التقدم في نقل البروتون المضاد  

لقد أنتج الانفجار العظيم كميات متساوية من المادة والمادة المضادة والتي كان من المفترض أن تفني بعضها البعض تاركة وراءها كونًا فارغًا. ومع ذلك، نجت المادة وهيمنت على الكون بينما اختفت المادة المضادة. ويعتقد أن بعض الاختلافات غير المعروفة في الخصائص الأساسية بين الجسيمات والجسيمات المضادة المقابلة قد تكون مسؤولة عن ذلك. إن القياسات عالية الدقة للخصائص الأساسية للبروتونات المضادة لديها القدرة على إثراء فهم عدم تماثل المادة والمادة المضادة. يتطلب الأمر إمدادًا بالبروتونات المضادة. حاليًا، يعد مبطئ البروتون المضاد (AD) التابع لـ CERN المنشأة الوحيدة حيث يتم إنتاج وتخزين البروتونات المضادة. ليس من الممكن إجراء دراسات عالية الدقة للبروتونات المضادة بالقرب من AD بسبب تقلبات المجال المغناطيسي التي تولدها المسرعات. وبالتالي، فإن نقل البروتونات المضادة من هذه المنشأة إلى مختبرات أخرى أمر ضروري. في الوقت الحاضر، لا توجد تقنية مناسبة للقيام بذلك. يعد BASE-STEP خطوة إلى الأمام في هذا الاتجاه. إنه جهاز مضغوط نسبيًا مصمم لتخزين ونقل البروتونات المضادة من منشأة CERN إلى مختبرات في مواقع أخرى للدراسات عالية الدقة للمادة المضادة. في 24 أكتوبر 2024، أجرت BASE-STEP عرضًا تقنيًا ناجحًا باستخدام البروتونات المحاصرة كبديل للبروتونات المضادة. ونقلت سحابة من 70 بروتونًا محليًا في شاحنة. كانت هذه أول حالة لنقل الجسيمات السائبة في مصيدة قابلة لإعادة الاستخدام وخطوة مهمة نحو إنشاء خدمة توصيل البروتونات المضادة للتجارب في المختبرات الأخرى. مع بعض التحسينات في الإجراءات، من المخطط نقل البروتونات المضادة في عام 2025.  

في البداية، أنتج الانفجار العظيم كميات متساوية من المادة والمادة المضادة. وكلاهما متماثلان في الخصائص، باستثناء أنهما يحملان شحنات معاكسة، كما أن عزميهما المغناطيسيين معكوسان.  

كان من المفترض أن تتلاشى المادة والمادة المضادة بسرعة لتترك وراءها كونًا فارغًا، لكن هذا لم يحدث. فالكون الآن تهيمن عليه المادة تمامًا بينما اختفت المادة المضادة. ويُعتقد أن هناك بعض الاختلافات غير المعروفة بين الجسيمات الأساسية والجسيمات المضادة المقابلة لها والتي ربما أدت إلى بقاء المادة بينما تم القضاء على المادة المضادة مما أدى إلى عدم تناسق المادة والمادة المضادة.  

وفقًا لتماثل الشحنة والتكافؤ وعكس الزمن (CPT)، وهو جزء من النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، يجب أن تكون الخصائص الأساسية للجسيمات مساوية ومعاكسة جزئيًا لتلك الخاصة بجسيماتها المضادة المقابلة. يمكن أن تساعد القياسات التجريبية عالية الدقة للاختلافات في الخصائص الأساسية (مثل الكتل أو الشحنات أو أعمار الجسيمات أو العزوم المغناطيسية) للجسيمات وجسيماتها المضادة المقابلة في فهم عدم تماثل المادة والمادة المضادة. هذا هو سياق CERNالصورة باريون تجربة تماثل الباريون المضاد (BASE).   

تم تصميم تجربة BASE للتحقيق في تماثل البروتون والبروتون المضاد من خلال إجراء قياسات عالية الدقة لخصائص (مثل العزم المغناطيسي الجوهري) للبروتونات المضادة بدقة كسرية في حدود جزء من المليار. والخطوة التالية هي مقارنة هذه القياسات بالقيم المقابلة للبروتونات. بالنسبة للعزم المغناطيسي الجوهري، تعتمد العملية بأكملها على قياسات تردد لارمور وتردد السيكلوترون.     

في الوقت الحاضر، يعد مبطئ البروتون المضاد (AD) التابع للمنظمة الأوروبية للأبحاث النووية المنشأة الوحيدة التي يتم فيها إنتاج وتخزين البروتونات المضادة بشكل روتيني. ولابد من دراسة هذه البروتونات المضادة هنا في منشأة المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية، إلا أن تقلبات المجال المغناطيسي التي يولدها المعجل في الموقع تحد من دقة قياس خصائص البروتونات المضادة. ومن هنا، فإن نقل البروتونات المضادة المنتجة في مبطئ البروتون المضاد إلى المختبرات في أماكن أخرى أمر ضروري. ولكن التعامل مع المادة المضادة ليس بالأمر السهل لأنها تتلاشى بسرعة عند ملامستها للمادة. وفي الوقت الحاضر، لا توجد تقنية مناسبة لنقل البروتونات المضادة إلى المختبرات في أماكن أخرى حتى يتمكن الباحثون من إجراء دراسات عالية الدقة. وتعتبر اختبارات التماثل في التجارب التي يتم إجراؤها باستخدام البروتونات المضادة المحمولة (BASE-STEP) خطوة إلى الأمام في هذا الاتجاه.  

BASE-STEP هو جهاز صغير الحجم نسبيًا مصمم لتخزين ونقل البروتونات المضادة من منشأة سيرن إلى المختبرات في مواقع أخرى لإجراء دراسات عالية الدقة للمادة المضادة. وهو مشروع فرعي من مشروع BASE، ويزن حوالي طن واحد وهو أصغر بحوالي خمس مرات من تجربة BSE الأصلية.  

في 24 أكتوبر 2024، أجرت BASE-STEP عرضًا تقنيًا ناجحًا باستخدام البروتونات المحاصرة كبديل للبروتونات المضادة. فقد نقلت سحابة من 70 بروتونًا محليًا في شاحنة. كانت هذه أول حالة لنقل الجسيمات السائبة في مصيدة قابلة لإعادة الاستخدام وحجر الأساس المهم نحو إنشاء خدمة توصيل البروتونات المضادة للتجارب في المختبرات الأخرى. ومن المقرر نقل البروتونات المضادة في عام 2025، مع بعض التحسينات في الإجراءات.  

PUMA (إبادة المادة غير المستقرة للبروتونات المضادة) هي تجربة أخرى ذات طبيعة مماثلة ولكنها تهدف إلى هدف مختلف. مثل BASE-STEP، تتضمن PUMA أيضًا إعداد مصيدة قابلة للنقل لنقل البروتونات المضادة من قاعة إبطاء البروتونات المضادة (AD) في CERN إلى منشأة ISOLDE الخاصة بها لاستخدامها في دراسة الظواهر الفيزيائية النووية الغريبة.  

*** 

المراجع:  

1. أخبار سيرن – تجربة BASE تتخذ خطوة كبيرة نحو المادة المضادة المحمولة. نُشرت في 25 أكتوبر 2024. متاحة على https://home.cern/news/news/experiments/base-experiment-takes-big-step-towards-portable-antimatter  

2. سيرن. تقرير التصميم الفني لـ BASE-STEP.  https://cds.cern.ch/record/2756508/files/SPSC-TDR-007.pdf 

3. Smorra C., et al. 2023. BASE-STEP: خزان مضاد للبروتونات قابل للنقل لدراسات التفاعلات الأساسية. Rev. Sci. Instrum. 94, 113201. 16 نوفمبر 2023. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0155492 

4. أومان، T.، بارتمان، W.، بوين-فرانكنهايم، O. وآخرون. PUMA، إبادة المادة غير المستقرة المضادة للبروتون. يورو. فيز. ج.أ 58، 88 (2022). معرف الهوية الرقمي: https://doi.org/10.1140/epja/s10050-022-00713-x 

*** 

مقالات ذات صلة 

• لماذا تهيمن "المادة" على الكون وليس "المادة المضادة"؟ في البحث عن سبب وجود الكون (18 April 2020) 

• كشف النقاب عن لغز عدم تناسق المادة والمادة المضادة في الكون من خلال تجارب تذبذب النيوترينو (1 2020 مايو)  

• مصادمات الجسيمات لدراسة "الكون المبكر جدًا": مصادم الميونات يظهر (31 October 2024)  

***