الكتاب/ فيزياء الجسيمات

المؤلف/ فرانك كلوس  

الفصل والصفحة/

ظهرت الكواركات الأجزاء الأساسية للمادة النووية، نتيجة الانفجار العظيم، وذلك إلى جانب الإلكترونات، ثم برد الكون سريعًا بحيث تمكَّنَتِ الكواركات من التجمع معا مكونة البروتونات. وقد حدثت العمليات التالية:

إلكترون + بروتون ⇌ نيوترون + نيوترينو

السهم المزدوج الموضوع هنا هدفه إيضاح أن هذه العملية تحدث في أي من الاتجاهين. النيوترون أثقل قليلا من الكتلة المجتمعة للبروتون والإلكترون؛ لذا كان الاتجاه «الطبيعي» للعمليات هو من اليسار إلى اليمين إذ إن النيوترون يميل بطبيعته إلى تقليل كتلته الإجمالية، مُطلقًا الطاقة حسب المعادلة «الطاقة = الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء». لكن حرارة الكون كانت عالية للغاية لدرجة أن الإلكترونات والبروتونات كانت تتمتع بقدر كبير من طاقة الحركة يجعل طاقتها الإجمالية تتجاوز الطاقة الحبيسة داخل كتلة النيوترون (الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء). وهكذا في ظل هذه الظروف كان من الممكن أن تسير العملية في سهولة من اليسار إلى اليمين (أي أن يتحول الإلكترون والبروتون إلى نيوترون ونيوترينو)، مثلما كانت تسير في اتجاه تحويل النيوترون والنيوترينو إلى بروتون وإلكترون ذوي شحنة كهربية. في هذه الظروف نقول إن الكون كان في حالة من التوازن الحراري.

لكن الكون كان آخِذٌا في البرودة بسرعة، وهو ما جعل من العسير استمرار عملية إنتاج النيوترونات وبعد ميكروثانية كان الكون قد برد إلى نقطة تجمد معها تفاعل إنتاج النيوترونات فعليًّا. أما التفاعل الذي استمر فهو كالتالي:

نيوترون ← بروتون + إلكترون + نيوترينو مضاد

إبان هذه الحقبة، فنيت كل النيوترونات التي قد أُنتجت في الحرارة المبدئية للكون. وكل عشر دقائق كان يقل عددها إلى النصف (نقول إن لها عمر نصف قدره عشر دقائق). لم يعد هناك من الطاقة ما يكفي لإحلالها، لكن لم تفنّ كل النيوترونات؛ إذ اصطدمت بعض النيوترونات السعيدة الحظ ببروتونات، ومن ثُمَّ اندمجت معها كي تؤلف الديوترون (منظومة متحدة من بروتون وحيد ونيوترون وحيد، وهو أثقل من البروتون والنيوترون منفردين).

في هذه المرحلة، كان الكون بأسره يمر بما تمر به الشمس في وقتنا الحالي؛ إذ كانت البروتونات والديوترونات تبني ذرات الهليوم. ظل هذا يحدث إلى أن انتهت كل النيوترونات نهائيًا، أو صارت الجسيمات الموجودة داخل الكون المتمدد بعيدة بعضها عن بعض، بحيث استحال عليها التفاعل معا.

بعد انقضاء ميكروثانية واحد على الانفجار العظيم كانت كل النيوترينوات التي أُنتجت في هذه التفاعلات حرة؛ ومن ثَمَّ صارت هذه النيوترينوات أولى البقايا الحفرية للكون، وقد تحرَّكت بسرعة عالية وتسببت كتلتها، رغم ضالتها في قدر كاف من الجذب بين الهادرونات بحيث صارت تتكتل معًا، وهو ما أسهم في تكون المجرات. يُنتج نحو مليار نيوترينو مقابل كل ذرة يتم تكوينها، ولهذا تُعَدُّ النيوترينوات من أكثر الجسيمات وفرة في الكون، ورغم أننا نعرف على الأقل أن بعض أنواع النيوترينوات له كتلة، فإننا لا نعرف بعد مقدار هذه الكتلة. فلو أن كتلة النيوترينو تزيد عن بضعة إلكترون فولت؛ أي ما يوازي واحدًا على المليار من كتلة البروتون، فستهيمن كتلة النيوترينوات على كثافة كتلة الكون المادي؛ لهذا يمكن أن يكون تحديد كتلة النيوترينوات مسألة مهمة في التنبؤ بالمستقبل البعيد للكون. هل سيتمدد الكون إلى الأبد، أم سينهار على نفسه بفعل ثقله؟ لا نعرف الجواب يقينًا.

يواصل الكون تمدده وفقدان الحرارة، ومبادئ الفيزياء التي تحكم تمدده مشابهة نوعا ما لتلك التي تحكم سلوك الغاز الموضوع في وعاء حاو. يعتمد معدل التمدد على الضغط، والذي يعتمد على حرارة الغاز وعدد النيوترينوات داخل الغاز (كثافته)، هذا بدوره يعتمد على عدد أنواع النيوترينوات

بعد انقضاء ثلاث دقائق على الانفجار العظيم كانت مادة الكون تتألف في الأساس من الآتي: 75% بروتونات، 24% هليوم، ونسبة طفيفة من الديوترونات ومقادير ضئيلة من العناصر الخفيفة والإلكترونات الحرة.

اعتمدت وفرة الهليوم وغيره من العناصر الخفيفة على معدل تمدد الكون، والذي بدوره اعتمد على عدد أنواع النيوترينوات. المقدار المرصود من الهليوم يتماشى مع التنبؤات التي تقضي بوجود ثلاثة أنواع من النيوترينوات إن حقيقة أن قياسات البوزونات Z في مختبر سيرن قد أكدت وجود ثلاثة أنواع من النيوترينوات الخفيفة، تُظهر انسجاما استثنائيا بين قياسات فيزياء الجسيمات - التي تستنسخ الظروف التي كانت سائدةً في الحقبة المبكرة من عمر الكون - وبين ما استنتجه علماء الكونيات مما سبق.

تعتمد وفرة الديوتريوم على كثافة المادة «العادية» في الكون (ونعني بالعادية هنا المادة المكونة من نيوترونات وبروتونات مقارنةً بالأشياء العجيبة التي قد يحلم بها المنظرون، لكن ما من دليل تجريبي مباشر إلى الآن على وجودها، على غرار التناظر الفائق. ثمة اتفاق بين الأرقام جميعها، لكن شريطة أن تكون كثافة المادة العادية أقل بكثير من الكثافة الإجمالية لمادة الكون، وهذا جزء من لغز المادة المظلمة؛ فهناك مادة موجودة بالكون، لكنها ليست ساطعة، بل يتم استشعارها من واقع جاذبيتها التي تسحب النجوم والمجرات. ويبدو أن أغلب هذه المادة المظلمة مكون من مادة عجيبة لم نكتشف هويتها بعد.

بعد الانفجار العظيم بنحو 300 ألف عام، انخفضت حرارة الكون الإجمالية لما دون 10 آلاف درجة، وهذا مقارب لحرارة النطاقات الخارجية للشمس اليوم، أو أقل بقليل. في هذه الطاقات صارت الإلكترونات السالبة الشحنة الكهربية قادرة أخيرًا على الخضوع لقوة الجذب الكهربي لأنوية الذرات الموجبة الشحنة، ومن ثَمَّ فقد اتَّحدت معها مكونة الذرات المتعادلة الشحنة. تحرّر الإشعاع الكهرومغناطيسي وصار الكون شفافًا، بينما انطلق الضوء دون عائق في أرجاء الفضاء.

إلى الآن، تمدد الكون وبردت حرارته لنحو 10 إلى 15 مليار عام، والإشعاع الكهرومغناطيسي الذي كان فيما مضى حارًا صار يُكَوِّن الآن طيف جسم أسود ذا درجة حرارة قدرها نحو 3 درجات فوق الصفر المطلق. ويُعدُّ هذا الاكتشاف الذي قام به كلُّ من بنزياس وويلسون منذ نحو نصف القرن أحد أعظم الاكتشافات التي تدعم نظرية الانفجار العظيم، واليوم تكشف قياسات الدقة التي تجرى على هذا الطيف بواسطة الأدوات المحمولة على أقمار صناعية، عن تفاوتات طفيفة في الإشعاع الميكروي الكوني وهذه التفاوتات تشير إلى أوائل المجرات التي تكونت في الحقبة المبكرة من عمر الكون. وهكذا يكون لدينا فهم كمي، بل نوعي أيضًا للكيفية التي انتهت بها بذور المادة الأساسية داخل أجسادنا، لكن يظل هناك لغز يكتنف ظهورها بصحبة المادة المضادة في ذلك الانفجار العظيم، وهو: أين ذهبت المادة المضادة كلها؟ في مطلع القرن الحادي والعشرين، لا يزال هذا أحد الأسئلة التي ننتظر لها جوابًا.

مواضيع ذات صلة

Normal modes

Waves in three dimensions

Probability amplitudes for particles

The random walk

Nuclei and particles

الزخات الهوائية Air Showers

النيوترينات Neutrinos

النيوكليونات Nucleons

النوى الثقيلة Heavy Nuclei

المركبة الكهرومغناطيسية

الميونات Mouns

الأشعة الكونية الثانوية Secondary Cosmic Rays