هل تتعامل الجاذبية مع الجميع بالعدل؟
إليك فكرة مثيرة للاهتمام: لو أسقطت كرة بولينج وريشة في فراغ، ستصل الأرض في نفس اللحظة بالضبط. غاليليو اكتشف هذا منذ قرون، وآينشتاين بنى نظريته الكاملة عن الجاذبية على هذا الأساس. سماها مبدأ التكافؤ، وهو العمود الفقري لفهمنا للكون.
لكن المشكلة؟ اختبرنا هذا المبدأ دائمًا مع المادة "العادية" فقط. البروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات. الأشياء التي نشاهدها ونلمسها يوميًا.
ماذا عن أقارب هذه الجسيمات الأثقل والأغرب؟ هل يسقطون بنفس الطريقة؟
هذا بالضبط ما أراد فريق في ETH زيوريخ ومعهد بول شيرر في سويسرا اكتشافه — باستخدام أحد أغرب الجسيمات في الكون.
تعرّف على الميون
الميون هو كالكترون بدين. نفس الشيء بالضبط، لكنه أثقل بـ 200 مرة. وهنا يصبح الأمر مثيرًا: الفيزيائيون لا يعرفون لماذا توجد هذه "أجيال" أثقل من الجسيمات أصلاً.
النموذج القياسي — أفضل نظريتنا عن كيفية عمل الجسيمات — يصف ثلاثة أجيال من المادة. الجيل الأول: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات المألوفة. الجيل الثاني: الميونات وأصدقاؤها. الجيل الثالث: أشياء أثقل تسمى جسيمات تاو.
"لكن لماذا لدينا هذه الأجيال الإضافية أصلاً؟ ولماذا ثلاثة بالضبط؟"
سؤال عظيم أليس كذلك؟ لا نعرف. وهذا الغموض قاد الفريق للتساؤل: ربما هذه الجسيمات الأثقل لا تستجيب للجاذبية بنفس طريقة أخفائها. ربما افترضنا الشيء الخاطئ طوال هذه المدة.
المشكلة في اختبار الجاذبية على الميونات
تريد اختبار هل الميونات تسقط بنفس معدل الإلكترونات؟ بسيط أليس كذلك؟ فقط أسقط بعض الميونات وشاهد ما يحدث.
لو فقط كان الأمر بهذه السهولة.
المشكلة الأولى: الميونات قصيرة العمر. تعيش فقط نحو 2.2 ميكروثانية قبل أن تتحلل إلى جسيمات أخرى. هذا 0.0000022 ثانية. لا يمكنك إعداد تجربة إسقاط هادئة لجسيم يختفي بهذه السرعة.
المشكلة الثانية: لو استخدمت ميون مشحون، أي مجالات كهرومغناطيسية عابرة ستفوق قوة الجاذبية الصغيرة التي تحاول قياسها. الجاذبية ضعيفة، أليس كذلك؟ تتأثر بسهولة.
الحل؟ اصنع المونيوم.
بناء أغرب ذرة على الإطلاق
المونيوم يبدو كشيء من فيلم خيال علمي، لكنه حقيقي. خذ مضاد-ميون موجب الشحنة وادمجه مع إلكترون سالب الشحنة. ماذا تحصل؟
ذرة متعادلة، هجين من المادة والمادة المضادة.
التعادل مهم جدًا لأن المجالات الكهرومغناطيسية لن تتداخل مع قياس الجاذبية. وبما أن المونيوم متعادل كهربائيًا، يمكن للفريق مراقبته وهو يسقط.
لكن تبقى مشكلة السرعة. الطرق التقليدية أنتجت ذرات مونيوم تتحرك في كل الاتجاهات بسرعات عشوائية — غير مفيدة تمامًا للقياسات الدقيقة.
الاختراق جاء عندما اكتشف الباحثون طريقة لإنتاج "مونيوم بارد": ذرات تتحرك جميعها بسرعة شبه متساوية وفي نفس الاتجاه تقريبًا. هذا ما يجعل تجربة الجاذبية ممكنة فعليًا.
إطلاق الذرات بمدفع ذري
هنا يصبح الأمر رائعًا حقًا. لإنشاء حزمة المونيوم البارد، يستخدم الفريق هيليوم فائق السيولة مبردًا لدرجة قريبة جدًا من الصفر المطلق — نحو ناقص 273 درجة مئوية.
الهيليوم فائق السيولة سائل كمّي حيث تفقد الذرات هويتها الفردية ويتحول السائل إلى مادة بدون احتكاك تمامًا. كما أنه لا يتحمل أي شوائب. فكر فيه كانه منتقاد السوائل.
عندما يدخل مضاد-الميونات من معجل PSI القوي هذا الهيليوم، يبطئون. وعندما يمسك مضاد-ميون بإلكترون حر مكوّنًا المونيوم، يحدث شيء رائع: الكمون الكيميائي داخل السائل يعمل كمحرك صاروخي صغير، يدفع الذرة الجديدة للأعلى عبر السطح.
الباحث الرئيسي جيسي زهانغ يصفه بشكل جميل: "نستخدم الكمون الكيميائي كمدفع ذري."
أحب هذا التعبير. مدفع ذري يطلق ذرات غريبة عبر سائل كمّي لاختبار نظرية آينشتاين. العلم رائع.
ماذا بعد؟
الفريق يبني تداخلًا ضوئيًا — جهاز يستخدم خصائص موجية للذرات لقياس تأثيرات صغيرة جدًا. عندما ترتفع ذرات المونيوم وتسقط تحت جاذبية الأرض، سيكتشف التداخل أي تغييرات طفيفة في أنماطها الموجية.
إذا كان آينشتاين محقًا ومبدأ التكافؤ ينطبق أيضًا على جسيمات الجيل الثاني، يجب أن يتصرف المونيوم تمامًا مثل المادة العادية الساقطة في حقل جاذبي.
لكن لو كان هناك أي انحراف صغير؟ هذا سيكون حدثًا ضخمًا. نتحدث عن مجال لجائزة نوبل وإعادة كتابة كتب الفيزياء.
بصراحة، أتمنى أن يجدوا شيئًا. ليس لأنني أريد آينشتاين أن يكون مخطئًا، لكننا نختبر مبدأ التكافؤ مع نفس أنواع المادة منذ قرون. حان وقت التوسع. حان وقت لمعرفة هل الكون يعامل جميع جسيماته بعدالة، أم فقط تلك التي نعرفها.
هذه التجربة قد تساعدنا أخيرًا في فهم لماذا أزعج الكون نفسه بإنشاء أجيال متعددة من المادة أصلاً. هذا أمر مهم جدًا لجسيم لا يعيش سوى 2.2 ميكروثانية.
أحيانًا أقصر الأشياء عمرًا تعلم أعظم الدروس.