أعلن مشروع T2K، وهو تجربة تذبذب النيوترينو طويلة المدى في اليابان، مؤخرًا عن رصد دليل قوي على وجود اختلاف بين الخصائص الفيزيائية الأساسية للنيوترينوات ونظيراتها من المادة المضادة، أي النيوترينوات المضادة. يشير هذا الرصد إلى إمكانية تفسير أحد أكبر ألغاز العلم، ألا وهو تفسير هيمنة المادة على المادة المضادة في الكون ، وبالتالي تفسير وجودنا ذاته.
عدم تناظر المادة والمادة المضادة في الكون
وفقًا لنظرية علم الكونيات، نشأت الجسيمات ونظائرها في أزواج من الإشعاع خلال الانفجار العظيم. الجسيمات المضادة هي مواد مضادة لها خصائص فيزيائية مشابهة تقريبًا لنظائرها المادية ، أي الجسيمات، باستثناء الشحنة الكهربائية والخصائص المغناطيسية المعكوسة. ومع ذلك، فإن وجود الكون وتكوينه من المادة فقط يشير إلى أن تناظر المادة والمادة المضادة قد انكسر خلال الانفجار العظيم، مما حال دون فناء الأزواج تمامًا وإنتاج الإشعاع مجددًا. ولا يزال الفيزيائيون يبحثون عن دلائل على انتهاك تناظر CP، والذي بدوره قد يفسر انكسار تناظر المادة والمادة المضادة في الكون المبكر.
التناظر CP هو نتاج تناظرين مختلفين: تناظر اقتران الشحنة (C) وتناظر انعكاس التكافؤ (P). عند تطبيق تناظر اقتران الشحنة C على جسيم مشحون، تتغير إشارة شحنته، فيصبح الجسيم الموجب الشحنة سالب الشحنة والعكس صحيح. أما الجسيمات المتعادلة فتبقى دون تغيير تحت تأثير C. يعكس تناظر انعكاس التكافؤ الإحداثيات المكانية للجسيم المؤثر عليه، فيصبح الجسيم الأيمن يساريًا، كما يحدث عند الوقوف أمام المرآة. وأخيرًا، عندما يؤثر CP على جسيم أيمن سالب الشحنة، فإنه يتحول إلى جسيم أيسر موجب الشحنة، وهو الجسيم المضاد. وهكذا، ترتبط المادة والمادة المضادة ببعضهما البعض من خلال تناظر CP. لذا، لا بد من انتهاك تناظر CP لتوليد عدم التناظر الملحوظ بين المادة والمادة المضادة ، والذي أشار إليه ساخاروف لأول مرة عام 1967 (1).
بما أن التفاعلات الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوية ثابتة تحت تناظر CP، فإن المكان الوحيد للبحث عن انتهاك تناظر CP في الطبيعة هو في حالة الكواركات و/أو اللبتونات، التي تتفاعل من خلال التفاعل الضعيف. حتى الآن، تم قياس انتهاك تناظر CP تجريبياً في قطاع الكواركات، إلا أنه ضئيل للغاية بحيث لا يُحدث عدم التناظر المُقدَّر للكون . لذا، فإن فهم انتهاك تناظر CP في قطاع اللبتونات ذو أهمية خاصة للفيزيائيين لفهم وجود الكون . ويمكن استخدام انتهاك تناظر CP في قطاع اللبتونات لتفسير عدم تناظر المادة والمادة المضادة من خلال عملية تُسمى تكوين اللبتونات (2).
لماذا تعتبر النيوترينوات مهمة؟
النيوترينوات هي أصغر الجسيمات في الطبيعة ذات الكتلة الهائلة، وشحنتها الكهربائية صفر. ولأنها متعادلة كهربائيًا، لا يمكن للنيوترينوات أن تتفاعل كهرومغناطيسيًا، كما أنها لا تتفاعل بقوة. تتميز النيوترينوات بكتلة ضئيلة جدًا، تبلغ حوالي 0.1 إلكترون فولت (2 × 10⁻³⁷ كجم )، ولذلك فإن تفاعلها مع الجاذبية ضعيف للغاية. الطريقة الوحيدة التي يمكن للنيوترينوات من خلالها التفاعل مع الجسيمات الأخرى هي من خلال تفاعلات ضعيفة قصيرة المدى.
مع ذلك، فإن خاصية التفاعل الضعيف للنيوترينوات تجعلها أداةً مثيرةً للاهتمام لدراسة الأجرام الفلكية البعيدة. فبينما يمكن حجب الفوتونات وتشتيتها وانتشارها بفعل الغبار وجزيئات الغاز والإشعاعات الخلفية الموجودة في الوسط بين النجوم، تستطيع النيوترينوات المرور دون عوائق تُذكر والوصول إلى أجهزة الكشف الأرضية. وفي هذا السياق، ونظرًا لتفاعلها الضعيف، يُمكن اعتبار قطاع النيوترينوات مرشحًا محتملاً للمساهمة في انتهاك تناظر الشحنة الزوجية (CP).
تذبذب النيوترينو وانتهاك CP
توجد ثلاثة أنواع من النيوترينوات (μ) - μe و μm و μσ - يرتبط كل نوع منها بنكهة محددة من نكهات الليبتونات: الإلكترون (e) والميون (μ) والتاو (σ). تُنتَج النيوترينوات وتُكتشف كحالات ذاتية للنكهة عبر تفاعلات ضعيفة مرتبطة بالليبتون المشحون ذي النكهة المقابلة، بينما تنتشر كحالات ذات كتل محددة، تُسمى حالات الكتلة الذاتية. وهكذا، يتحول شعاع النيوترينو ذي النكهة المحددة عند المصدر إلى مزيج من النكهات الثلاث المختلفة عند نقطة الكشف بعد قطعه مسافة معينة - وتعتمد نسبة حالات النكهات المختلفة على معلمات النظام. تُعرف هذه الظاهرة بتذبذب النيوترينو، مما يجعل هذه الجسيمات متناهية الصغر مميزة للغاية!
نظريًا، يمكن التعبير عن كل حالة من حالات النكهة الذاتية للنيوترينو كمزيج خطي من حالات الكتلة الذاتية الثلاث، والعكس صحيح، ويمكن وصف عملية المزج بمصفوفة وحدوية تُسمى مصفوفة بونتيكورفو-ماكي-ناكاجاوا-ساكاتا (PMNS) (3،3,4). يمكن تحديد معلمات مصفوفة المزج الوحدوية ثلاثية الأبعاد هذه بثلاث زوايا مزج وأطوار مركبة. من بين هذه الأطوار المركبة، يتأثر تذبذب النيوترينو بطور واحد فقط، يُسمى θCBP ، وهو المصدر الوحيد لانتهاك تناظر الشحنة الزوجية (CP) في قطاع الليبتونات. يمكن أن يأخذ θCBP أي قيمة في النطاق من -180° إلى 180°. بينما تعني قيمة λCp = 0، ±180° أن النيوترينوات والنيوترينوات المضادة تتصرف بشكل متطابق وأن تناظر الشحنة الزوجية (CP) محفوظ، فإن قيمة λCp = ±90° تشير إلى أقصى انتهاك لتناظر الشحنة الزوجية في قطاع الليبتونات من النموذج القياسي. أي قيمة متوسطة تدل على انتهاك تناظر الشحنة الزوجية بدرجات متفاوتة. لذا، يُعد قياس λCp أحد أهم أهداف مجتمع فيزياء النيوترينو.
قياس معلمات التذبذب
يتم إنتاج النيوترينوات بكثرة أثناء التفاعلات النووية ، مثل تلك الموجودة في الشمس والنجوم الأخرى والمستعرات الأعظمية. يتم إنتاجها أيضًا في الغلاف الجوي للأرض من خلال تفاعل الأشعة الكونية عالية الطاقة مع نوى الذرة. للحصول على فكرة عن تدفق النيوترينو ، يمر حوالي 100 تريليون من خلالنا كل ثانية. لكننا لا ندرك ذلك لأن تفاعلهم ضعيف للغاية. هذا يجعل قياس خصائص النيوترينو أثناء تجارب تذبذب النيوترينو مهمة صعبة حقًا!
لقياس هذه الجسيمات المراوغة ، تكون أجهزة الكشف عن النيوترينو كبيرة ، وتبلغ كتلتها كيلو طن ، وتستغرق التجارب عدة سنوات لتحقيق نتائج ذات دلالة إحصائية. بسبب تفاعلاتهم الضعيفة ، استغرق العلماء حوالي 25 عامًا لاكتشاف النيوترينو الأول تجريبيًا بعد أن افترض باولي وجوده في عام 1932 لشرح الحفاظ على زخم الطاقة في تحلل بيتا النووي (كما هو موضح في الشكل (5)).
قاس العلماء زوايا المزج الثلاث بدقة تزيد عن 90% عند مستوى ثقة 99.73% (3σ) (6). اثنتان من زوايا المزج كبيرتان لتفسير تذبذبات النيوترينوات الشمسية والجوية، أما الزاوية الثالثة (المسماة θ13 ) فهي صغيرة، حيث تبلغ أفضل قيمة مُلائمة لها حوالي 8.6 درجة، وقد قُيست تجريبيًا مؤخرًا فقط في عام 2011 بواسطة تجربة نيوترينو المفاعل دايا باي في الصين. في مصفوفة PMNS، يظهر الطور θCP فقط في التركيبة sinθ13 ε ± θCP ، مما يجعل قياسه تجريبيًا أمرًا صعبًا.
يُطلق على المعامل الذي يُحدد مقدار انتهاك تناظر الشحنة الزوجية (CP) في كلٍ من قطاعي الكواركات والنيوترينو اسم ثابت جارلسكوج 𝐽 𝐶𝑃 (7)، وهو دالة لزوايا المزج وطور انتهاك تناظر الشحنة الزوجية. بالنسبة لقطاع الكواركات، يُقارب 𝐽 𝐶𝑃 قيمة 3×10⁻⁵ ، بينما يُقارب 𝐽 𝐶𝑃 قيمة 0.033 sin𝛿 𝐶𝑃 بالنسبة لقطاع النيوترينو ، وبالتالي قد يكون أكبر بثلاثة رتب مقدارية من 𝐽 𝐶𝑃 في قطاع الكواركات، وذلك اعتمادًا على قيمة 𝛿 𝐶𝑃.
نتيجة من T2K - تلميح نحو حل لغز عدم تناسق المادة والمادة المضادة
في تجربة تذبذب النيوترينو طويلة المدى T2K (توكاي-تو-كاميوكا في اليابان)، تُولَّد حزم النيوترينو أو النيوترينو المضاد في مجمع أبحاث مسرع البروتونات الياباني (J-PARC) وتُكتشف بواسطة كاشف ووتر-سيرينكوف في سوبر-كاميوكاندي، بعد أن تقطع مسافة 295 كيلومترًا عبر الأرض. ولأن هذا المسرع قادر على إنتاج حزم من النيوترينو 𝜈 𝜇 أو جسيمه المضاد 𝜈̅𝜇، ولأن الكاشف قادر على رصد النيوترينو 𝜇 و𝜈 𝑒 وجسيماتهما المضادة 𝜈̅𝜇 و𝜈̅𝑒، فإن لديهم نتائج من أربع عمليات تذبذب مختلفة، ويمكنهم إجراء التحليل للحصول على حدود فعالة لمعاملات التذبذب. ومع ذلك، فإن طور انتهاك التناظر CP 𝛿 𝐶𝑃 يظهر فقط في العملية التي تغير فيها النيوترينوات نكهاتها، أي في التذبذبات 𝜈𝜇→𝜈𝑒 و 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - أي اختلاف في هاتين العمليتين من شأنه أن يشير إلى انتهاك التناظر CP في قطاع الليبتون.
في تقرير حديث، أعلن فريق T2K عن حدود مثيرة للاهتمام لانتهاك تناظر الشحنة الزوجية (CP) في قطاع النيوترينو، وذلك بتحليل البيانات التي جُمعت خلال عامي 2009 و2018 (8). وقد استبعدت هذه النتيجة الجديدة حوالي 42% من جميع القيم المحتملة لـ α CP . والأهم من ذلك، أنه تم استبعاد حالة الحفاظ على تناظر الشحنة الزوجية (CP) بمستوى ثقة 95%، وفي الوقت نفسه، يبدو أن انتهاك تناظر الشحنة الزوجية (CP) إلى أقصى حد هو السائد في الطبيعة.
في مجال فيزياء الطاقة العالية، يلزم الحصول على ثقة 5𝜎 (أي 99.999%) للمطالبة باكتشاف جديد، وبالتالي فإن تجارب الجيل التالي مطلوبة للحصول على إحصائيات كافية ودقة أعلى لاكتشاف المرحلة التي تنتهك CP. ومع ذلك، فإن نتيجة T2K الأخيرة تمثل تطورًا مهمًا نحو فهمنا لعدم تناسق المادة والمادة المضادة في الكون الكون من خلال انتهاك CP في قطاع النيوترينو، لأول مرة.
***
المراجع:
1. ساخاروف، أندريه د.، 1991. "انتهاك تناظر CP، وعدم تناظر C، وعدم تناظر الباريونات في الكون". الفيزياء السوفيتية أوسبيخي، 1991، 34 (5)، 392-393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. باري باسكوالي دي، 2012. مقدمة في توليد الليبتونات وخصائص النيوترينو. الفيزياء المعاصرة، المجلد 53، 2012 - العدد 4، الصفحات 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. ماكي، ز.، ناكاغاوا، م.، وساكاتا، س.، 1962. ملاحظات حول النموذج الموحد للجسيمات الأولية. التقدم في الفيزياء النظرية، المجلد 28، العدد 5، نوفمبر 1962، الصفحات 870-880، DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. بونتيكورفو، ب.، 1958. عمليات بيتا العكسية وعدم حفظ شحنة الليبتون. مجلة الفيزياء التجريبية والنظرية (الاتحاد السوفيتي) 34، 247-249 (يناير 1958). متاح على الإنترنت: http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. تاريخ الوصول: 23 أبريل 2020.
5. Inductiveload، 2007. اضمحلال بيتا السالب. [صورة متاحة على الإنترنت] على الرابط التالي: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. تاريخ الوصول: 23 أبريل 2020.
٦. تاناباشي م. وآخرون (مجموعة بيانات الجسيمات)، ٢٠١٨. كتل النيوترينو، والخلط، والتذبذبات، مجلة الفيزياء D98، ٠٣٠٠٠١ (٢٠١٨) وتحديث ٢٠١٩. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. جارلسكوج، سي.، 1986. جارلسكوج يستجيب. فيز. القس ليت. 57، 2875. دوى: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
٨. تعاون T2K، ٢٠٢٠. قيد على طور انتهاك تناظر المادة والمادة المضادة في تذبذبات النيوترينو. مجلة Nature، المجلد ٥٨٠، الصفحات ٣٣٩-٣٤٤ (٢٠٢٠). تاريخ النشر: ١٥ أبريل ٢٠٢٠. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
مقالات ذات صلة:
لماذا تهيمن "المادة" على الكون وليس "المادة المضادة"؟ في رحلة البحث عن سبب وجود الكون (18 أبريل 2020)
تتأثر المادة المضادة بالجاذبية بنفس طريقة تأثر المادة (29 سبتمبر 2023)
التقدم في نقل البروتونات المضادة (2 ديسمبر 2024)
لماذا يُعد مختبر الذرات الباردة (CAL) بحجم ثلاجة صغيرة، والذي يدور حول الأرض على متن محطة الفضاء الدولية، ذا أهمية بالغة للعلم (28 أغسطس 2024)
***
