تشير أدلة جديدة من النيوترينوات إلى إحدى النظريات العديدة حول سبب تكوّن الكون من المادة وليس من المادة المضادة.
في البداية، كانت هناك المادة والمادة المضادة، ثم لم يبقَ سوى المادة. ما السبب؟ يُعدّ هذا السؤال من أهمّ الألغاز في الفيزياء. على مدى عقود، قدّم علماء الفيزياء النظرية حلولًا محتملة، معظمها ينطوي على وجود جسيمات إضافية تتجاوز الأنواع المعروفة في الكون. في الأسبوع الماضي، أعلن العلماء عن نتائج مثيرة تشير إلى حلّ محتمل، لكنّ البيانات لم تكن كافية للاكتشاف الحاسم. بغضّ النظر عن الإجابة النهائية، فإنّ حلّ هذا السؤال قد يمكّننا من معرفة ما هو أكثر من مجرّد اكتشاف سبب وجودنا في كونٍ مُكوّن من المادة؛ إذ سيكشف أسرارًا من العصور الأولى للكون، أو حتى يربطنا بالمادة المظلمة الخفية التي تُحيّر العلماء.
تنقسم معظم النظريات التي تتناول كيفية هيمنة المادة على المادة المضادة إلى فئتين رئيسيتين. تُعرف الفئة الأولى بنظرية تكوين الباريونات ذات التفاعل الكهربائي الضعيف، وتفترض وجود نسخ إضافية من جسيم هيغز، الجسيم المسؤول عن اكتساب كل شيء آخر لكتلته. وإذا وُجدت جسيمات مشابهة لجسيم هيغز، فربما ساهمت في بدء تحول مفاجئ، مثل تحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، في بدايات الكون، مما قد يكون أدى إلى وفرة المادة على حساب المادة المضادة في الكون. وعندما يحدث اتصال بين المادة والمادة المضادة، يُفني كل منهما الآخر تمامًا، لذا فمن المحتمل أن معظم الأشياء في الكون الصغير قد فُنيت، تاركةً وراءها فائضًا طفيفًا من المادة لتكوين المجرات والنجوم والكواكب حول كوكبنا.
تعتمد نظرية رائدة أخرى تُعرف بتكوين الليبتونات على النيوترينوات، وهي جسيمات أخف بكثير من الكواركات، تمر عبر الفضاء الأثيري، ونادرًا ما تتوقف عن التفاعل مع أي شيء. وفقًا لهذا السيناريو، بالإضافة إلى النيوترينوات العادية التي نعرفها، توجد نيوترينوات ثقيلة جدًا، لدرجة أنها ربما تكونت فقط من الطاقات ودرجات الحرارة الهائلة التي كانت موجودة مباشرة بعد الانفجار العظيم، عندما كان الكون شديد الحرارة والكثافة. وعندما تحللت هذه الجسيمات إلى أنواع أصغر وأكثر استقرارًا، وفقًا لمؤلفي هذه النظرية، ربما أنتجت نواتج ثانوية من المادة أكثر بقليل من نواتج المادة المضادة، مما أدى إلى النمط الذي نراه اليوم.
لغزان بسعر لغز واحد
يقدم البيان الأخير الصادر عن علماء تجربة توكاي تو كاميوكا (T2K) في اليابان أدلة واعدة لمفهوم تركيب الليبتونات. ترصد التجربة النيوترينوات التي تقطع مسافة 300 كيلومتر تحت سطح الأرض وتتغير بين ثلاثة أنواع أو نكهات. هذه قدرة فريدة تميز النيوترينوات وتُعرف بالتذبذب. اكتشف باحثو تجربة توكاي تو كاميوكا أن تقلبات النيوترينوات أكثر من تقلبات النيوترينوات المضادة، مما يشير إلى أن كليهما لا يتصرفان كصورة معكوسة للآخر فحسب، بل يتصرفان بشكل مختلف في الواقع. يُعرف هذا الاختلاف بين الجسيم ونظيره من المادة المضادة بـ”خرق تناظر الشحنة العادية”، وهو دليل قوي يمكن أن يكون مفيدًا في فهم كيف سبقت المادة المضادة الجسيم بعد نشأة الكون. يقول تشانغ كي يونغ من جامعة ستوني بروك، وهو عضو في فريق تجربة توكاي تو كاميوكا: “لا نعتبر هذا اكتشافًا بعد”. استبعدت التجربة الحالية احتمال حدوث خرق في النيوترينو لا يتوافق مع الشحنة الطبيعية، بمستوى ثقة 95% ، وتُظهر أدلة على أن الجسيمات قد تُظهر أقصى حد ممكن من تناظر الشحنة الطبيعية المسموح به. ومع ذلك، ستكون هناك حاجة إلى مزيد من البيانات، وربما تجارب مستقبلية، لقياس مدى اختلاف النيوترينوات والنيوترينوات المضادة بدقة.
حتى لو توصل الفيزيائيون إلى اكتشاف حاسم لانتهاك تناظر الشحنة الطبيعية للنيوترينوات، فلن يكونوا بذلك قد حلوا بشكل جذري المسألة الكونية المتعلقة بالمادة المضادة. تقول سيدا إيبك، الفيزيائية النظرية في جامعة كاليفورنيا، إرفاين، إن مثل هذا الاكتشاف سيكون “ضروريًا، ولكنه غير كافٍ” لإثبات تكوين ليبتو. الشرط الثاني للنظرية هو أن يتضح أن النيوترينوات والنيوترينوات المضادة هي الشيء نفسه. كيف يمكن لهذا التناقض الظاهري أن يكون ممكنًا؟ يُعتقد أن المادة والمادة المضادة متطابقتان باستثناء أن كل منهما يحمل شحنة معاكسة للأخرى. هل يمكن للنيوترينوات أن تكون هي والمادة المضادة في الوقت نفسه دون أن تحمل شحنات؟ إذا صحّ هذا الاحتمال، فقد يُفسّر أيضًا سبب خفة النيوترينوات، ربما أقل من كتلة إلكترون واحد من بين ستة ملايين كتلة. وإذا كانت النيوترينوات ومضادات النيوترينوات هي الشيء نفسه، فقد تكتسب كتلة ليس من خلال التفاعل مع مجال هيغز (المرتبط بجسيم بوزون هيغز)، وهو ما تفعله معظم الجسيمات، بل من خلال عملية أخرى تُسمى آلية التأرجح. قد تكون كتلها الضئيلة متناسبة عكسيًا مع النيوترينوات الثقيلة التي ظهرت في بداية الكون. يقول معهد الكيمياء الحيوية: “عندما تكون كتلة أحدهما عالية، تكون كتلة الآخر منخفضة، تمامًا مثل آلية التأرجح”.
تقول جيسيكا تيرنر، الفيزيائية النظرية في مختبر فيرمي الوطني (فيرميلاب) في باتافيا، إلينوي: “يُعدّ تكوين جسيم ليبتو طريقةً بارعةً للغاية لتوضيح الأمور”. وتضيف: “يمكن الحصول على أدلة على أن النيوترينوات هي نظائرها من المادة المضادة من تجارب تبحث عن تفاعل افتراضي يُسمى تضاعف اضمحلال بيتا غير النيوترينوي، والذي لا يمكن أن يحدث إلا إذا كانت النيوترينوات قادرة على تدمير نفسها كما تفعل المادة والمادة المضادة عند تفاعلهما. ولكن حتى هذا الاكتشاف لن يُقدّم دليلاً قاطعاً على حدوث تكوين جسيم ليبتو. تقول تيرنر: “إذا استطعنا رؤية أقصى انتهاك للتناظر، وقياس الشحنة الطبيعية، وملاحظة أن جسيم ألنيوترانونت نفسه كان جسيماً مضاداً، فيمكننا القول إن هذا دليل ظرفي، وليس دليلاً مباشراً”.
رابط إلى القطاع المظلم
يشير الفيزيائيون إلى أن خيارًا نظريًا آخر مطروحًا، وهو الباريونات ذات التفاعل الكهربائي الضعيف، قد يكون أسهل في البحث. تقول مارسيلا كارينا، رئيسة قسم نظرية الفيزياء في مختبر فيرمي الوطني للمسرعات: إنه في حين أن تكوين جسيمات هيغز الثقيلة، التي تشارك في توليد الليبتونات، سيتجاوز القدرات المحتملة لمسرعات الجسيمات، فإن بوزون هيغز الإضافي الذي تنبأت به هذه النظرية قد لا يظهر إلا في هادرونات المصادم الكبير. حتى لو لم ينتجه الجهاز بشكل مباشر، فإن هذه الجسيمات الشبيهة ببوزون هيغز يمكن أن تتفاعل سرًا مع بوزونات هيغز التقليدية التي ينتجها، ولكن لا يزال من الممكن اكتشاف ذلك.
تتطلب الباريونات ذات التفاعل الكهرومغناطيسي أيضًا انتهاكًا لتناظر الشحنة العادية في الكون، ولكن ليس بالضرورة في النيوترينوات. في الواقع، تم رصد انتهاك لتناظر الشحنة العادية في الكواركات، وإن كان بكميات ضئيلة جدًا، مما صعّب تفسير عدم التوازن بين المادة والمادة المضادة. أحد الأماكن التي قد يختبئ فيها انتهاك تناظر الشحنة العادية هو القطاع المظلم، وهو نطاق المادة المظلمة غير المرئية التي يُعتقد أنها تُشكّل الجزء الأكبر من المادة في الفضاء. قد يختلف سلوك المادة المظلمة عن سلوك المادة المضادة، وهذا الاختلاف يُمكن أن يُفسّر الكون كما نعرفه. تقول كارينا: “يركز مجال عملي على محاولة ربط عدم توازن المادة والمادة المضادة في الكون بفكرة إدراكنا لحاجتنا إلى شيء لم نره بعد لتفسير المادة المظلمة”.
يمكن تقييم أدلة وجود الباريونات من خلال التفاعل الكهرومغناطيسي ليس فقط باكتشاف جسيمات هيغز إضافية، بل أيضاً عبر تجارب عديدة تبحث عن المادة المظلمة والشريط المظلم. علاوة على ذلك، إذا حدث تحول طوري كوني بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة، كما تشير النظرية، فقد يكون قد أنتج موجات جاذبية يمكن رصدها بواسطة تجارب مستقبلية، مثل هوائي LISA، وهو كاشف فضائي لموجات الجاذبية، كان من المقرر إطلاقه في ثلاثينيات القرن العشرين .
في غضون ذلك، ستتوفر قياسات دقيقة لانتهاك تناظر الشحنة في النيوترينوات، على الأقل في المستقبل القريب. هناك مشاريع قادمة مثل “تجربة النيوترينو تحت الأرض” (DUNE) وتجربة “هايبر كاميوكا” التي تخلف تجربة “توكاي تو كاميوكا”، ويجب أن تتمتع هذه المشاريع بالحساسية اللازمة لإجراء حسابات دقيقة. يقول إد بلاشر، المتحدث باسم “تجربة النيوترينو تحت الأرض” من جامعة شيكاغو: “تبدو البيانات من تجربة توكاي تو كاميوكا مثيرة للاهتمام للغاية، وهذا يجعلني أشعر بحماس كبير لأن شيئًا مثيرًا للاهتمام يُدرس في الجيل القادم من التجارب”.
