Published in: الفيزياء

القوة الخامسة في الكون

Author د. هالة وتار

Published on: 1 مايو، 2024

د. هالة وتار

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

كل شيءٍ في الكون يتمُّ التحكم به من قبل أربعة قوىً طبيعية أساسية فقط، وهي: القوى النووية القوية، والقوى النووية الضعيفة، والقوى الكهرومغناطيسية، وقوى الجاذبية، فالقوى النووية القوية هي المسؤولة عن تماسك النوى في الذرات، والتي تربط الكوركات مع بعضها لتشكل البروتونات والنيوترونات، بينما القوى النووية الضعيفة هي التي تشرح التفككات النووية، كالتفكك الإلكتروني، وتفكك الكثير من الجسيمات غير المستقرة، مثل: البيونات، والميونات، وغيرها.

القوى الكهرومغناطيسية هي المسؤولة عن إبقاء الجزيئات مترابطةً لتشكل المادة، والتي تعمل بين الجسيمات التي تحمل شحنةً كهربائية، بينما قوى الجاذبية مسؤولة عن جذب الكواكب لبعضها البعض، والتي تؤثر على الأجسام التي تملك كتلةً أو طاقة.

لماذا تمّ التفكير بوجود قوةٍ خامسة في الكون؟

ما تفسير وجود مادةٍ أكثر من المادة المظلمة في الكون؟

ما طبيعة المادة المظلمة؟

ما هي الطاقة المظلمة؟

كيف حدث التضخم الكوني لتهيئة الظروف للانفجار العظيم؟

لإيجاد تفسيرٍ وإجاباتٍ للأسئلة السابقة لابدّ من وجود قوةٍ خامسة في الكون.

ما الأدلة على وجود القوة الخامسة في الكون؟

1- إن دراسة تفاصيل الحركات الدقيقة للكويكبات ضمن المجموعة الشمسية، والتي كشفت عن وجود جسيماتٍ خفية ودقيقة، وفسرت بعض أسرار الكون، مثل: طبيعة المادة المظلمة (Dark Matter) في الكون، والطاقة المظلمة (Dark Energy) المسؤولة عن تمدُّد الكون، حيث تشكل المادة المظلمة 80 بالمئة من كتلة الكون، ولكنها غير مرئية.

وإن الجسيمات المكونة للمادة المظلمة تخضع لقوى الجاذبية، وقد دفعت الباحثون في مجال الفضاء إلى التنبُّؤ بوجود قوةٍ خامسة في الكون تفسر طبيعة حركة الأجسام الفلكية من خلال دراسة حركة الكويكبات التي يمكن أن تؤثر على الأجرام السماوية من مسافاتٍ بعيدةٍ جداً، وتؤثر على حركتها ضمن النظام الشمسي. لقد تمّ التركيز على تتبُّع حركة الكويكبات القريبة من الأرض التي يمكن أن يسبّب اصطدامها بكوكبنا خطورة، ولحماية الأرض من تأثيراتها الكارثية.

2- من الدراسة التي أجريت في مختبر فيرميلاب (Fermilab) على جسيماتٍ تدعى البيونات، ومن رصد حركة هذه الجسيمات في مجال مغناطيسي، وجد أن هذه الجسيمات تدور حول محور المجال المغناطيسي، بحركةٍ تذبذبية وبترددٍ معين. لكن هذه الحركة لا تتوافق مع أسس النموذج المعياري (Standard Model)، مما فسر بأنه يجب أن تكون هناك قوة خامسة في الكون تتحكم في تلك الجسيمات إضافةً للقوى الطبيعية الأربع.

البيونات (Pions): تتشكل عندما تصطدم النوى الذرية القادمة من الفضاء الخارجي بطبقات الجو العليا، والتي تتحلل إلى ميونات (Muons) موجبة وسالبة الشحنة.

3- أجرى باحثون التجربة التالية: قاموا بقذف شريحةٍ من الليثوم (Li-7) بحزمةٍ من البروتونات، فتشكلت نواة مثارة من البيريليوم (Be -8)، ونتج عن تفكك هذه النواة أزواج من الإلكترونات والبوزيترونات (يُعتبر البوزيترون الجسم الضديد للإلكترون).

وفق النموذج المعياري يجب أن ينخفض عدد أزواج الإلكترونات والبوزيترونات، كلما ازدادت الزاوية التي تفصل بين المسارين الذي يسلكهما كل من الإلكترون والبوزيترون، لكن لوحظ أن عند الزاوية 140 درجة حصلت قفزة في عدد هذه الأزواج، وهذا يناقض النموذج المعياري، لذلك تمّ اقتراح وجود جسيمٍ كتلته حوالي 17 مليون إلكترون فولت، وهي ليست الكتلة المتوقعة لفوتون الظلام.

الباحثون في جامعة كاليفورنيا وضعوا فرضيةً جديدة، وهي أن هذا الجسيم الجديد المفترض، والتي لم تتبناه أي من النظريات القائمة، وهذا أمرٌ منطقي، كون أن هذا الجسيم ذات كتلةٍ صغيرةٍ جداً، ومن السهولة اكتشافه إذا كان يخضع لقوانين الفيزياء المعروفة، وبما أن وجود هذا الجسيم مازال افتراضياً، فيعني ذلك أن هذا الجسيم يخضع لقوانين جديدة أو قوة غير القوى الأربعة الطبيعية المعروفة في الكون.

4- تمكن باحثون في مخبر Fermilab في عام 2021 من إجراء تجربةٍ أسموها Muon-g2 توصلوا من نتائج هذه التجربة إلى مؤشراتٍ تشير إلى قرب اكتشاف قوةٍ خامسة في الكون، وتتعارض مع النموذج المعياري لفيزياء الجسيمات الذي لا يحتوي على قوة الجاذبية. ^{[1] [2] [3]}

ما هي الميونات؟

نشر يوكاوا نظرية في عام 1935، يقترح فيها تبادل جسيمات بين النيوكلونات تحمل القوة النووية القوية ذات مدى قصير (10^-15) متر. بدأ العلماء بالبحث عن هذه الجسيمات في عام 1937من دراسة الإشعاع الكوني بوضع لوحٍ من الرصاص في حجرةٍ ضبابية لدراسة فقدان الطاقة للإشعاع الكوني عند مروره فيها، فبينت بعض الصور المأخوذة للحجرة تولُّد جسيماتٍ مؤينة (أي قادرة على إنتاج أيوناتٍ نتيجة تفاعلها مع المادة) جديدة، وهي: ^[4]

● لا تعتبر بروتونات (لأن الأيونات المتولدة عن هذه الجسيمات أقل من تلك الناتجة عن البروتونات).

● لا تعتبر إلكترونات (لأن معدل فقدانها للطاقة أقل من معدل فقدان الإلكترونات للطاقة).

● كما بينت الدراسات المغناطيسية أن هذه الجسيمات قد تكون موجبةً أو سالبة الشحنة وكتلها أكبر 207 مرة من كتلة الإلكترون أي حوالي 106 مليون إلكترون فولت، أطلق على هذه الجسيمات حينها تسمية الميونات (Muons)  اعتقد العلماء أن هذه الجسيمات لا يمكن أن تكون ميزونات يوكاوا، وذلك للأسباب التالية:

1- تملك هذه الجسيمات مدى طويل يبلغ عدة أمتار، أما ميزونات يوكاوا، فيجب أن يكون مداها في حدود قطر النواة (10-15) متر.

2- هذه الجسيمات غير مستقرة، لكنها تملك فترة حياةٍ طويلة مقارنةً مع فترة حياة الجسيمات الأولية الأخرى، وتساوي 2.2 ميكرو ثانية.

3- تتفاعل هذه الجسيمات مع المادة من خلال التأثيرات المتبادلة الضعيفة (يمكنها المرور من الغلاف الجوي كله دون حدوث أي تفاعل)، وكذلك من خلال التأثيرات المتبادلة الكهرومغناطيسية، أما ميزونات يوكاوا فذات تفاعلٍ قوي جداً هو التفاعل النووي القوي بين النيوكلونات.

4- تحمل شحنة كهربائية، وتمتلك عزم زاوي أي لديها عزماً مغناطيسياً صغيراً، حيث تمكن العاملون في مخبر فيرمي لاب من تجميع مليارات الميونات في حلقة تخزين، موضوعة ضمن مجالات كهربائية ومغناطيسية، وتمّ قياس كيفية تذبذب محاورها المغناطيسية أثناء تحركها حول الحلقة.

5- إن الميونات الموجبة تتحلل إلى البوزيترون والنترينو وضديد النيترينو، بينما تتحلل الميونات السالبة إلى إلكترون ونترينو وضديد النترينو.

يتضمن حساب هذه التذبذبات في النموذج المعياري ما يسمّى بالجسيم الافتراضي، والذي لا يمكن رؤيته بشكلٍ مباشر، لكن يمكن أن يؤثر على النتائج. لقد اعتبر هذا الجسيم الافتراضي حاملاً للقوة الخامسة، ومعادلاً للفوتون الذي يحمل القوة الكهرومغناطيسية، لكنه لا يعتبر جزءاً من النموذج المعياري.