10 حقائق قد لا تعرفها عن المادّة المُضادّة

وفقاً لنظريةِ الانفجارِ العظيمِ فإنّ المادّة والمادّةَ المضادّة تشكلتّا بكميّاتٍ متساويةٍ. عندما تلتقي المادّةُ والمادّةُ المضادّةُ فإنّهما تُفنيانِ بعضَهما البعضُ دونَ أن يبقى منهما شيءٌ سوى الطّاقة. لذلك فمن حيثُ المبدأ، لا يجبُ أن يكونَ أحدٌ منّا موجوداً الآن.

ولكننا موجودون! و كل ما يستطيع الفيزيائيّون أن يخبروك به اليومَ هو أنّ هذا قد حصلَ لأنّه في النّهاية كان هنالكَ جسيمٌ إضافيٌّ من المادّةِ مقابلَ كلّ مليار زوجٍ من المادّةِ والمادّة المضادّة. يعمل الفيزيائيّون اليومَ جاهدين لتفسيرِ هذه المفارقةِ العجيبة.

تُمطَر الأرضُ بكمياتٍ صغيرةٍ من المادّةِ المضادّة باستمرارٍ على شكلِ أشعّةٍ كونيّةٍ؛ جسيماتٌ مُفعمةٌ بالطاقّةِ من الفضاء. تصلُ هذه الجسيماتُ المضادّةُ إلى الغلافِ الجويِّ بنسبٍ تتراوحُ بين أقلّ من جسيمٍ واحدٍ للمترِ المربّعِ الواحدِ، إلى أكثرِ من 100 جسيمٍ للمترِ المربّعِ الواحد. تمكّن العلماءُ أيضاً من الحصولِ على أدلّةٍ تشيرُ إلى إنتاجِ المادّةِ المضادّة فوقَ العواصفِ الرّعديّة.

لكن هناكَ مصادرُ أخرى للمادّةِ المضادّة هي أقرب إلى منزلك ممّا تتخيّل. فعلى سبيل المثال، يُنتِجُ الموزُ المادّة المضادّة؛ إذ يقومُ الموزُ بتحريرِ بوزيترونٍ واحدٍ - الجسيم المضادّ للإلكترون- كُلّ 75 دقيقة. يحدثُ هذا لأنّ الموزَ يحتوي على كميةٍ صغيرةٍ من البوتاسيوم-40؛ وهو نظيرٌ طبيعيٌّ للبوتاسيوم. يَضمحلُّ البوتاسيوم-40 نووياً مُحرّراً في بعض الأحيانِ بوزيتروناً خلالَ هذه العمليّة.

تحتوي أجسامُنا البوتاسيوم-40 أيضاً، ممّا يعني أن البوزيتروناتِ تَنبَعثُ منك أنتَ أيضاً. تَفنى المادّةُ المُضادّةُ فورَ التقائها مع المادّة، لذلك فإنّ هذه الجسيماتِ المضادّة قصيرةُ الأجل.

إنّ إفناءَ المادّة المضادّةِ أمرٌ له القدرةُ على إطلاقِ كميّةٍ ضخمةٍ من الطّاقة. يُمكنُ لغرامٍ واحدٍ من المادّةِ المضادّة أن يُنتج انفجاراً بحجم قنبلةٍ نوويّة. لم يتمكنِ البشرُ رُغمَ ذلك من إنتاج سوى كميّةٍ ضئيلةٍ جدّاً من المادّة المضادّة.

كلّ ما صُنِعَ من البروتونِ المضادّ في مصادمِ الجسيمات "Fermilab’s Tevatron" يبلغُ ما يصلُ إلى 15 نانو جرام فقط. أمّا تلك المصنوعةُ في مُصادمِ "CERN"* فتصلُ إلى حوالي 1 نانو غرام، وفي "DESY" بألمانيا، فقد أُنتِجَ ما يَقرُبُ من 2 نانو جرام من البوزيترونات حتّى الآن.

إذا قمنا بإفناءِ كلِّ ما صنعهُ البشرُ حتّى الآن من المادّة المضادّة في وقتٍ واحدٍ فإنَ الطّاقةَ النّاتجةَ لن تكونَ كافيةً حتى لغلي كوبٍ من الشّاي.

تكمنُ المشكلةُ في كفاءةِ إنتاج المادّةِ المضادّة وتكلفتها وتخزينها، حيث تتَطلّبُ صناعةُ غرامٍ واحدٍ من المادّة المضادّةِ ما يقربُ من 25 مليونِ مليارِ كيلوواتٍ ساعيّ من الطّاقة، ويُكلّف ذلكَ أكثرَ من مليون مليار دولار.

لدراسةِ المادّة المضادّةِ عليك أن تمنعها من الالتقاءِ بالمادّة كي لا تُلغي كلٌّ منهما الأخرى. و قد تمكّن العلماءُ من فعلِ ذلك.

يمكنُ للجُسيماتِ المشحونةِ من المادّةِ المضادّةِ كالبوزيترونات والبروتوناتِ المضادّةِ أن تُحفَظَ في أجهزةٍ تسمّى المصائد؛ وهي ما يُمكنُ تشبيههُ بالمُسرِّعات الصّغيرة. تدورُ الجسيماتُ داخلَ هذه المصائدِ، في حينِ تقومُ الحقولُ المغناطيسيّةُ والكهربائيّة بالحؤولِ دونَ اصطدامِ هذه الجسيماتِ المضادّةِ مع جدرانِ المصيدة.

لكنّ هذهِ المصائدَ لا تعملُ في حالةِ الجسيماتِ المضادّةِ المحايدةِ مثلَ الهيدروجين المضادّ. لأن هذه الجسيماتِ لا تحملُ شحنةَ كهربائيةَ، وبالتّالي لا تؤثّر الحقولُ الكهربائيّةُ فيها، وبدلاً من ذلك تُحتَجزُ هذه الجسيماتُ في مصائدَ تُدعى "Ioffe" تعمَلُ على خلقِ منطقةٍ من الفضاءِ يزدادُ فيها الحقلُ المغناطيسيُّ بالتقدّمِ في جميعِ الاتجاهات، فتعلَقُ الجسيماتُ المضادّةُ في المناطقِ ذاتِ المجالِ المغناطيسيِّ الأضعف، تماماً كما تعلَقُ الكُراتُ المُتدحرجةُ أسفلَ الوعاء.

يمكن للمجالِ المغناطيسيّ للأرضِ أن يكونَ بمثابةِ نوعٍ من مصائدِ المادّةِ المضادّة، فقد عُثِرَ على البروتوناتِ المضادّةِ في مناطقَ حولَ الأرضِ تُدعى أحزمُة إشعاعِ فان ألن "Van Allen radiation belts".

تمتلكُ جسيماتُ المادّةِ والمادّةِ المضادّةِ الكتلةَ ذاتها، لكنّها تختلفُ في خصائصَ مثلَ الشّحنةِ الكهربائيّةِ واللفّ الذّاتيّ "Spin". وفقاً للنّموذجِ القِياسيّ فإنّه يجبُ أن يكونَ للجاذبيّةِ التأثيرَ ذاتُه على المادّةِ والمادّةِ المضادّة، ومع ذلك لم يتمكّنِ العلماءُ من رؤيةِ ذلك بعد. تعمل تجاربُ مثل ايجيس "ALPHA" و" GBAR" جاهدةً في محاولةِ معرفةِ ذلك.

مراقبةُ تأثيرِ الجاذبيّةِ على المادّةِ المضادّةِ ليس بالأمرِ السّهل، فالأمرُ ليس كمراقبةِ تفّاحةٍ تسقطُ من الشّجرة. تحتاجُ هذه التّجاربُ إلى احتجازِ المادّة المضادّة في المصائدِ أو إبطاءِ انتشارها عن طريقِ التّبريدِ لدرجاتِ حرارةٍ تقتربُ من الصّفر المُطلق، ولأنّ الجاذبيّةَ هي الأضعفُ من بين القِوى الأساسيّة، يتوجّبُ على الفيزيائيينَ استخدامَ جسيماتٍ محايدةٍ من المادّة المضادّةِ في هذه التّجاربِ لمنعِ أيّ تأثيٍر للقوّة الأشدّ (القوة الكهربائية).

سمِعتَ حتماً عن مُسرِّعات الجسيماتِ، ولكن هل تعلمُ أنّ هنالك مبطّئاتٍ للجسيماتِ أيضاً؟ تمتلكُ المنظّمةُ الأوروبيّةُ للأبحاثِ النوويّة "CERN" جهازاً يُسمّى مبطّئ البروتوناتِ المضادّة، يحتوي على حلقةٍ تخزينيّةٍ للجسيماتِ يمكنُها التقاطُ البروتوناتِ المضادّةِ وإبطائها لدراسة خصائصها وسلوكها.

في مُسرّعاتِ الجسيماتِ الدائرية - مِثلَ مصادم الهادروناتِ الكبير - تَحصلُ الجسيماتُ على ركلةٍ من الطّاقّةِ في كل مرّةٍ تُكملُ دورةً كاملةً. تعملُ مبطئاتُ الجسيماتِ بطريقةٍ معاكسة، فعوضاً عن زيادة الطّاقة تَحصَلُ الجسيماتُ على ركلةٍ للخلفِ لإبطاء سُرعتها.

تمتَلكُ جسيماتُ المادّةِ وشريكتِها الجسيماتُ المضادّةُ شحنةً متعاكسةً، ممّا يجعلُها سهلةَ التمييز. لكنَ النيترينوهات جسيماتٌ عديمةُ الكتلةِ تقريباً، ونادراً ما تتفاعلُ مع المادّةِ وليسَ لها شحنةٌ كهربائيّةٌ. يعتقدُ العلماءُ أنّها قد تكونُ جسيماتِ ماجورانا "Majorana"؛ وهي فئةٌ افتراضيّةٌ من الجسيماتِ تكونُ الجسيماتُ المضادّةُ فيها هي الجسيماتُ ذاتُها.

تتفكّكُ بعض الأنويةِ المشعّة نوويّاً في وقتٍ واحدٍ معاً مطلقةً زوجاً من الإلكتروناتِ وزوجاً من النيترينو. إذا كان الجسيم المضادّ للنيترينو هو النيترينو ذاتُه فإنّهما يُفنيان بعضهما البعض عقِبَ التفكّكِ المزدوجِ، وسيلاحظُ العلماءُ ذلك إن بقيتِ الإلكتروناتِ فقط.

إنَ العثورَ على النيترينو من نمطِ "ماجورانا" يمكن أن يُساعدَ في تفسيرِ التّغاير (عدم التّناظر) بين المادّةِ والمادّة المضادّة. يفترضُ علماءُ الفيزياءِ أنَ النيترينو من نمطِ ماجورانا قد تكونُ إمّا ثقيلةً أو خفيفة. توجَدُ الخفيفةُ منها اليوم، أمّا الثّقيلةُ منها فقد كانت موجودةً فقط بعد الانفجارِ الكبيرِ مباشرةً. تفكّكت نيترينوهاتِ ماجورانا الثّقيلةِ بشكلٍ غيرِ متناظرٍ ممّا خلَّفَ زيادةً صغيرةً في المادّة سمحت للكونِ وكلّ ما فيه بالوجود.

يَستخدِمُ التصويرُ المقطعيّ البوزيترونيّ PET انبعاث البوزيترونات لإنتاجِ صورٍ عاليةِ الِّدّقّة للجِسم. ترتبطُ النّظائرُ المُشِعّةُ التي تصدُرُ عنها البوزيترونات ( كتلك التي تصدرُ عن الموز ) بالموادِّ الكيميائيّةِ كالجلوكوز المستخدَم بشكلٍ طبيعيَ في الجسم. تُحَقَنُ هذهِ النّظائرُ المُشعَةُ في مَجرى الدّم، حيث تتفكّكُ بشكلٍ طبيعيِّ مُطلِقةً البوزيترونات التي تُفني الإلكترونات في الجسم، فتتوّلدُ أشعّة غامّا التي تُستَخدَمُ لتشكيلِ الصور.

وقد درس العلماءُ في مَشروع ACE في مُصادِمِ CERN المادّةَ المُضادّة كمرشحٍّ مُحتملٍ لعلاجِ السّرطان، واكتشف الأطبّاء أنّه من الممكن فعلاً أن تُسلّطَ حُزمٌ من الجسيماتِ على الأورام، حيث تُحرّرُ هذه الجسيماتُ الطّاقةً إن عبرت من خلالِ الأنسجة السّليمة فقط. استخدامُ البروتونات المضادّة يضيفُ للعمليّة كميةً إضافيّةً من الطّاقة. أثبتت هذه التّقنيّة فعاليّةً في خلايا حيوان الهامستر، لكن يتوجَبُ على الباحثين إجراءُ الدّراسةِ ذاتها على الخلايا البشريّة.

يُحاولُ العلماء حلّ مُعضِلةِ عدم تناظر المادّة والمادّةِ المضادّة من خلال البحث عن المادّةِ المضادّةِ التي خلّفها الانفجار العظيم.

يبحَثُ مِطيافُ ألفا المغناطيسي AMS المُتوضِّع فوقَ محطّة الفضاء الدّوليّة عن هذه الجسيمات. يحتوي هذا المطيافُ على حقولٍ مغناطيسيّة تفصِلُ مسار جسيماتِ المادّة عن المادّة المضادّة، وتقومُ كواشِفُ المطياف بتقييمِ الجسيماتِ التي تمرُّ عبرهُ وتحديدها.

يُنتِجُ اصطدامُ الأشعّةِ الكونيّة بشكلٍ روتينيّ البوزيترونات والبروتونات المضادّة، لكنّ احتمالَ خلقِ ذرّة العنصرِ المضادّ للهيليوم "antihelium" منخفضٌ للغاية لأنّه يتطلّبُ كميّةً هائلةَ من الطّاقة. إنّ اكتشافَ نواة antihelium واحدة يشكِّلُ دليلاً قويّاً على وجودِ كمياتٍ كبيرةٍ من المادّة المضادّة في مكان ما في الكون.

يمكِنُ لحَفنةٍ من المادّةِ المُضادّة أن تُنتِجَ كميّةً كبيرةً جدّاً من الطّاقة، ممّا يجعلُها خياراً مُحبّباً للمركباتِ المستقبليّةِ في رواياتِ الخيال العلمي.

يُعتبرُ الَدفعُ الصاروخيّ باستخدامِ المادّةِ المضادّة ممكناً نظريّاً، لكنّ العقبةَ الرئيسيّة تتمثّل بجمعِ كميّةٍ كافيةٍ من المادّة المضادّة لتحقيق ذلك. لذا لا يوجدُ حالياً أيةُ تقنيّةٍ متاحة لإنتاجِ أو جمعِ كميّاتٍ كبيرةٍ من المادّةِ المضادّةِ تكفي لتطبيقِ ذلك. ومع هذا، فقد قامَ عددٌ قليلٌ من الباحثين بدراسةِ محاكاةٍ للدّفعِ باستخدام المادّة المضادّة وطرقِ تخزينها. ومن الأمثلة على أولئك العلماءِ رونان كين و وي - مينغ تشانغ، اللذان يعملانِ في أكاديميّةِ ويسترن ريزيرف وجامعةِ ولاية كينت، على الترتيب، ومارك ويبر وزملاؤه في جامعةِ ولاية واشنطن.

المصدر: هنا