در این گوشه‌ی عالم که ما منزل کرده‌ایم پادهیدروژن کم پیدا می‌شود. تازه سال پیش بود که دانشگرانی در آزمایش دستگاه لیزری‌ی فیزیک پادهیدروژن (آلفا)¹  توانستند نخستین بار مقدار قابل‌‌توجهی پادهیدروژن را گیر بیاندازند، گرچه فقط 36 اتم آن هم به‌مدت فقط 172 میلی‌ثانیه یعنی کمتر از یک‌پنجم ثانیه. اما ماه پیش همین گروه مقاله‌ئی در  arXiv.org قرار داد‌ند و درآن گزارش کردند که توانسته‌اند 309 اتم پادهیدروژن را به‌مدت 1000 ثانیه گیر بیاندازند. افزایش تعداد و زمان گیراندازی می‌تواند به بینش‌های مهمی در باره‌ی سرشت پادماده منجر شود.

پادهیدروژن حالت مقید پوزیترون (پادالکترون) و پادپروتون است و پادنسخه‌ی اتم هیدروژن است. پادهیدروژن نخستین بار اواخر سال 1995 در سرن تولید شد. بررسی‌ی پادماده درک ما از عالم را گستردهتر خواهد کرد و شاید منجر به یافتن پاسخ این پرسش شود که چرا ماده در عالم این‌همه بیشتر از پادماده است.

تله‌ی پوزیترون در آزمایش آلفا (نیلز مادسن، آزمایش آلفا)

گروه پژوهشی‌ی آلفا که اعضایش از هفت کشور مختلف می‌آیند، با در هم آمیختن دو ابر پلاسمای سرد، پادهیدروژن می‌سازند: یکی از این ابرها حاوی‌ی پوزیترون است و ابر دیگر حاوی‌ی پادپروتون. این پژوهشگران با به‌بودِ روش‌های گیراندازی‌شان اکنون توانسته‌اند پادهیدروژن را بیش از 1000 ثانیه نگه دارند، به‌این ترتیب شمار اتم‌هائی که هر بار می‌توان گیر انداخت نیز 5 برابر شده است.  آنها هم‌چنین توانسته‌اند اولین اندازه‌گیری‌های توزیع انرژی‌ی پاداتم‌ها را به انجام برسانند. این داده‌ها همراه با شبیه‌سازی‌های کامپیوتری می‌تواند راه‌ را برای رسیدن به دانش بیشتر در باره‌ی دینامیکِ فرآیندِ گیرافتادن اتم‌های پادهیدروژن در تله و رهایی‌ی آنها هموار کند.

توانایی ی گیرانداختن پادهیدروژن در مدت‌زمان دراز می‌تواند به آزمون‌های دقیق نقض تقارن بار-پاریته-وارونی‌ی زمان بیانجامد که خود می‌تواند توضیح دهد چرا در عالم پادماده این‌قدر کم وجود دارد. آزمایش‌های دیگری که انجام‌شان امکان‌پذیر است طیف‌نمایی‌ی میکروموجی و حتی سردکردن‌لیزری و آدیاباتیک پادهیدروژن به دماهائی‌ست که درآن دماها اثرات گرانشی مشهود باشد.

آینده‌ی روشن

موفقیت آزمایش آلفا اینک بودجه‌ی بیشتری را نیز برای آنها به همراه داشته است. این بودجه‌ی جدید به آنها امکان خواهد داد دو آزمایش جدیدِ پادماده و هم چنین چشمه‌ی جدید پادپروتون بسازند.

جفری هنگست در گفت‌وگو با فیزیکس ورلد توضیح داده است که کار بعدی‌ی گروه بررسی‌‌ی ساختار پادهیدروژن با استفاده از میکروموج است: "با میکروموج اسپین اتم های پادماده را وارون می‌کنیم و شاید بتوانم برهم‌کنش‌های‌ تشدیدی بیایبم و به ساختار پاداتم‌ها نگاهی بیاندازیم." مدل استاندارد ذرات هیچ تفاوتی در ساختار هیدروژن و پادهیدروژن پیش‌بینی نمی‌کند و هر چنین تفاوتی می تواند نشانگرِ راهی به‌سوی فیزیک جدید باشد. تیم آلفا اکنون مشغول ساختن آشکارگر جدیدی به نام آلفا 2 است که خواهد توانست تحلیل طیفی را انجام دهد: "ما به عمد در طراحی‌ی فعلی‌ی آلفا لیزر را حذف کردیم زیرا می خواستیم نخست مطمئن شویم که می‌توانیم پادماده بسازیم و انبار کنیم." تیم پژوهشی می خواهد دستگاه جدیدشان در سال 2012 آماده و مشغول به کار باشد. برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی‌ی سرن برای ارتقا به مرحله‌ی بعدی‌ی کارش در سال 2013 موقتاً تعطیل خواهد شد که بر کار آلفا 2 هم تاثیر خواهد داشت و پژوهشگران می‌خواهند پیش از آن داده جمع آوری کرده باشند.

موفقیت اخیر موجب شده است که سرن اقدام به ساخت چشمه‌ی جدید پادپروتون به نام پادپروتون‌های بسیار کم‌انرژی (النا)² کند. پیشنهاد ساخت النا به چند سال پیش برمی‌گردد اما به علت نبودِ بودجه کاری انجام نشده بود. اما اینک رئیس خوشحال سرن رُولف - دیتر هُویر³ به فیزیکس ورلد گفته که دستور آغاز کار النا را داده است. با چشمه‌ی فعلی، انرژی‌ی پادپروتون‌ها قبل از ورود به آلفا و آزمایش‌ها‌ی دیگر سرن تا 5 مگاالکترون‌ولت فروکاسته می‌شود اما النا پادپروتون‌ها را بیشتر کند می‌کند و به آلفا پادپروتون‌های 100کیلوالکترون‌ولتی خواهد داد. به‌این ترتیب شمار پادپروتون‌های مفید و بازدهی‌ی آزمایش آلفا افزایش خواهد یافت.

با این چشمه‌ی جدید هنگست امیدوار است که آزمایش آلفا را بتوان یک مرحله‌ی دیگر جلو برد. از حالا نام این مرحله را آلفا 3 گذاشته‌اند و قرار است به به پژوهشگران امکان دهد پادپروتون‌های گیرافتاده را سردتر کنند و آثار گرانشی بر پادماده را بسنجند. به‌عبارت دیگر می‌توان پاسخ این پرسش را جست‌وجو کرد که آیا گرانش معمولی پادماده را می‌راند یا جذب می کند یعنی پادهیدروژن پایین می افتد یا بالا؟ این آزمایش را خیلی ها سعی کرده اند انجام دهند اما هیچ‌کدام از آزمایش‌ها نتیجه‌ی قطعی در بر نداشته است زیرا هیچ کس نتوانسته مقدار قابل‌ملاحظه‌ئی پادماده را برا ی مدت طولانی حفظ کند.

کلاً آینده‌ی هیجان‌انگیزی پیش روی  پژوهش‌ها‌ی پاد ماده است

برهم‌کنش بیشتر اتم‌ها  با میدان مغناطیسی از راه دوقطبی مغناطیسی‌ی آنهاست. ساختن میدانی که از کمینه‌ئی مرکزی در همه‌ی جهات افزایش می‌یابد مستلزم طراحی مغناطیس‌های خاص است. در جنین میدانی اتم‌هائی که انرژی‌شان کم باشد از میدان‌های قوی‌تر بازتابانده می‌شوند و مانند تیله‌هائی که با سرعت کم درون کاسه حرکت می‌کنند در تله گیر می‌افتند. تله‌ی آلفا نمونه‌ئی از تله‌ی یوفه⁴ است اما علاوه بر این، تله‌ی پنینگ⁵ هم درون تله‌ی یوفه قرار دارد که پوزیترون‌ها و پادپروتون‌ها را پیش از آن‌که پادهیدروژن بسازند گیر می‌اندازد و به این دلیل برای ساخت تله‌ی یوفه از هشت‌قطبی استفاده می‌شود  تا کار چهارقطبی‌های تله‌ی پنینگ مختل نشود. (a) نمودار تله‌ی آلفا: پای‌بست اتم‌های هیدروژن با مغناطیس هشت‌قطبی (در شکل نشان داده نشده است) و مغناطیس‌های آینه‌ای میسر می‌شود. دمای الکترودهای تله‌ی پنینگ حدود 9 درجه‌ی کلوین نگه داشته می‌شوند و قطر داخلی‌شان 5/44 میلی‌متر است. آشکارگر سه‌لایه‌ سیلیسیومی زم‌پا و مغناطیس‌ها را در بر می‌گیرد. سیم‌لوله‌ئی که در شکل نشان داده نشده است میدان پایه‌ی یک تسلا می‌سازد. از سمت راست باریکه‌ی پادپروتون و پوزیترون‌ها از انبارنده‌ئی در سمت راست وارد می‌شوند. (b) شدت میدان مغناطیسی در صفحه‌ی y-z (محور سیم‌لوله محور z و z=0 وسط تله‌ی مغناطیسی است). خط‌چین‌های سبز در این شکل و شکل‌های دیگر محل دیواره‌های داخلی الکترودها را مشخص می‌کند. (c) نمای میدان مغناطیسی محوری با طول مؤثر حدود 270 میلی‌متر. (d) شدت میدان در صفحه‌ی x-y. (e) نمای میدان مغناطیسی در درازای محور x.

منابع:

·         Antihydrogen trapped for 1000 seconds
Technology Review, The Physics arXiv Blog
June 2, 2011
http://www.technologyreview.com/blog/arxiv/26709

·         Future is bright for CERN antimatter physicists
June 7, 2011
http://physicsworld.com/cws/article/news/46216

·         The alpha experiment
The Alpha Magnets
http://alpha-new.web.cern.ch/magnets

پانوشت‌ها:

• 1. Antimatter Laser PHysics Apparatus
• 2. Extra Low-ENergy Antiprotons
• 3.Rolf-Dieter Heuer
• 4.Ioffe trap
• 5.Penning trap