جسيم منسي ربما أنقذ الكون من الاختفاء

ببساطة

بعد الانفجار العظيم، تكوّنت المادة ومضادّاتها بكميات متقاربة، وكان من الممكن أن يفني بعضها بعضًا. تقترح دراسة أن جسيمًا ثقيلاً شبيهًا بالنيوترينو عاش طويلًا بما يكفي ليغيّر ظروف الكون المبكر، وربما ساعد على بقاء فائض صغير من المادة. الفكرة ما تزال نظرية، وقد تترك آثارًا يمكن البحث عنها في موجات الجاذبية القديمة.

يبدو الكون اليوم ممتلئًا بالمادة: نجوم ومجرات وكواكب، بل وكل ما نعرفه من أشياء. لكن هذا المشهد الواسع يخفي سؤالًا محيّرًا: لماذا بقيت المادة أصلًا؟ فبحسب التصورات الفيزيائية، نشأت المادة ومضادّاتها في بدايات الكون بأعداد متقاربة، وعندما يلتقي جسيم من المادة بنظيره المضاد يتحولان إلى طاقة. لو كان التوازن بين الطرفين كاملًا، لكان معظم ما نعرفه قد اختفى في تلك المواجهات، ولما بقيت مادة كافية لصنع البنى الكونية.

قدّم فريق من جامعة ساوثهامبتون والمعهد الهندي للتكنولوجيا في كانبور تفسيرًا محتملًا يضيف عنصرًا لم يحظَ طويلًا بالاهتمام في هذا اللغز: نوعًا ثقيلًا مفترضًا من النيوترينو، يوصف بأنه منفصل أو ضعيف الاقتران ببقية الجسيمات. ووفق الحسابات التي عرضها الباحثون، فإن ضعف تفاعله لا يعني بالضرورة انعدام أثره؛ فطول عمره المحتمل قد يكون منحه دورًا في مرحلة مبكرة من تاريخ الكون.

لماذا بقيت المادة سؤالًا مفتوحًا؟

تتمثل المشكلة في أن القوانين المعروفة لا تشرح بسهولة كيف انتهى الكون إلى وجود المادة التي نراها. ففي بداياته، كانت الظروف شديدة الحرارة، وكانت الجسيمات ونظائرها المضادة تتكون وتفنى باستمرار. ومع تمدد الكون وانخفاض حرارته، استمرت هذه العمليات إلى أن التقت الجسيمات المضادة بنظيراتها واختفت في صورة طاقة.

لكن النتيجة المرصودة ليست كونًا خاليًا تقريبًا من المادة. توجد مادة باقية، ويبدو أن مقدارًا صغيرًا من عدم التكافؤ بين الجانبين كان كافيًا ليضمن ذلك. فإذا كان عدد جسيمات المادة أكبر قليلًا من عدد الجسيمات المضادة، فإن ما يزيد عن أزواج الإبادة يبقى بعد تلاشي معظم الطرفين. هذا الفرق البسيط هو ما يتيح وجود المادة التي تكوّنت منها النجوم والكواكب، لكنه لا يفسر وحده كيف نشأ الفرق أو ما الذي ضبط ظروف ظهوره.

يطلق الفيزيائيون على هذا الاختلال اسم عدم التناظر بين المادة والمادة المضادة. وهو ليس تفصيلًا هامشيًا؛ إذ إن وجودنا نفسه يعتمد على أن الكون لم يخرج من بداياته بتعادل تام بينهما. ومع ذلك، لا يزال أصل هذا الميل الطفيف موضع بحث. تتناول الدراسة الجديدة المسألة من زاوية مختلفة: بدل التركيز على الجسيمات التي تتفاعل بقوة وتشارك مباشرة في العمليات المعروفة، اختبر الفريق ما إذا كان جسيم شبه غائب عن التفاعلات قد يغير البيئة الكونية بطريقة غير مباشرة.

نيوترينو ثقيل لا يلفت الانتباه ظاهريًا

النيوترينوات جسيمات خفيفة جدًا، ومرورها عبر المادة العادية غالبًا ما يكون من دون تفاعل يُذكر. أما الجسيم الذي بحثه الفريق فهو قريب مفترض من هذه العائلة، لكنه أثقل من النيوترينوات المعتادة، كما أن ارتباطه ببقية الجسيمات ضعيف للغاية. ولهذا السبب، كان من السهل اعتباره عنصرًا غير مؤثر في الحسابات التي تبحث في تكوّن الفرق بين المادة ومضادّاتها.

غير أن العامل الحاسم في السيناريو المقترح ليس كثرة التفاعلات، بل العمر الطويل. فالجسيم، وفق تقديرات الباحثين، لا يضمحل بسرعة بعد ظهوره. ومع تمدد الكون وتراجُع حرارته، يمكن أن يظل موجودًا مدة كافية ليصبح تأثيره في محتوى الكون الطاقي كبيرًا. ولا يعني ذلك أنه صار أكثر الجسيمات شيوعًا بالضرورة، بل إن مساهمته في ميزانية الطاقة قد تطغى مؤقتًا على مساهمات مكونات أخرى.

تشرح هذه النقطة كيف يمكن لجسيم ضعيف التفاعل أن يترك أثرًا واسعًا. فالكون المبكر لم يكن خلفية ثابتة تحدث عليها التفاعلات؛ كانت كثافته وحرارته ومعدل تمدده تتغير باستمرار. وإذا بقي هذا النيوترينو الثقيل حاضرًا زمنًا طويلًا، فقد عدّل كيفية تطور تلك الظروف. وبحسب النموذج، مر الكون بمرحلة مؤقتة أصبحت فيها طاقة هذا الجسيم مهيمنة، قبل أن يضمحل.

يرى ريشاف روشان، الباحث في جامعة ساوثهامبتون وأحد المشاركين في الدراسة، أن طول عمر الجسيم هو ما يغيّر صورته من مكوّن يبدو ثانويًا إلى عنصر يستحق الحساب. فبدل أن يختفي مبكرًا من المشهد، قد يستمر خلال فترة تبرد الكون، ثم يؤثر في المرحلة التي تتشكل فيها الظروف اللازمة لعدم التناظر. وهذا لا يثبت أن الجسيم موجود بالفعل، لكنه يبيّن أن افتراض ضعف تفاعله وحده لا يكفي لاستبعاده من تاريخ الكون.

تغيير الظروف عند لحظة حساسة

لا تقول الفكرة إن النيوترينو الثقيل صنع المادة مباشرة أو حوّل المادة المضادة إليها. الدور المفترض أكثر دقة: أن وجوده غيّر تطور الكون، ومن ثم أثّر في درجة الحرارة التي جرت عندها تفاعلات أساسية بين جسيمات أولية ونظائرها المضادة. وقد يكون توقيت هذه التفاعلات مهمًا في تحديد مقدار الاختلال الذي يتراكم بين الجانبين.

من بين الجسيمات التي تدخل في الصورة الإلكترونات وفئة أوسع من الجسيمات الأولية تسمى اللبتونات، إضافة إلى آلية ترتبط ببوزون هيغز. ويُعرف بوزون هيغز بارتباطه بالآلية التي تكتسب عبرها جسيمات أولية كثيرة كتلتها. وفي السيناريو الذي بحثه الفريق، يغيّر النيوترينو الثقيل درجة الحرارة التي تتفاعل عندها بعض هذه الجسيمات مع نظائرها المضادة بمساعدة هيغز.

يمكن تصور درجة الحرارة هنا كأنها نقطة تحوّل في مسار التفاعلات، لا كزر حرفي داخل الكون. فعند درجات معينة، تختلف احتمالات تفاعل الجسيمات وسرعته عن تلك التي تسود عند درجات أخرى. وإذا دفعت مساهمة النيوترينو الثقيل الكون إلى بلوغ هذه الظروف في توقيت مختلف، فقد تتغير الطريقة التي يتكوّن بها الفرق بين المادة ومضادّاتها. وهكذا قد ينشأ أثر غير مباشر من جسيم لا يتفاعل كثيرًا بنفسه.

تكمن أهمية هذا الاقتراح في أنه يضيف عاملًا إلى الحسابات السابقة. فقد كانت نماذج تدرس أصل عدم التناظر تميل إلى إهمال هذا النوع من النيوترينوات بسبب ضعف تفاعله. أما الدراسة فتسأل إن كان ذلك الإهمال مبررًا، وتجيب حساباتها بأن الجسيم قد يكون مهمًا بسبب بقائه وتأثيره في الطاقة الكلية، حتى إن لم يكن مشاركًا بقوة في التفاعلات المعتادة.

تاريخ التمدد قد يحمل أثرًا كونيًا

لا يقتصر أثر السيناريو المقترح على نسب المادة ومضادّاتها. فإذا هيمن جسيم ثقيل على كثافة الطاقة فترة وجيزة، فمن الممكن أن يختلف تطور تمدد الكون عما كان سيحدث في غيابه. فمعدل التمدد يتأثر بما يحتويه الكون من طاقة، ولذلك فإن تغيّر المكوّن المهيمن قد يترك بصمة في سجل المراحل الأولى.

يشير سوديبتا شو، المشارك في الدراسة من المعهد الهندي للتكنولوجيا في كانبور، إلى أن هذا التحول المحتمل في تاريخ التمدد يفتح طريقًا لاختبار الفكرة بدل الاكتفاء بمناقشتها نظريًا. فالتغيرات التي طرأت على الكون المبكر قد تكون تركت إشارات مميزة في موجات الجاذبية البدائية، وهي تموجات في الزمكان يُعتقد أن بعض العمليات الكونية الأولى ربما أنتجتها.

إذا أمكن رصد هذه الموجات أو استنتاج خصائصها بدقة، فقد تحمل معلومات عن أحوال الكون في زمن بعيد جدًا. والنقطة المهمة هنا أن الباحثين لا يقولون إن موجات جاذبية بعينها رُصدت بالفعل وأثبتت وجود النيوترينو الثقيل؛ بل يقترحون أن سيناريوهم قد ينتج أنماطًا يمكن تمييزها في الإشارات البدائية. لذلك يمكن أن تصبح تلك الآثار، مستقبلًا، وسيلة لفحص ما إذا كان التغير المفترض في التمدد قد حدث.

وتختلف هذه البصمة عن محاولة رؤية الجسيم نفسه مباشرة. فالجسيم المفترض لم يعد حاضرًا اليوم بالطريقة التي تسمح برصده كجسم عادي في الكون، لكن تأثيره على الظروف المبكرة قد يكون انعكس في إشارات باقية من تلك المرحلة. إنها طريقة استدلال غير مباشرة: يبحث العلماء عن أثر محتمل في تاريخ التمدد، ثم يقارنون ما يجدونه بتوقعات النماذج المختلفة.

اقتراح واعد لا نتيجة محسومة

نُشرت الدراسة في دورية «Physical Review Letters» التابعة للجمعية الفيزيائية الأمريكية. وتعرض عملًا نظريًا وحسابات لنموذج يربط بين نيوترينو ثقيل ضعيف الاقتران، وهيمنة مؤقتة على كثافة الطاقة، وتغيير الظروف التي تنشأ فيها لا مساواة المادة ومضادّاتها. ومن الضروري التمييز بين اقتراح ينسجم مع حسابات معينة وبين اكتشاف تجريبي يؤكد وجود الجسيم أو يبرهن أنه كان سببًا فعليًا في بقاء المادة.

ما تمنحه الدراسة للفيزيائيين هو مسار جديد للاختبار. فإذا عُثر مستقبلًا على إشارات بدائية تتفق مع تغيرات محددة في تمدد الكون، فقد تعزز ذلك من جاذبية السيناريو. أما إذا لم تتوافق البيانات مع البصمات المتوقعة، فقد يضطر الباحثون إلى تعديل النموذج أو البحث عن تفسير آخر. وفي الحالتين، لا تُحسم المسألة بمجرد طرح الفكرة؛ فالقيمة العلمية تكمن في تحديد نتائج يمكن مقارنتها بالمشاهدات.

كذلك لا يعني الحديث عن «هيمنة» الجسيم أن الكون كله كان مكوّنًا منه أو أن بقية الجسيمات توقفت عن الوجود. المقصود أن مساهمته المحتملة في كثافة الطاقة الكلية ربما أصبحت الأكبر خلال فترة محدودة. وهذا الفرق مهم لفهم الفرضية: الحديث عن مرحلة كونية عابرة، لا عن وجود دائم للنيوترينو الثقيل في كل العصور.

والأهم أن البحث لا يحل لغز المادة نهائيًا. إنه يقترح أن تاريخ الكون ربما تضمن لاعبًا لم يُحسب له حساب كافٍ، وأن تأثيره ظهر عبر تعديل توقيت التفاعلات والتمدد لا عبر تفاعل مباشر قوي. ولا تزال التفاصيل بحاجة إلى فحص أوسع، كما أن إثبات صلة هذا الجسيم بعدم التناظر يتطلب دعمًا من الأدلة الرصدية أو اختبارات مستقلة للنموذج.

الخاتمة

يعيد هذا العمل النظر في جسيم ثقيل شبيه بالنيوترينو، كان ضعف تفاعله سببًا في اعتباره قليل الأهمية. تقترح حسابات فريق جامعة ساوثهامبتون والمعهد الهندي للتكنولوجيا في كانبور أن عمره الطويل ربما سمح له بأن يؤثر مؤقتًا في ميزانية الطاقة للكون المبكر، وأن يغيّر درجة الحرارة وتوقيت التفاعلات المرتبطة بتكوّن الاختلال بين المادة ومضادّاتها. وقد يمتد أثر ذلك إلى طريقة تمدد الكون، بما يترك بصمات محتملة في موجات الجاذبية البدائية. لكن الفكرة، المنشورة في «Physical Review Letters»، تظل تفسيرًا نظريًا لا إثباتًا نهائيًا. وإذا كُشفت يومًا الإشارات المناسبة، فقد تساعد العلماء على الاقتراب من جواب السؤال الذي يرافق وجودنا: كيف بقيت المادة بعد أن واجهت مضادّاتها؟