لماذا الكون أعسر؟

في كوننا ، انعكاس اليد اليسرى يبدو أنه اليد اليمنى. معظم قوانين الطبيعة متناظرة حول الصور المرآة وتطيع نفس القوانين - باستثناء التفاعلات الضعيفة. لسبب ما ، تتفاعل الجسيمات اليسرى فقط بشكل ضعيف ، ولكنها لا تتفاعل مع الجسيمات اليمنى.



لوّح بيدك في المرآة وراجع انعكاسك إليك. ومع ذلك ، فإنه سيفعل ذلك باليد المعاكسة لتلك التي تستخدمها. بالنسبة لمعظمنا ، هذه ليست مشكلة - يمكننا أن نلوح باليد الأخرى ، والانعكاس ، بدوره ، سوف يلوح بالعكس. لكن بالنسبة للكون ، تعمل بعض التفاعلات فقط مع الجسيمات اليسرى - على وجه الخصوص ، للجسيمات التي تعاني من تفاعلات ضعيفة . بغض النظر عن الكيفية التي بحثنا بها ، لم نتمكن من العثور على إصداراتهم ذات الجانب الأيمن.



لكن لماذا؟ أين توجد هذه الخاصية في الكون ، ولماذا لا تظهر إلا في حالة ضعف التفاعل؟ بعد كل شيء ، التفاعلات القوية والكهرومغناطيسية والجاذبية متناظرة بشكل مثالي فيما يتعلق بتكوينات الجانب الأيسر والجانب الأيمن. تم التحقق من هذه الحقيقة في العلوم في العديد من التجارب ، ويجري بالفعل إعداد تجارب جديدة للتحقق منها بعمق أكبر. وعلى الرغم من أن فيزياء النموذج المعياري موصوفة جيدًا ، لا أحد يعرف حقًا سبب عمل الكون بهذه الطريقة. إليكم ما نعرفه حتى الآن.





التغلب على الحاجز الكمومي يسمى تأثير النفق . هذه إحدى الخصائص الغريبة لميكانيكا الكم. للجسيمات الكمومية نفسها أيضًا خصائصها المتأصلة - الكتلة والشحنة والدوران - التي لا تتغير بعد القياسات.



تخيل نفسك كجسيم. عندما تتحرك في الفضاء ، لديك خصائص كمية معينة مثل الكتلة والشحنة. وليس لديك أيضًا الزخم الزاوي فيما يتعلق بجميع الجسيمات (والجسيمات المضادة) من حولك ، ولكن أيضًا الزخم الزاوي الداخلي فيما يتعلق باتجاه حركتك - الدوران . تحدد خصائصك ، مثل الجسيمات ، تمامًا نوع الجسيم الذي أنت عليه.



باستخدام يديك ، يمكنك تخيل نسختين من نفسك - أعسر وأيمن. أولاً ، وجه كلا إبهاميك إلى جانب واحد - كلا الجانبين ، ولكن واحد. اضغط على باقي أصابعك. إذا نظرت الآن إلى الإبهام بحيث يتم توجيههما نحوك ، فسترى كيف تختلف الدورات - كل الجسيمات اليسرى من وجهة النظر هذه "تدور" في اتجاه عقارب الساعة [تدور ضد الحركة] ، والجسيمات اليمنى عكس اتجاه عقارب الساعة [يتم توجيه الدوران بالحركة].





الاستقطاب الأيسر متأصل في 50٪ من الفوتونات ، والاستقطاب الأيمن متأصل في الـ 50٪ الأخرى. عندما يتم إنشاء زوج من الجسيمات (أو زوج من الجسيمات المضادة للجسيمات) ، يتم دائمًا تلخيص دورانها (زخمها الزاوي الداخلي) مع الحفاظ على الزخم الزاوي الكلي للنظام. لا يوجد شيء يمكنك القيام به لتغيير استقطاب جسيم عديم الكتلة مثل الفوتون.



في معظم الأوقات ، لا يهتم الفيزيائيون بالدوران الخاص بك - تظل جميع القوانين والقواعد كما هي. يخضع الجزء العلوي لنفس قوانين الفيزياء ، بغض النظر عما إذا كان يدور في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة. يخضع الكوكب لنفس القواعد ، فهو يدور حول محور على طول أو عكس اتجاه الحركة في المدار. إن مرور الإلكترون "المغزلي" إلى مستوى الطاقة الأدنى في الذرة سيصدر فوتونًا بغض النظر عن اتجاه دورانه. في جميع الظروف تقريبًا ، يُقال إن قوانين الفيزياء متناظرة بين اليسار واليمين .



"التناظر المرآة" هو واحد من ثلاث فئات أساسية للتناظر يمكن تطبيقها على الجسيمات وقوانين الفيزياء. في النصف الأول من القرن العشرين ، كنا نعتقد أنه كانت هناك دائمًا تناظرات محفوظة ، ثلاثة منها:

• تناظر التكافؤ المكاني (P) ، والذي وفقًا لقوانين الفيزياء هي نفسها لكل من الجسيمات وانعكاساتها المرآة.
• تناظر الشحنة © ، والذي بموجبه تكون قوانين الفيزياء هي نفسها للجسيمات والجسيمات المضادة.
• التناظر فيما يتعلق بانعكاس الوقت (T) ، والذي وفقًا لقوانين الفيزياء لا تتغير اعتمادًا على ما إذا كان النظام يتحرك للأمام أو للخلف في الوقت المناسب.

وفقًا لجميع القوانين الكلاسيكية للفيزياء ، وكذلك النسبية العامة وحتى الديناميكا الكهربية الكمية ، يتم الحفاظ دائمًا على هذه التناظرات.







الطبيعة ليست متناظرة للجسيمات / الجسيمات المضادة ، للانعكاسات المرآوية للجسيمات ، أو كل هذه الخصائص في وقت واحد. قبل اكتشاف تحطيم النيوترينوات في تناظر المرآة ، كانت الجسيمات ضعيفة التفاعل فقط هي قواطع التماثل P.



لكن للتأكد من أن الكون متماثل حقًا لكل هذه التحولات ، عليك اختبارها بكل طريقة ممكنة. جاء أول تلميح إلى وجود خطأ في هذه الصورة في عام 1956 ، عندما اكتشفنا لأول مرة نيوترينوات تجريبياً. تم تقديم هذا الجسيم في عام 1930 بواسطة Wolfgang Pauli في شكل كم صغير محايد قادر على حمل الطاقة بعيدًا أثناء الاضمحلال الإشعاعي. بعد هذا الإعلان ، اشتكى باولي المقتبس كثيرًا: "لقد فعلت شيئًا فظيعًا. افترضت وجود جسيم لا يمكن اكتشافه ".



نظرًا لأنه تم التنبؤ بتفاعل النيوترينوات مع المادة العادية ، فقد تبين أن المقطع العرضي ضئيل للغاية ، ولم ير باولي أي طرق واقعية لاكتشافها. ومع ذلك ، بعد بضعة عقود ، لم يكن العلماء قادرين فقط على تقسيم الذرة - أصبحت المفاعلات النووية شائعة. وفقًا لباولي ، يجب أن تنتج هذه المفاعلات كميات كبيرة من الجسيمات المضادة للنيوترينو - مضادات النيترينو. تم بناء كاشف بالقرب من المفاعل النووي ، وتم اكتشاف أول مضاد نيوترينو في عام 1956 ، بعد 26 عامًا.







فريدريك رينز، إلى اليسار ، وكلايد كوان ، إلى اليمين ، عند عناصر التحكم في تجربة نهر سافانا ، حيث تم اكتشاف مضاد النيترينو الإلكتروني في عام 1956. جميع مضادات النترينو تستخدم في اليد اليمنى ، وجميع النيوترينوات أعسر ، دون استثناء. بينما يصف النموذج القياسي كل هذا بدقة ، لا يوجد سبب جوهري لذلك.



ومع ذلك ، لوحظ شيء مثير للاهتمام حول هذه النيوترينوات: فهي ، بدون استثناء ، كانت تستخدم يدها اليمنى ، وتم توجيه دورانها على طول حركتها. في وقت لاحق ، بدأنا في العثور على مضادات النترينو أيضًا ، ووجدنا أنهم جميعًا أعسر ، مع دوران خلفي.



قد يبدو أنه لا يمكن إجراء مثل هذه القياسات. إذا كان من الصعب للغاية اكتشاف النيوترينوات (ومضادات النوترينوات) لأنها نادرًا ما تتفاعل مع الجسيمات الأخرى ، فكيف يمكننا حتى قياس دورانها؟



الحقيقة هي أننا نتعلم دورانها ليس نتيجة للقياسات المباشرة ، ولكن كنتيجة لدراسة خصائص الجسيمات التي تظهر بعد التفاعل. هذا ما نفعله مع كل الجسيمات التي لا نستطيع قياسها بشكل مباشر ، بما في ذلك بوزون هيغز ، الجسيم الأساسي الوحيد المغزلي المعروف اليوم.







قنوات اضمحلال بوزون هيجز - تمت ملاحظتها وتوقعها بواسطة النموذج القياسي. يتضمن أحدث البيانات من تجارب ATLAS و CMS. صدفة لا تصدق ، لكنها مخيبة للآمال أيضا. بحلول عام 2030 ، سيكون المصادم LHC قد جمع بيانات أكثر بحوالي 50 مرة ، لكن الدقة في العديد من قنوات الانحلال ستظل عند مستوى نسبة مئوية قليلة. يمكن للمصادم الجديد زيادة الدقة بعدة أوامر من حيث الحجم ، وربما يكتشف وجود جسيمات جديدة.



كيف يتم ذلك؟



يتحلل بوزون هيغز أحيانًا إلى فوتونين ، يمكن أن يكون دورانهما +1 أو -1. ويترتب على ذلك أن دوران بوزون هيغز يمكن أن يكون 0 أو 2 ، لأن هذا سيكون مجموع أو فرق لفات الفوتونات. من ناحية أخرى ، في بعض الأحيان يتحلل بوزون هيغز إلى زوج كوارك / مضاد كوارك ، كل منهما له دوران + ½ أو. جمعهم وطرحهم يعطي 0 أو 1. لن يعطينا أحد هذه القياسات دوران بوزون هيغز ، لكنهما معًا يتركان قيمة واحدة محتملة ، 0.



تم استخدام تقنيات مماثلة لقياس دوران النيوترينوات ومضادات النيترينو ، ومما يثير الدهشة لمعظم العلماء أن الكون وانعكاسه المرآوي ليسا متماثلين. إذا وضعت مرآة أمام نيوترينو أعسر ، فسيكون انعكاسها يمينًا - كما في حالة اليد اليسرى ، والتي تبدو وكأنها في المرآة اليمنى. ومع ذلك ، لا يوجد في عالمنا نيوترينوات يمينية ، تمامًا كما لا توجد مضادات نيوترينوات أعسر. لسبب ما ، يهتم الكون.







إذا التقطت نيوترينوًا أو مضادًا للنيوترينو يتحرك في اتجاه معين ، فسترى أن الزخم الزاوي الداخلي يدور إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة ، اعتمادًا على ما إذا كان نيوترينوًا أم مضاد نيوترينو.



كيف نفهم كل هذا؟



توصل المنظّران Li Zhengdao و Yang Zhenning إلى فكرة قوانين التكافؤ ، وأظهروا أنه على الرغم من أن التكافؤ يبدو أنه تناسق مثالي ، يتم الحفاظ عليه في التفاعلات القوية والكهرومغناطيسية ، إلا أنه لم يتم اختباره بشكل صحيح في التفاعلات الضعيفة. تحدث التفاعلات الضعيفة عندما يتحول جسيم إلى آخر أثناء التحلل - يتحول الميون إلى إلكترون ، ويتحول الكوارك الغريب إلى إلكترون ، والنيوترون إلى بروتون (عندما يتحلل أحد كواركاته السفلية ويتحول إلى جسيم صاعد).



إذا تم الحفاظ على التكافؤ ، فإن التفاعلات الضعيفة (الكل وكل) ستسير على نفس المنوال بالنسبة للجسيمات ذات الجانب الأيسر والجسيم الأيمن. ولكن إذا تم انتهاكها ، فإن التفاعلات الضعيفة ستحدث فقط مع الجسيمات اليسرى. إذا كان بإمكانك فقط التحقق من هذا بشكل تجريبي ...







وو جيان شيونغ ، إلى اليسار ، فيزيائي تجريبي رائع وبارز. قام بالعديد من الاكتشافات المهمة التي أكدت (أو دحضت) العديد من التوقعات النظرية الهامة. لم تحصل على جائزة نوبل أبدًا.



في عام 1956 ، أخذ Wu Jianxiong عينة من الكوبالت 60 ، وهو نظير مشع للكوبالت ، وقام بتبريده إلى ما يقرب من الصفر المطلق. من المعروف أن الكوبالت -60 يتحول إلى نيكل -60 أثناء تحلل بيتا. يحول التفاعل الضعيف أحد النيوترونات في النواة إلى بروتون ، ينبعث خلاله إلكترون ومضاد نيوترينو. من خلال تطبيق مجال مغناطيسي على الكوبالت ، يمكن محاذاة دوران جميع الذرات.



إذا تم الحفاظ على التكافؤ ، فسيكون من الممكن مراقبة كل من الإلكترونات المنبعثة - المعروفة أيضًا باسم جسيمات بيتا - سيكون لها دوران متوازي ومضاد. إذا تم انتهاك التكافؤ ، فإن جميع الإلكترونات المنبعثة ستكون عكسية. لم تكن النتيجة الهائلة لتجربة وو أن جميع الإلكترونات المنبعثة كانت معاكسة للتوازي فحسب ، بل كانت أيضًا مضادة للتوازي قدر الإمكان من الناحية النظرية. بعد بضعة أشهر ، كتب باولي في رسالة إلى فيكتور فايسكوف : "لا أصدق أن الله رجل يساري ضعيف".







, – , . , . – «». .



ومع ذلك ، فإن الجسيمات اليسرى فقط هي التي تشارك في التفاعل الضعيف - على الأقل وفقًا لقياساتنا. في هذا الصدد ، يبرز سؤال مثير للاهتمام ، لم نقم بإجراء قياسات بشأنه بعد: عندما تشارك الفوتونات في التفاعل الضعيف ، هل يلعب كل من الفوتونات اليسرى واليمنى دورًا فيه ، أو الفوتونات اليسرى فقط؟ على سبيل المثال ، يتحول الكوارك اللطيف (ب) إلى كوارك غريب في تفاعلات ضعيفة ، والتي تحدث عادةً دون مشاركة الفوتونات. ومع ذلك ، فإن جزءًا صغيرًا من الكواركات b ، أقل من 1 في الألف ، سيتحول إلى كوارك s مع انبعاث الفوتون. هذه الظاهرة نادرة لكن يمكنك دراستها.



من المتوقع أن يكون مثل هذا الفوتون أعسرًا دائمًا. نعتقد أن التكافؤ في النموذج القياسي يعمل بهذا الشكل (كسر التفاعلات الضعيفة). ولكن إذا كان من الممكن أن يكون الفوتون في بعض الأحيان يمينًا ، فسيظهر صدع آخر في فهمنا الحالي للفيزياء. من بين تنبؤات نتائج هذا الاضمحلال ما يلي:

• استقطاب غير متوقع للفوتون ،
• النسبة المئوية لحالات التسوس المختلفة التي تختلف عن المتوقع ،
• انتهاك ثبات CP .

وأفضل ما في الأمر أن مثل هذه الفرص يمكن دراستها من خلال تعاون LHCb في CERN. في الآونة الأخيرة ، قاموا للتو بتثبيت الحد الأكثر صرامة على الإطلاق لإمكانية الفوتونات اليمنى. إذا انحني الرسم البياني أدناه ، نتيجة لمزيد من التجارب ، بحيث لم يعد يتضمن الأصل (0 ، 0) ، فهذا يعني أننا اكتشفنا فيزياء جديدة.





يجب أن تظل الأجزاء الحقيقية والخيالية لمعاملات ويلسون اليمنى (C7-Prime) واليسرى (C7) في فيزياء الجسيمات حول النقطة (0 ، 0) حتى يظل النموذج القياسي صحيحًا. تساعد قياسات الاضمحلال المختلفة التي تنطوي على الكواركات b والفوتونات على فرض أشد القيود صرامة على هذه الشروط. في المستقبل القريب ، يهدد التعاون في LHCb بإجراء قياسات أكثر دقة.



يمكننا بالتأكيد أن نقول أن الكون متماثل بشكل مثالي فيما يتعلق بالصور المرآة ، واستبدال الجسيمات بجسيمات مضادة ، وهو اتجاه الوقت الذي تتكشف فيه العمليات - لجميع التفاعلات والقوى ، باستثناء واحدة. في التفاعلات الضعيفة ، وفيها فقط ، لا يتم الحفاظ على هذه التناظرات. تظهر جميع القياسات التي أخذناها أن باولي كان سيبقى في حيرة من أمره اليوم. بعد 60 عامًا من الاكتشاف الأول لكسر التناظر ، يبدو أن التفاعلات الضعيفة مرتبطة فقط بالجسيمات اليسرى.



نظرًا لأن النيوترينوات لها كتلة ، فإن إحدى أكثر التجارب المدهشة هي تلك التي يمكننا فيها الاقتراب جدًا من سرعة الضوء. ثم نتخطى النيوترينو الأيسر بحيث يتغير دورانه من وجهة نظرنا إلى الآخر. هل سيظهر الجسيم فجأة خصائص مضادات النيترينو اليمنى؟ أم أنها ستصبح أعسرًا ولكنها لا تزال تتصرف مثل النيوترينو؟ مهما كانت الخصائص التي اتضح أنها تمتلكها ، فقد تكشف لنا معلومات جديدة حول الطبيعة الأساسية للكون. حتى ذلك اليوم ، كانت أفضل فرصة لدينا لمعرفة ما إذا كان الكون أعسرًا كما يبدو لنا هي القياسات غير المباشرة. مثل هذه التجربة جارية الآن في CERN ، حيث يبحثون عن تحلل بيتا مزدوج عديم النيوترونات .