حقق العلماء اكتشافا مثيرا في مجال الفيزياء بعد 16 عاما من التنبؤ النظري بوجوده. تم رصد جسيم شبه ديراك، وهو جسيم كمي لا يمتلك كتلة فعّالة إلا عند الحركة في اتجاه واحد، يمثل هذا الاكتشاف نقلة نوعية في فهم خصائص الجسيمات ويفتح آفاقا جديدة في تطبيقات الفيزياء الكمية وأجهزة الاستشعار الإلكترونية.

في الفيزياء، تشير الكتلة عادةً إلى خاصية للجسيمات تحدد مقاومتها للحركة وطاقة حالتها. ومع ذلك، فإن الكتلة ليست دائما ذات طبيعة موحدة، فبعضها يرتبط بطاقة الجسيم عند السكون، بينما يأخذ بعضها الآخر في الحسبان الطاقة الناتجة عن حركته.

في هذه الحالة، تعبر الكتلة الفعّالة عن استجابة الجسيم الكمي للقوى، وهي خاصية تتغير تبعا لاتجاه الحركة: صعودا وهبوطا أو ذهابا وإيابا. بخلاف الجسيمات العادية التي تحتفظ بكتلتها في كل الاتجاهات، فإن جسيم شبه ديراك ينتهك هذه القاعدة.

ظروف الاكتشاف

تم اكتشاف هذا الجسيم داخل بلورة شبه معدنية من نوع ZrSiS بواسطة فريق دولي من العلماء، بعد تبريد البلورة إلى درجة حرارة -452 فهرنهايت (-269 مئوية)، وهو شرط ضروري لرصد هذا النوع النادر من الجسيمات الكمية.

ما هو الفيرميون شبه ديراك؟

الفيرميونات عادةً تصنّف على أساس خاصية تُعرف بالدوران (Spin). يمتلك الفيرميون العادي ومضاده خواص متضادة. لكن الفيرميون شبه ديراك، الذي ظل مجرد فكرة نظرية حتى الآن، يُظهر سلوكا فريدا، حيث يعمل وفق قواعد مختلفة للطاقة حسب الاتجاهات المتعامدة.

علق الفيزيائي "يينمينغ شاو" من جامعة ولاية بنسلفانيا على هذا الاكتشاف قائلًا:

"لم نكن نتوقع هذا على الإطلاق. لم نكن نبحث عن جسيم شبه ديراك عندما بدأنا دراسة المادة، ولكننا رصدنا إشارات غامضة. في النهاية، أدركنا أننا أول من يلاحظ هذه الجسيمات الغريبة."

طريقة الرصد

اعتمد الباحثون على تقنية تُعرف بـ التحليل الطيفي المغناطيسي البصري، حيث تُدرس المواد من خلال انعكاسات الأشعة تحت الحمراء تحت تأثير مجال مغناطيسي قوي. استخدم العلماء في هذا البحث مجالا مغناطيسيا يعادل 900,000 ضعف قوة المجال المغناطيسي للأرض، والذي تم توفيره من مختبر الحقول المغناطيسية العالية في فلوريدا.

الخصائص الفريدة للجسيم

تم تأكيد خصائص الفيرميون شبه ديراك عبر نماذج حسابية متقدمة. الجسيم يظهر وكأنه لا يمتلك كتلة في اتجاه واحد، حيث يتم تحديد طاقته بالكامل من خلال حركته، ولكنه يكتسب كتلة فعّالة في الاتجاه الآخر.

قال شاو، موضحا هذه الظاهرة:

"تخيل الجسيم كأنه قطار صغير يتحرك على شبكة من السكك الحديدية، والتي تمثل البنية الإلكترونية للمادة. عند نقاط معينة، تتقاطع السكك، فيتحرك القطار بسرعة الضوء على مساره السريع، ولكن عندما يصل إلى نقطة تقاطع وينتقل إلى مسار عمودي، يواجه مقاومة ويكتسب كتلة."

أهمية الاكتشاف والتحديات المستقبلية

يمثل هذا الاكتشاف لحظة فارقة في الفيزياء، خاصة لأولئك الذين تنبؤوا بوجود هذا الجسيم في عام 2008. ومع ذلك، لا يزال هناك العديد من الأسئلة التي تحتاج إلى إجابات، مثل كيفية استخراج طبقات مفردة من البلورة متعددة الطبقات ZrSiS لدراسة خواصها.

علق شاو على الأفق المستقبلي بقوله:

"أكثر ما يثير الحماس في هذه التجربة هو أن البيانات التي حصلنا عليها لا يمكن تفسيرها بالكامل حتى الآن. هناك العديد من الألغاز التي لم تُحل، وهذا ما نعمل على فهمه."

هذا الاكتشاف لا يمثل فقط تقدما نظريا ولكنه قد يفتح الباب أمام تطبيقات جديدة في تقنيات الكم والمجالات المرتبطة بالطاقة والحوسبة. ستحتاج الأبحاث المستقبلية إلى مزيد من الوقت والتجارب لفهم الإمكانيات الكاملة لهذا الجسيم الغريب واستخداماته العملية.