يعتقد الفيزيائيون أن العقد الكونية أنقذت الكون من الفراغ

في عام 1867، اقترح اللورد كلفن أن الذرات عبارة عن عقد صغيرة في الأثير غير المرئي. وتبين أن الفكرة خاطئة، ولكن بعد 158 عامًا، خرج الفيزيائيون اليابانيون من هناك معهد هيروشيما تم إحياؤها. لقد أظهروا أنه في اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير، يمكن أن تنشأ عقد كونية حقيقية – روابط مستقرة في الحقول، والتي أصبحت لفترة قصيرة الطاقة الرئيسية للكون وخلقت فائضًا من المادة على المادة المضادة.

اثنين من التماثلات التي غيرت كل شيء

قام المؤلفون بدمج اثنين من التماثلات التي تمت دراستها منذ فترة طويلة، كل منها يحل ألغازًا منفصلة للنموذج القياسي.

الأول، وهو تناظر PQ (بيكي-كوين)، يفسر سبب عدم امتلاك النيوترون لثنائي القطب الكهربائي الصغير الذي تنبأت به النظرية. ببساطة، هذا التماثل “أرصدة” الخواص الكهربائية للجزيئات. والنتيجة هي ظهور المحاور، وهي جسيمات خفيفة جدًا مناسبة بشكل مثالي لدور المادة المظلمة، والتي تشكل حوالي 85٪ من الكتلة الإجمالية للفضاء. يمكنك التفكير في المحاور على أنها “وحدات البناء غير المرئية” التي تشكل معظم الكون.

والثاني – تناظر BL (باريون ناقص ليبتون) – مسؤول عن كتلة النيوترينوات ويولد نيوترينوات ثقيلة اليمنى. هذه الجسيمات مهمة لتكوين الباريونات، وهي العملية التي بدأت من خلالها المادة الموجودة في الفضاء بالسيطرة على المادة المضادة. ببساطة، يشرح تناظر BL سبب وجود مادة أكثر من المادة المضادة في الكون، كما لو كان يعطي “الأم” السبق في السباق ضد المادة المضادة.

يقول المؤلف الرئيسي مونيتو ​​نيتا: “لم يدرس أحد هذين التماثلين في وقت واحد. نحن محظوظون. فمن خلال ربطهما، وجدنا عقدة مستقرة”.

كيف تولد الأوتار والعقد الكونية

بعد الانفجار الكبير، برد الكون، وانكسرت التماثلات، مثل الجليد على البحيرة. والشقوق عبارة عن أوتار كونية، وهي عبارة عن عيوب رقيقة أقل سُمكًا من البروتون ولكن كتلتها تعادل كتلة جبل في كل بوصة من طولها.

ينتج PQ دوامات فائقة الميوعة، وينتج BL أنابيب مغناطيسية. لقد تم نسجها في عقد مستقرة بفضل الطوبولوجيا – وهو شكل رياضي لا يمكن فك تشابكه دون أن ينكسر، مثل ربطة عنق في عقدة البحار.

عصر هيمنة العقدة

تراكمت الطاقة في العقد حتى أصبحت القوة الرئيسية في عالم صغير بحجم كرة القدم. ثم تلاشت من خلال النفق الكمي، مثل مرور جسيم عبر جدار دون إهدار الطاقة. أثناء الاضمحلال، ولدت النيوترينوات الثقيلة، التي فضلت المادة على المادة المضادة.

“في الأساس، ينتج عن هذا الانهيار مجموعة متنوعة من الجسيمات، بما في ذلك النيوترينوات اليمنى، والبوزونات العددية، والبوزونات القياسية، مثل الدش. ومن بينها، تعتبر النيوترينوات اليمنى مميزة لأن اضمحلالها يمكن أن يخلق بشكل طبيعي خللًا في التوازن بين المادة والمادة المضادة.

تتحلل هذه النيوترينوات الثقيلة إلى جسيمات أخف مثل الإلكترونات والفوتونات، مما يخلق سلسلة ثانوية تعمل على تسخين الكون مرة أخرى. “وبهذا المعنى، فهي آباء كل المادة في الكون اليوم، بما في ذلك أجسادنا، في حين يمكن اعتبار العقد أجدادنا”، يوضح المؤلف المشارك يو هامادا.

نشأة الباريونات في الأرقام

بدون عقدة، ستدمر المادة والمادة المضادة بعضهما البعض، تاركين الكون ممتلئًا بالضوء فقط. ينشئ النموذج التحيز المطلوب – ما يقرب من جسيم واحد من المادة لكل مليار زوج من المادة والمادة المضادة. إذا قامت العقد بنقل الطاقة إلى نيوترينوات فائقة الثقل بكتلة تتراوح بين 10¹²–10¹³ GeV (GeV هي جيجا إلكترون فولت، وهي وحدة طاقة يستخدمها الفيزيائيون أيضًا لقياس كتلة الجسيمات)، فإن درجة حرارة إعادة التسخين تصل إلى 100 GeV تقريبًا. تعمل هذه القيم بشكل جيد في عملية تكوين الباريونات، وهي العملية التي تتشكل فيها الباريونات مثل البروتونات والنيوترونات وتستفيد المادة.

كيفية اختبار النظرية

ويترك تفكك العقد وراءه موجات الجاذبية، وهي إشارة فريدة من نوعها ذات ترددات عالية. أجهزة الكشف LISA (أوروبا)، والمستكشف الكوني (الولايات المتحدة الأمريكية)، وDECIGO (اليابان) يمكن القبض عليهم خلال 10-20 سنة.

يقول نيتا: “الخطوة التالية هي تحسين النماذج النظرية وعمليات المحاكاة للتنبؤ بشكل أفضل بتكوين هذه العقد واضمحلالها، وربط خصائصها بالإشارات المرصودة”.

لماذا هذا مهم للفيزياء؟

يحل النموذج على الفور ثلاث مشاكل كبيرة في الفيزياء الحديثة. فهو يوفر حلاً للغز CP القوي، ويشرح سبب امتلاك النيوترينوات لكتلة، ويقترح مرشحًا طبيعيًا للمادة المظلمة. إذا أمكن تأكيد ذلك، فسوف نفهم ذلك أخيرًا لماذا تهيمن المادة وليس المادة المضادة على الكون؟ في هذا السيناريو، تصبح العقد الكونية بمثابة جسر بين النموذج القياسي والفيزياء خارجه، ويمكن اختباره من خلال التجارب والملاحظات.