يتتبع الفيزيائيون الجسيمات إلى الفراغ الكمي

يتتبع الفيزيائيون الجسيمات إلى الفراغ الكمي

بقلم كلارا موسكوفيتش حرره لي بيلينغز

ترسم فيزياء الكم صورة غريبة للعالم، مليئة بالارتباطات المخيفة، والشكوك المثيرة للقلق، وربما الأكثر غرابة من ذلك كله، الجسيمات التي تنبثق تلقائيًا إلى الوجود من الفراغ. ولهذه الجسيمات المزعومة “الافتراضية” تأثيرات غير مباشرة قام العلماء بقياسها من قبل. لكن الآن، ولأول مرة، تمكن الباحثون من تتبع تطور جسيمات شيء من لا شيء بشكل مباشر.

عثر الفيزيائيون في مصادم الأيونات الثقيلة النسبي (RHIC) في مختبر بروكهافن الوطني في لونغ آيلاند على أزواج من الجسيمات دون الذرية ذات ارتباط غريب في اتجاه دورانها. دوران الجسيمات هو خاصية كمومية يمكن أن تشير إما إلى الأعلى أو إلى الأسفل. سيكون لدى معظم مجموعات الجسيمات مزيج عشوائي من الدوران لأعلى ولأسفل، لكن الباحثين وجدوا أن نوعًا معينًا من الجسيمات المنتجة في المصادم غالبًا ما يأتي في أزواج ذات اتجاهات دوران متطابقة.

ويعتقد العلماء أن هذه الأزواج يجب أن تكون أحفادًا مباشرين لمجموعات من الجسيمات الافتراضية التي نشأت تلقائيًا من لا شيء من الفراغ الكمي.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، فكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

يقول الفيزيائي ديمتري خارزيف من جامعة ستونيبروك: “الفراغ في نظرية الكم ليس مساحة فارغة”. “إنه حقل مليء بالجزيئات الافتراضية.” هذه الجسيمات هي نتيجة لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، الذي ينص على أن بعض الخصائص المترابطة – مثل الطاقة وعمر الحالة الكمومية – لا يمكن معرفتها بدقة. إذا كانت الحالة الكمومية قصيرة جدًا جدًا، فإن طاقتها يمكن أن تكون غير مؤكدة إلى حد كبير. وهذا يعني أن أزواجًا من الجسيمات -الجسيم وشريكه من المادة المضادة- يمكن أن تنشأ لفترة وجيزة عن طريق استعارة الطاقة من لا شيء.

عادةً ما تختفي هذه الجسيمات على الفور تقريبًا مرة أخرى عن طريق إبادة بعضها البعض. ولكن ليس هذه المرة.

في RHIC، يقوم العلماء بدمج البروتونات معًا بسرعة تقارب سرعة الضوء لإنتاج انفجارات من الطاقة المذهلة. عندما ينشأ زوج من الجسيمات الافتراضية في الفراغ هناك، يمكنه الاستيلاء على طاقة الاصطدام المتاحة بحرية لتصبح حقيقية. يقول عالم الفيزياء في بروكهافن تشودونمينغ (كونج) تو، الذي شارك في قيادة الدراسة الجديدة: “عندما يتصادم جزيئين عند طاقات عالية، فإن ذلك يمنح الفراغ دفعة من الطاقة”. “الآن تحصل الجسيمات الافتراضية على دفعة دون الحاجة إلى العودة إلى الفراغ.”

وباستخدام كاشف الملف اللولبي في RHIC (STAR)، تمكن الفيزيائيون من تتبع هذه العملية. تفاصيل كيف، على أية حال، قد تجعل رأسك يدور.

ولأن هذه الجسيمات الحقيقية الجديدة نشأت كزوج، فهي متشابكة، وتحتفظ بالاتصال بغض النظر عن المسافة التي يمكن فصلها عنها. لذا، عندما تبتعدان بعد الاصطدام، فإنهما يشتركان في نفس اتجاه الدوران.

تتبعت التجربة أزواجًا من الكواركات الغريبة، وهي أبناء عمومة للكواركات العلوية والسفلية التي تشكل البروتونات والنيوترونات. الكواركات ليست مستقرة من تلقاء نفسها، لذلك عندما ظهرت الكواركات الجديدة إلى الوجود، انضمت بسرعة إلى غيرها لتشكل جسيمات متكتلة تسمى لامدا هايبرونات. هذه نسخ غريبة من البروتونات تحتوي على كوارك علوي وسفلي وكوارك غريب بدلاً من اثنين من البروتونات العلوية والسفلية.

لامدا، بدورها، ليست مستقرة جدًا. أنها تستمر لمدة حوالي 10 فقط^-10 ثواني، حيث تتحرك بضعة سنتيمترات داخل المصادم قبل أن تتحلل إلى جسيمات أكثر دنيوية يمكن لـ STAR رؤيتها.

يكشف اتجاه زخم جسيمات الاضمحلال عن دوران هايبرونات لامدا التي خلقتها. ويعتقد أن دوران لامدا يتحدد فقط من خلال دوران كواركاته الغريبة (لأن دوران كواركاته العلوية والسفلية يلغي).

عندما نظر الباحثون إلى قياساتهم، فوجئوا بمدى ارتباط هذه الجسيمات. يقول المؤلف المشارك جان فانيك، وهو فيزيائي في جامعة نيو هامبشاير: “يبدو أن دورانهما متوازي”. “يشير هذا إلى أننا نرى في الواقع أزواج الكواركات الفراغية الغريبة هذه الموجودة في هايبرونات لامدا.”

تؤكد هذه النتيجة تنبؤًا عمره 30 عامًا لخارزيف وزملائه بأن أزواج الجسيمات الافتراضية للكواركات الغريبة يجب أن يكون لها دوران متوازي. ويقول: “إنه أمر مثير لأنه يمكنك التوصل إلى أفكار نظرية معقولة في رأسك، لكنك لا تعرف أبدًا ما إذا كانت الطبيعة تتبع هذا أم لا”. “لذا فإن رؤية أن هذا قد تم قياسه أخيرًا في تجربة حقيقية هو أمر ممتع للغاية.”

من المفترض أن تساعد هذه النافذة الجديدة على الجسيمات الافتراضية في الإجابة على لغز كبير في الفيزياء النووية: من أين تأتي كتلة البروتون؟ الكواركات الثلاثة التي تشكل البروتونات تساهم فقط بكمية ضئيلة من الكتلة، ويعتقد أن الـ 99% الأخرى تنشأ من التفاعلات بين هذه الكواركات الحقيقية وأسراب الكواركات الافتراضية في الفراغ. يقول تو: «إذا تمكنا من تتبع زوج من الكواركات من جسيم افتراضي إلى جسيم حقيقي، فربما يمكننا الحصول على فكرة عن كيفية توليد هذه الكتلة من خلال التفاعل مع الفراغ».

يمثل هذا الاكتشاف أيضًا إنجازًا آخر لـ RHIC بينما يستعد المصادم للإغلاق. سيكون يوم الجمعة هو اليوم الأخير من الاصطدامات، بعد مسيرة قياسية استمرت 25 عامًا. سيتم إعادة استخدام أجزاء من الآلة في مصادم الإلكترون والأيونات الجديد المقرر أن يبدأ تشغيله في بروكهافن في منتصف ثلاثينيات القرن الحالي.

حان الوقت للدفاع عن العلم

إذا استمتعت بهذا المقال، أود أن أطلب دعمكم. العلمية الأمريكية لقد عمل كمدافع عن العلوم والصناعة لمدة 180 عامًا، وربما تكون اللحظة الحالية هي اللحظة الأكثر أهمية في تاريخ القرنين.

لقد كنت العلمية الأمريكية مشترك منذ أن كان عمري 12 عامًا، وقد ساعد ذلك في تشكيل الطريقة التي أنظر بها إلى العالم. SciAm يثقفني ويسعدني دائمًا، ويلهمني شعورًا بالرهبة تجاه عالمنا الواسع والجميل. وآمل أن يفعل ذلك بالنسبة لك أيضا.

إذا كنت الاشتراك في العلمية الأمريكيةأنت تساعد في ضمان أن تغطيتنا تركز على البحث والاكتشاف الهادف؛ وأن لدينا الموارد اللازمة للإبلاغ عن القرارات التي تهدد المختبرات في جميع أنحاء الولايات المتحدة؛ وأننا ندعم العلماء الناشئين والعاملين على حد سواء في وقت لا يتم فيه الاعتراف بقيمة العلم نفسه في كثير من الأحيان.

وفي المقابل، تحصل على الأخبار الأساسية، ملفات بودكاست آسرة، ورسوم بيانية رائعة، لا يمكنك تفويت النشرات الإخبارية ومقاطع الفيديو التي يجب مشاهدتها، ألعاب التحدي، وأفضل الكتابة والتقارير في عالم العلوم. يمكنك حتى إهداء شخص ما الاشتراك.

لم يكن هناك وقت أكثر أهمية بالنسبة لنا للوقوف وإظهار أهمية العلم. آمل أن تدعمونا في تلك المهمة.