اگر پادماده با چیزی تماس پیدا کند، نابود می‌شود؛ به همین دلیل گیر انداختن چنین ذره‌ای به‌طور ویژه دشوار است. (تصویر: Pako Grau/shutterstock.com)

این یک گام مهم رو به جلو در کنترل پادماده است. گروه مسئول این کار شرایط نگهداری ذره را به صورت «سیکلوترون کوانتومی تک‌ذره» توصیف می‌کند؛ شرایطی که فرصت بی‌سابقه‌ای برای مطالعه رفتار ذره پادماده فراهم کرده است.

پوزیترون پادماده ی همزاد (پاد ذره) الکترون است و می‌توان آن را تصویر آینه‌ای الکترون دانست. پوزیترون مانند تمام ذرات پادماده در برخورد با ذره مادی همتای خود یکدیگر را نابود می‌کنند و انرژی‌ای معادل مجموع جرم دو ذره ضرب‌ در مجذور سرعت نور آزاد می‌شود.

با این که پوزیترون در بسیاری از برخوردهای زیراتمی و برخی اَشکال واپاشی رادیواکتیو آزاد می‌شود، اما این واقعیت که پوزیترون در تماس با ماده منفجر می‌شود، ذخیره‌سازی و مطالعه آن را به‌طور فوق‌العاده‌ای دشوار می‌کند.

با این حال گروهی به سرپرستی جرالد گابریلز (Gerald Gabrielse) از دانشگاه نورث‌وسترن توانسته‌اند یک پوزیترون آزادشده طی واپاشی سدیم-۲۲ را «مهار» کرده و به‌صورت نامحدود برای مطالعه نگه دارند.

گابریلز طی بیانیه‌ای گفته است: «جذابیت عامه‌پسند پادماده از داستان‌های علمی-تخیلی سرچشمه می‌گیرد. اگر یک الکتررون و پادالکترون (پوزیترون) را بردارید و با یکدیگر برخورد دهید، هر دو ناپدید می‌شوند. این پدیده را «نابودی» می‌نامیم، مفهومی که تخیل نویسندگان داستان‌های علمی-تخیلی را تقویت می‌کند.»

با این حال ممکن است این داستان‌های علمی-تخیلی باعث شده باشند که بسیاری از مردم ایده‌های نادرستی درباره پادماده داشته باشند.

گابریلز خاطرنشان می‌کند: «برای روشن شدن موضوع، این ماده خطرناک نیست. برای ایجاد انفجار، پادماده کافی در اختیار نداریم». با این وجود باید با نهایت دقت با آن برخورد کرد، مبادا همین ذرات کمیابی که داریم از دست بدهیم.

از آنجا که پادماده نمی‌تواند به طور مستقیم با هیچ ماده دیگری در تماس باشد، به‌دام انداختن آن باید مستلزم استفاده از ترکیبی از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی باشد تا از برخورد آن با دیواره‌های محفظه به‌دام‌اندازی جلوگیری شود. در مورد این آزمایش، میدان مغناطیسی 5.6 تسلا بود، اندکی بیش از نصف قدرت آهن‌رباهای برخورددهنده بزرگ هادرونی.

عدم‌توازن فراگیر

برخی افراد پادماده را راهی برای ذخیره انرژی با چگالی بالا می‌دانند، اما گابریلز به دلایل بنیادی‌تری برای مطالعه آن اشاره می‌کند.

او گفت: «راز بزرگ جهان این است که مه‌بانگ باید مقدار ماده و پادماده مساوی ایجاد می‌کرد، اما اگر این درست می‌بود، این دو یکدیگر را نابود می‌کردند و هیچ چیز باقی نمی‌ماند. بدیهی است که مشکلی در این نظریه وجود دارد و ما سعی می‌کنیم که این اشکال را بیابیم».

به‌دام‌اندازی پوزیترون برای حل این معما اهمیت دارد، زیرا به نویسندگان مقاله این فرصت را داده تا ویژگی‌های مغناطیسی پادماده را با دقت بیشتری نسبت به قبل بررسی کنند.

مدل استاندارد فیزیک ذرات معتقد است که پوزیترون و الکترون ویژگی‌های مغناطیسی مشابهی دارند. با این حال همه در این مورد قانع نشده‌اند و مقایسه این دو راهی برای آزمودن استحکام مدل استاندارد است.

تاکنون مدل استاندارد از تمام آزمون‌های فیزیک‌دان‌ها سربلند خارج شده است (به‌جز برخی موارد که نتایج آزمون در تلاش‌های بعدی تکرار نشده است). با این حال غلبه ماده بر پادماده هنگام مقایسه این دو باعث شده که فیزیک‌دان‌ها همچنان به جست‌وجوی خود ادامه دهند.

گابریلز گفت: «می‌دانیم که مدل استاندارد باید جایی نادرست باشد یا دستِ‌کم کامل نباشد. مثلاً مدل نمی‌تواند پیش‌بینی کند که چرا جهان وجود دارد، و این حفره بزرگی است. ما در حال بررسی بنیادی‌ترین و ساده‌ترین سامانه‌هاییم تا دریابیم که نظریه کجا شکست می‌خورد. امیدواریم به پاسخی بدون ابهام برسیم».

چگونه پادماده را به دام بیاندازیم؟

این پژوهش دو فرایند را، که گابریلز و گروهش در هر دو مهارت بالایی داشتند، ‌ترکیب کرده است: اندازه‌گیری ویژگی‌های مغناطیسی الکترون‌های منفرد، و به‌دام انداختن پادپروتون و سرد کردن آن تا جایی که تقریباً بی‌حرکت باشد.

گروه برای به‌دام انداختن پوزیترون کاری کرد که بدون تماس، به یک الکترون مقید باشد و سپس این جفت را از طریق یک حفره کوچک در الکترود نقره عبور داد تا طی این فرایند الکترون از دست برود. مقدار انرژی پوزیترون در محفظه گیراندازی کمتر از یک‌میلیاردم مقدار اولیه انرژی آن هنگام ترک اتم سدیم بود.

گابریلز گفت: «آن‌قدر آن را سرد می‌کنیم تا در حالت پایه کوانتومی خود قرار گیرد. واقعاً این پوزیترون بسیار سریع را وادار می‌کنیم تا آنجا بنشیند و ماه‌ها در همان حالت باقی بماند.»

نویسندگان مقاله پس از پایان دادن به آشفتگی‌های پوزیترون در نانوثانیه‌های نخست آن را امواج طول‌موج کوتاهی با فرکانس‌هایی کاملاً دقیق بمباران کردند تا انرژی‌های آن اندکی افزایش یابد؛ سپس گذارهای کوانتومی که پوزیترون در پاسخ به این بمباران انجام می‌داد را مشاهده کردند.

هدف نهایی این است که ویژگی‌های مغناطیسی پوزیترون را با همان دقتی اندازه‌گیری کنند که قبلاً ویژگی‌های مغناطیسی الکترون را اندازه گرفته بودند (با دقت یک در ده‌تریلیون) و سپس نتایج را با هم مقایسه کنند. نکته قابل توجه این است که تقریباً ۴۰ سال از آخرین باری که دقت این مقایسه بهبود یافته، می‌گذرد.

گابریلز گفت: «نظریه‌های فعلی نشان می‌دهد که هیچ تفاوتی در دو اندازه‌گیری وجود نخواهد داشت. اما اگر معلوم شود که این دو با هم برابر نیستند، بزرگ‌ترین کشف فیزیکی در یک‌صد ساله اخیر خواهد بود.»

پس دیگر هیچ فشاری برای درست انجام دادن آن وجود ندارد!

در همین حین ممکن است افراد دل‌نازک‌تر جنبش «پوزیترون را آزاد کنید» راه بیندازند (شوخی).

منبع:

How To Tame an Antimatter Particle: Physicists Hold a Positron Captive for Months