في بدايات الكون ، بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة، وُجدت المادة والمادة المضادة بكميات متساوية. إلا أنه لأسباب غير معروفة حتى الآن، تُهيمن المادة على الكون الحالي . وقد أظهر باحثو مشروع T2K مؤخرًا حدوث انتهاك محتمل لتناظر الشحنة والتكافؤ في النيوترينو، وما يقابله من تذبذبات في النيوترينو المضاد. تُعد هذه خطوةً مهمةً نحو فهم سبب هيمنة المادة على الكون.
تشير نظرية الانفجار العظيم (التي حدثت منذ حوالي 13.8 مليار سنة) وغيرها من النظريات الفيزيائية ذات الصلة إلى أن الكون المبكر كان "يهيمن عليه" الإشعاع وأن " المادة " و" المادة المضادة " كانتا موجودتين بكميات متساوية.
لكن الكون الذي نعرفه اليوم تهيمن عليه المادة. لماذا؟ هذا أحد أكثر ألغاز الكون إثارةً للفضول . (1).
بدأ الكون الذي نعرفه اليوم بكميات متساوية من المادة والمادة المضادة، وقد خُلقت كلتاهما في أزواج وفقًا لقوانين الطبيعة، ثم فُنيتا مرارًا وتكرارًا مُنتجةً إشعاعًا يُعرف باسم "إشعاع الخلفية الكونية". في غضون حوالي 100 ميكروثانية من الانفجار العظيم، بدأت المادة (الجسيمات) بطريقة ما تفوق عدد الجسيمات المضادة بواحد من كل مليار، وفي غضون ثوانٍ، فُنيت كل المادة المضادة، ولم يتبقَّ سوى المادة.
ما هي العملية أو الآلية التي من شأنها أن تخلق هذا النوع من الاختلاف أو عدم التناسق بين المادة والمادة المضادة؟
في عام 1967، افترض الفيزيائي النظري الروسي أندريه ساخاروف ثلاثة شروط ضرورية لحدوث اختلال في التوازن (أو إنتاج المادة والمادة المضادة بمعدلات مختلفة) في الكون . الشرط الأول هو انتهاك عدد الباريونات (وهو عدد كمي يبقى ثابتًا في التفاعل). ويعني هذا أن البروتونات تتحلل ببطء شديد إلى جسيمات دون ذرية أخف وزنًا، مثل البيون المتعادل والبوزيترون. وبالمثل، يتحلل البروتون المضاد إلى بيون وإلكترون. الشرط الثاني هو انتهاك تناظر اقتران الشحنة (C) وتناظر اقتران الشحنة والتكافؤ (CP)، والذي يُسمى أيضًا انتهاك الشحنة والتكافؤ. الشرط الثالث هو أن العملية التي تُولد عدم تناظر الباريونات يجب ألا تكون في حالة توازن حراري، وذلك بسبب التمدد السريع الذي يُقلل من حدوث إفناء الأزواج.
إنه معيار ساخاروف الثاني لانتهاك CP ، وهو مثال على نوع من عدم التناسق بين الجسيمات وجسيماتها المضادة الذي يصف الطريقة التي تتحلل بها. من خلال مقارنة الطريقة التي تتصرف بها الجسيمات والجسيمات المضادة ، أي الطريقة التي تتحرك بها وتتفاعل وتتحلل ، يمكن للعلماء العثور على دليل على هذا التباين. يوفر انتهاك CP دليلًا على أن بعض العمليات الفيزيائية غير المعروفة مسؤولة عن الإنتاج التفاضلي للمادة والمادة المضادة.
من المعروف أن التفاعلات الكهرومغناطيسية و"التفاعلات القوية" متناظرة تحت تناظري C وP، وبالتالي فهي متناظرة أيضًا تحت تناظر الضرب CP (3). يقول البروفيسور بي. إيه. روبسون: "مع ذلك، ليس هذا هو الحال بالضرورة بالنسبة لـ"التفاعل الضعيف"، الذي ينتهك تناظري C وP". ويضيف أن "انتهاك تناظر CP في التفاعلات الضعيفة يعني أن هذه العمليات الفيزيائية قد تؤدي إلى انتهاك غير مباشر لعدد الباريونات، بحيث يُفضّل تكوين المادة على تكوين المادة المضادة". لا تُظهر الجسيمات غير الكواركية أي انتهاكات لتناظر CP، بينما يكون انتهاك تناظر CP في الكواركات ضئيلاً للغاية وغير ذي أهمية تُذكر لإحداث فرق في تكوين المادة والمادة المضادة. لذا، يصبح انتهاك تناظر CP في الليبتونات ( النيوترينوات ) مهمًا، وإذا ثبت ذلك، فسيُجيب على سؤال: لماذا يهيمن وجود المادة على الكون ؟
على الرغم من أن انتهاك تناظر CP لم يُثبت بشكل قاطع بعد (1)، إلا أن النتائج التي نشرها فريق T2K مؤخرًا تُظهر أن العلماء قريبون جدًا من إثباته. فقد تم إثبات، ولأول مرة، أن الانتقال من الجسيم إلى الإلكترون والنيوترينو مُفضّل على الانتقال من الجسيم المضاد إلى الإلكترون والنيوترينو المضاد، وذلك من خلال تجارب بالغة الدقة في مختبر T2K (توكاي إلى كاميوكا) (2). يشير T2K إلى مختبرين: مجمع أبحاث مُسرّع البروتونات الياباني (J-Parc) في توكاي، ومرصد سوبر كاميوكاندي للنيوترينوات تحت الأرض في كاميوكا، اليابان، ويفصل بينهما حوالي 300 كيلومتر. يُولّد مُسرّع البروتونات في توكاي الجسيمات والجسيمات المضادة من تصادمات عالية الطاقة، بينما ترصد أجهزة الكشف في كاميوكا النيوترينوات ونظائرها من المادة المضادة، النيوترينوات المضادة، من خلال إجراء قياسات دقيقة للغاية.
بعد تحليل بياناتٍ جُمعت على مدى سنواتٍ عديدة في تجربة T2K، تمكّن العلماء من قياس مُعامل يُسمى دلتا-CP، وهو المُتحكّم في كسر تناظر CP في تذبذب النيوترينو، ووجدوا عدم تطابق، أو ميلًا لزيادة معدل النيوترينو، ما قد يُؤدّي في نهاية المطاف إلى تأكيد انتهاك تناظر CP في طريقة تذبذب النيوترينوات والنيوترينوات المضادة. تُعدّ النتائج التي توصّل إليها فريق T2K ذات دلالة إحصائية عند مستوى ثقة 99.7% أو 3 سيجما. ويُمثّل هذا إنجازًا هامًا، إذ يرتبط تأكيد انتهاك تناظر CP في النيوترينوات بهيمنة المادة في الكون . ستختبر تجاربٌ لاحقة، باستخدام قاعدة بياناتٍ أكبر، ما إذا كان انتهاك تناظر CP في الجسيمات الليبتونية أكبر من انتهاك تناظر CP في الكواركات. إذا كان الأمر كذلك، فسنحصل أخيرًا على إجابة السؤال: لماذا تهيمن المادة على الكون ؟
على الرغم من أن تجربة T2K لا تثبت بشكل واضح حدوث انتهاك لتناظر CP، إلا أنها تمثل علامة فارقة من حيث أنها تُظهر بشكل قاطع تفضيلًا قويًا لمعدل الإلكترون-النيوترون المعزز، وتقربنا من إثبات حدوث انتهاك لتناظر CP، وفي النهاية من الإجابة على سؤال "لماذا يهيمن المادة على الكون ؟".
***
المراجع:
١. جامعة طوكيو، ٢٠٢٠. "نتائج تجربة T2K تحد من القيم المحتملة لطور CP للنيوترينو -..." بيان صحفي نُشر في ١٦ أبريل ٢٠٢٠. متاح على الإنترنت على الرابط التالي: http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ تم الاطلاع عليه في ١٧ أبريل ٢٠٢٠.
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
3. روبسون، بكالوريوس، 2018. مشكلة عدم تناظر المادة والمادة المضادة. مجلة فيزياء الطاقة العالية والجاذبية وعلم الكونيات، 4، 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
