ما مدى سهولة تكوّن المادة المضادة؟

هل تسقط المادة المضادة كما تسقط المادة العادية؟ تختبر التجارب في مُبطِّئ البروتونات المضادة في سيرن، AD/ELENA، التناظرات الأساسية في الفيزياء باستخدام الهيدروجين المضاد: بروتون مضاد واحد مرتبط ببوزيترون واحد، الصورة المرآوية لذرة الهيدروجين. ومن بينها تجربة GBAR — “السلوك الثقالي للمادة المضادة في حالة السكون” (Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest) — المصمَّمة لقياس تسارع الهيدروجين المضاد في جاذبية الأرض.

طريق GBAR غير مألوف. فالتجارب الأخرى تُجمّع الهيدروجين المضاد بخلط البروتونات المضادة والبوزيترونات في مصيدة. أما GBAR فتخطّط لخطوتين من تبادل الشحنة مع البوزيترونيوم (Ps)، وهو ذرة غريبة مكوّنة من إلكترون وبوزيترون:

1. p̄ + Ps → H̄ + e⁻: يلتقط بروتون مضاد البوزيترون فيصبح هيدروجينًا مضادًا؛
2. H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: يلتقط الهيدروجين المضاد بوزيترونًا ثانيًا فيصبح أيونًا موجبًا.

يمكن تبريد هذا الأيون بأيونات البريليوم، ثم ينتزع ليزر البوزيترون الزائد، فتبقى ذرات هيدروجين مضاد عند نحو 10 ميكروكلفن — باردة بما يكفي لتجربة سقوط حر.

معرفة الاحتمالات

كان التعاون البحثي قد أظهر عام 2023 أن الخطوة 1 تنجح مع البوزيترونيوم في حالته الأرضية. لكنه لم يستطع تحديد مدى احتمال حدوث التفاعل — وهي كمية يسمّيها الفيزيائيون المقطع العرضي (cross section)، أي مساحة الهدف الفعلية التي يجب أن يصيبها البروتون المضاد. ومن دونها، لا يستطيع أحد التنبؤ بعدد الذرات التي ستنتجها التجربة الكاملة.

أما التفاعل المكافئ بالمادة العادية — بروتون يأخذ بوزيترونًا ليصبح هيدروجينًا — فلم يُقَس إلا مرة واحدة، على يد ميريسون وزملائه عام 1997، بين 11 و16 كيلو إلكترون فولت.

حزمتان في تجويف صغير

منذ عام 2023، حسّن الفريق معدّل إنتاجه عشرة أضعاف. فمن جهة، تُكدَّس البوزيترونات القادمة من مسرّع صغير في مصائد: نحو 300 مليون بين طلقتين من البروتونات المضادة، كل دقيقتين. ويصل نحو 100 مليون منها إلى تجويف عرضه نحو 2 ملّيمتر وطوله 2 سنتيمتر، مبطّن بسيليكا مسامية تحوّل بعضها إلى بوزيترونيوم. وتترك كل طلقة سحابة شبه محصورة من نحو 6 ملايين ذرة بوزيترونيوم.

ومن الجهة الأخرى، يسلّم ELENA رزمًا من 12 مليون بروتون مضاد. يبطّئها GBAR ويحتجزها ويبرّدها بالإلكترونات، ثم يطلق رزمًا من 5–6 ملايين عبر التجويف بطاقة 4 أو 6 كيلو إلكترون فولت، في توقيت يجعلها تعبر سحابة البوزيترونيوم. وأي هيدروجين مضاد يُنتَج يكون متعادلًا كهربائيًا: فيطير مستقيمًا نحو كاشف على بُعد 1.6 متر في اتجاه الحزمة، بينما تُحرَف البروتونات المضادة المتبقية بعيدًا.

مئات الذرات المضادة، ورقم واحد

بمقارنة آلاف الطلقات مع البوزيترونات ومن دونها، أحصى الكاشف 379 ± 35 ذرة هيدروجين مضاد عند 6 keV و69 ± 19 عند 4 keV — أي نحو 392 و71 بعد تصحيح كفاءة الكاشف. وبالجمع مع إحصاءات دقيقة للبروتونات المضادة وذرات البوزيترونيوم المعنية، ولمدى تداخل النبضتين في المكان والزمان، يُستخرَج المقطع العرضي:

• (14.1 ± 1.3) × 10⁻¹⁶ سم² عند 6.2 keV؛
• (8.7 ± 2.4) × 10⁻¹⁶ سم² عند 4.15 keV (هوامش عدم يقين إحصائية؛ أما هوامش عدم اليقين المنهجية فمدرجة على حدة في الورقة).

إنه أول قياس لمقطع عرضي لتبادل الشحنة أُجري بحزم البروتونات المضادة، وبهوامش عدم يقين أصغر من قياس عام 1997 بالمادة العادية.

النظرية تجتاز الاختبار

تعارضت الحسابات المبكرة المبنية على ما يُعرف بتقريب بورن (Born approximation) فيما بينها — وهذا غير مفاجئ، كما يشير المؤلفون، لأن طاقة التصادم في إطار مركز الكتلة لا تتجاوز نحو 6.5 إلكترون فولت عند 6 keV. وهناك طريقتان حديثتان تحلّان المسألة الكمومية الكاملة للأجسام الثلاثة: طريقة الاقتران القريب المتقارب (Convergent Close Coupling) ومعادلات فادييف–ميركورييف. وهما تتفقان فيما بينهما، ويفيد الفريق بأنهما تُظهران “توافقًا ممتازًا” مع البيانات الجديدة.

التالي: الأيون، ثم السقوط

هذا ليس بعدُ اختبارًا للجاذبية. فالخطوة التالية لـGBAR هي قياس التفاعل الثاني، الذي يبني أيون الهيدروجين المضاد، بدءًا بنظيره من المادة العادية باستخدام أيونات الهيدروجين السالبة من ELENA. ومعًا، سيحدّد المعدّلان عدد الذرات فائقة البرودة التي تستطيع التجربة إسقاطها — ومن ثمّ مدى الدقة التي ستتمكّن بها من معرفة ما إذا كانت المادة المضادة تسقط كما تسقط المادة.