، لكن من حيث كل الجوانب الأخرى يبدو الكوارك الغريب والكوارك السفلي متماثلين، وبسبب الكتلة الأثقل للكوارك الغريب مقارَنةً بالكوارك العلوي أو السفلي، في كل مرة يحل كوارك غريب محل كوارك علوي أو سفلي داخل البروتون أو النيوترون يكون الباريون الناتج أثقل بنحو ١٥٠ ميجا إلكترون فولت لكل وحدة من الغرابة (السالبة).

السحر

ليست الكواركات السفلية وحدها هي التي لها أبناء عمومة أثقل منها؛ وهي الكواركات الغريبة، بل للكواركات العلوية أيضًا نُسَخٌ أثقل منها تُسمَّى «الكواركات الساحرة». الكوارك الساحر يحمل شحنة كهربية، وله لف مغزلي قدره +٢ / ٣ مثل الكوارك العلوي، بَيْدَ أنه أثقل من الكوارك العلوي بطاقة مكافئة قدرها نحو ١٥٠٠ ميجا إلكترون فولت. أما فيما يخص النواحي الأخرى كافة، يبدو الكوارك العلوي والكوارك الساحر متماثلين.

في حالة الكواركات الغريبة، تَمكَّنَّا من تكوين باريونات وميزونات غريبة أثقل بنحو بضعة مئات ميجا إلكترون فولت من نظيراتها ذات النكهات العلوية والسفلية. يحدث أمر مشابه في حالة الكواركات الساحرة، لكن بسبب كتلتها الأثقل، تكون الميزونات والباريونات الساحرة أثقل هي الأخرى؛ إذ يصل أخفها إلى نحو ١٩٠٠ ميجا إلكترون فولت، أو ما يساوي تقريبا ٢ جيجا إلكترون فولت. هذه الكتلة الأثقل هي أحد الأسباب وراء صعوبة إنتاج هذه الجسيمات بسهولة في الأشعة الكونية، ولم يصبح وجود الجسيمات والكواركات الساحرة معروفًا إلا مع استحداث تجارب خاصة في معجلات الجسيمات ذات الطاقات العالية في الربع الأخير من القرن العشرين.

يستطيع الكوارك الساحر الارتباط في مجموعات ثلاثية مع أي توليفة من الكواركات العلوية أو السفلية أو الغريبة، وذلك من أجل تكوين الباريونات الساحرة، بل الباريونات الساحرة الغريبة أيضًا. وقد رُصِدت بضعة أمثلة على اتحاد كواركين ساحرين مع كوارك علوي أو سفلي أو غريب. ونحن نتوقع أنه بمقدور ثلاثة كواركات ساحرة الاتحاد لتكوين باريون ذي وحدات ثلاث من السحر، لكننا في انتظار أدلة واضحة على حدوث مثل هذا الأمر.

شكل ٨-١: اللف المغزلي للميزونات المؤلَّفة من كواركات. اللف المغزلي للكوارك العلوي، ، والسفلي، ، يضاف بعضهما لبعض بحيث يؤلفان الجسيم رو، ، الموجب الشحنة، أو يلغي بعضهما بعضًا بحيث يؤلفان الجسيم باي، ، الموجب الشحنة. تحدث توليفات مشابهة لأي خليط من النكهات العلوية والسفلية والغريبة للكواركات مع نظيرتها المضادة، والأمر عينه ينسحب على النكهات الساحرة والقاعية والقمية. ومن بين النتائج العديدة الممكنة أوضحنا بالشكل الجسيم ساي الذي يصل فيه مجموع اللف المغزلي إلى واحد، وشريكه الجسيم إيتا الساحر، ، الذي يتلاشى فيه اللف المغزلي إلى الصفر.

شكل ٨-٢: الميزونات ذات اللف المغزلي ١ التي يمكن إنتاجها بسهولة في عمليات إفناء الإلكترونات والبوزيترونات. إضافة إلى ذلك، من الممكن إنتاج فوتون أو بوزون ، وهي الجسيمات التي لا تتكون من كواركات، بهذه الطريقة.

الجسيمات التي تحتوي على كواركات غريبة أو ساحرة ليست مستقرة؛ إذ إن كتلتها أكبر من تلك الخاصة بالميزونات أو الباريونات التي لا تحتوي على أي كواركات غريبة أو ساحرة، ومن ثَمَّ فإن طاقتها الحقيقية — الممثَّلَة بكتلتها مضروبة في مربع سرعة الضوء — أكبر؛ ولهذا رغم أنه من الممكن إنتاج الجسيمات الغريبة والساحرة في التصادمات العالية الطاقة داخل المعجلات، أو حتى في الطاقات القصوى التي سادت الحقبة التي تلت الانفجار العظيم مباشَرَةً، فإنها ستتحلل على الفور مخلِّفَةً كواركات علوية وسفلية داخل الباريونات «التقليدية» القادرة على البقاء في ظروف عالمنا الطبيعية، أما الميزونات فستدمر ذاتيًّا بفعل الإفناء المتبادل بين الكوارك والكواراك المضاد، منتِجَةً فوتونات أو إلكترونات ونيوترينوات كمنتجات نهائية مستقرة.

الكواركات القاعية والقمية

توجد باريونات وميزونات تحتوي على كواركات قاعية أو كواركات قاعية مضادة، وهي بالتبعية أثقل من نظيراتها المحتوية على الكواركات الغريبة الأخف الحاملة للشحنة عينها. أخف الميزونات القاعية له كتلة، أو طاقة مكافئة، قدرها نحو ٥ جيجا إلكترون فولت، وبالمثل هناك باريونات قاعية. لن نجني الكثير من الكتابة تفصيلًا عن خصائص هذه الباريونات، لكن إذا أردتَ التعرف عليها فما عليك إلا الذهاب إلى جدول الجسيمات الغريبة، وإحلال كوارك قاعي محل كل كوارك غريب، ثم تضيف كتلةً قدرها نحو ٤٫٥ جيجا إلكترون فولت لكل كوارك قاعي أو كوارك قاعي مضاد. أثارت الميزونات القاعية قدرًا من الاهتمام لأن سلوكها قد يمنحنا دلائل لحل لغزِ سببِ تكوُّن الكون من المادة على حساب المادة المضادة. هناك أيضًا حالات «طيف الجسيمات القاعية» المشابِهة لحالات طيف الجسيمات الساحرة، وأخف هذه الحالات، التي تتكون من كوارك قاعي وكوارك قاعي مضاد، لها كتلة قدرها نحو ٩٫٥ جيجا إلكترون فولت.

شكل ٨-٣: عمليات التحلل الأساسية للكواركات. كل سهم يشير للأسفل يطلق بوزيترونًا ونيوترينو، ، بينما كل سهم يشير للأعلى يطلق إلكترونًا ونيوترينو مضادًّا، . يُظهِر الشكلُ أيضًا مسارين أقل ترجيحًا مبينين بالسهمين المتقطعين.

كيف رُتِّبَ هذا؟

في ضوء هذه النتيجة، وفي ضوء ظننا بأن كل نوع من هذه النيوترينوات يقترن بلبتون سالب الشحنة، وأن هذه اللبتونات بدورها تقترن بنوعين من الكواركات — العلوية والسفلية ذات اللف المغزلي +٢ / ٣ و−١ / ٣ — بهذا نكون قد حدَّدنا المجموعة الكاملة لهذه الجسيمات الأساسية. لكل واحد من هذه اللبتونات والكواركات لف مغزلي قدره ١ / ٢، ومن ثَمَّ يبدو أن الطبيعة أنتجت لنا ثلاثة أجيال من الجسيمات الأساسية ذات اللف المغزلي ١ / ٢. لماذا ثلاثة؟ لا نعرف لهذا السؤال إجابة. لِمَ لم تكتفِ الطبيعة بمجموعة واحدة؟ لا نعرف الإجابة يقينًا لكننا نشك في أن الإجابة قد يكون لها علاقة بلغز آخَر: لماذا عدم التوازن هذا بين المادة والمادة المضادة في الكون؟

لغز المادة المضادة

تحيط بالمادة المضادة هالة من الغموض، تلك المادة التي يُفترض أن تكون نسخةً مطابقة من المادة المألوفة لدينا، لكن يكون فيها اليمين يسارًا، والشمال جنوبًا، ويسير الزمن فيها على نحو معكوس. وأكثر خصائص هذه المادة شهرةً هي قدرتها على تدمير المادة في غمضة عين، بحيث تحوِّل المادة التي تتألف منها أجسامنا إلى طاقة صافية. في الخيال العلمي، تغري الكواكب المكوَّنَة من المادة المضادة المسافرين جاذبةً إياهم نحو هلاكهم، حتى بينما تمد ذرات الهيدروجين المضاد محركات مركباتهم الفضائية بالطاقة. لكن في الواقع الفعلي، ووفق كل ما توصلنا إليه بعد عقود من الأبحاث الفيزيائية التجريبية، فإن الكون الوليد كان كأتون متقد من الطاقة، توازنت فيه مقادير المادة والمادة المضادة. وهذا يستدعي السؤال: لماذا لم تفنَ المادة والمادة المضادة في رقصة محمومة من الإفناء المتبادل؟ وما السبب وراء وجود أي شيء في كوننا اليوم، بعد مرور نحو أربعة عشر ألف مليون عام على مولده؟

يمس هذا اللغز حقيقة وجودنا ذاته؛ فأجسامنا تتألف من المادة، شأنها شأن كل شيء آخَر نعرفه في الكون، وليس هناك مناجم للمادة المضادة على الأرض، وهذا أمر مفهوم لأنها ستُدمَّر على الفور من قِبَل المادة المحيطة بها مُحدِثةً نتائج كارثية. بصورة ما، في غضون لحظات من الانفجار العظيم، تمكَّنَتِ المادة من أن تكون لها الكلمة العليا، وفنيت المادة المضادة، واستمرت الطاقة الحرارية المتخلفة عن هذا الدمار (اليوم تبلغ حرارتها ٣ درجات فوق الصفر المطلق، وتُعرَف باسم إشعاع الخلفية الكوني)، وفي نهاية المطاف تكتَّلَ ما تبقَّى من مادة مكوِّنًا مجرات النجوم. لا بد من وجود ما يميِّز المادة عن المادة المضادة، وهذا الفارق المميز هو ما جعل الكلمة العليا للمادة.

سنصف في الفصل التالي تتابُع الأحداث الذي مكَّنَ أجزاء المادة الأساسية من التكوُّن داخل النجوم، إلى أن كوَّنَتْ في النهاية المادةَ الكثيفةَ التي نجدها اليوم. أما في هذا الفصل فسنناقش مسألةَ الاختلاف بين المادة والمادة المضادة.

اكتُشِفت الجسيمات الغريبة عام ١٩٤٧ وسط الحطام المتخلف عن اصطدام الأشعة الكونية بطبقة الغلاف الجوي العليا، وقد ساعد إدراكنا أن هناك مادة عجيبة من نوعٍ ما في الكون على تحفيزنا لبناء معجلات الجسيمات، التي صارت قادرةً على إنتاج جسيمات غريبة — على غرار ميزونات كيه (التي تحتوي على كاوون) — بوفرة. وهكذا في عام ١٩٦٤ اكتشف فريق من العلماء في مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك أنه في نحو كل مليون عملية تحلُّل لميزونات كيه، أخفقت المادة والمادة المضادة في التوازن لمرة واحدة.

للإجابة على هذا السؤال كان من الضروري إنتاج مليارات من الميزونات القاعية والميزونات القاعية المضادة، ودراستها تفصيلًا. ولتحقيق هذا المأرب صُمِّمَت «مصانع الميزونات القاعية» — وهي معجلات تتصادم فيها الإلكترونات والبوزيترونات على طاقات قدرها نحو ١٠ جيجا إلكترون فولت، ومن ثَمَّ تُنتَج الميزونات القاعية والميزونات القاعية المضادة فيها بغزارة — وشيدت في كاليفورنيا واليابان. إنها آلات صغيرة الحجم نسبيًّا بمعايير فيزياء الجسيمات الحديثة، لا يزيد محيطها عن بضع مئات من الأمتار، بَيْدَ أنها تحوي حِزَمًا عالية الكثافة يجري التحكُّم فيها بمستوى كبير غير مسبوق من الدقة.

اكتمل المعجلان عام ١٩٩٩، وبعد الاختبار التجريبي بدأ المعجلان في جمع البيانات، لكن الحصول على نتائج حاسمة سيتطلب إنتاج ودراسة أعداد هائلة من الجسيمات القاعية. الأمر أشبه بإلقاء عملة: فقد تتسبَّبت الصدفة في ظهور أحد الوجهين خمس أو عشر مرات على التوالي، لكن لو استمر هذا في الحدوث، فلا بد من أن شيئًا ما يميِّز هذه العملة. وهكذا الحال عند دراسة الجسيمات دون الذرية السريعة الزوال؛ فهي تعيش لأقل من غمضة عين، وما يتبقَّى بعد موتها — بقايا حفرياتها لو شئتَ أن تسميها هكذا — هو ما نجحنا في فك شفرته، ونحن بحاجة لأعداد كبيرة للغاية من هذه الحفريات كي نعرف ما إذا كانت الفوارق حقيقيةً أم نتاجَ الصدفة.

هناك أنواع عديدة من الحفريات يمكن دراستها، وقد بدأت فِرَقٌ متخصِّصة في المعجلَيْن في جمع وقياس خصائص العديد من هذه الحفريات. ضمن هذه الحفريات هناك نوع معين يُعرَف باسم «تفاعل الجسيم ساي-الكاوون القصير» — فيه يتحلل الميزون القاعي أو الميزون القاعي المضاد مخلفًا الجسيم ساي، إلى جانب خليط معين من الكاوونات والكاوونات المضادة — يتنبَّأ المنظرون أنه سيكون أوضح المؤشرات على وجود اختلافٍ بين المادة القاعية والمادة القاعية المضادة. وبحلول عام ٢٠٠٣ صار من الجلي أن هذه التحللات تُظهِر فارقًا كبيرًا بين المادة والمادة المضادة، حسب ما جرى بالفعل التنبؤ به، وسنحتاج عدة سنوات من دراسة خصائص الجسيمات القاعية، من أجل تحديد ما إذا كانت الإجابة الكاملة للغزِ انعدامِ التناظر بين المادة والمادة المضادة على المستوى الكبير تكمن في البذور الأساسية للمادة، أم أن انعدام التناظر الذي تُظهِره الجسيمات الغريبة والقاعية ما هو إلا ظاهرة غامضة مقتصرة على هذه الصور العجيبة من الجسيمات.