آزمایش جدید فیزیک‌دانان می‌تواند دلیل برتری ماده بر پادماده را آشکار کند

پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن آمریکا برای نخستین بار موفق شدند یک پوزیترون، پادذره الکترون، را در وضعیتی کوانتومی با دقت بسیار بالا کنترل کنند.

آن‌ها پس از به دام انداختن این ذره پرسرعت که از واپاشی پرتوزا به دست آمده بود، دمای آن را تا نزدیکی صفر مطلق پایین آوردند و سپس در خلأیی تقریباً کامل معلق نگه داشتند. این روش مانع از تماس پوزیترون با ماده معمولی می‌شود؛ برخوردی که به نابودی هر دو منجر خواهد شد.

دانشمندان با ترکیب این روش‌های به دام انداختن و سرد کردن، دستگاهی ساختند که آن را «سیکلوترون کوانتومی تک‌پوزیترونی» می‌نامند. در این وضعیت، پوزیترون رفتاری شبیه یک اتم مصنوعی دارد و می‌توان سطوح انرژی کوانتومی آن را با دقت کنترل و بررسی کرد.

جرالد گابریلسه، استاد فیزیک دانشگاه نورث‌وسترن و سرپرست این پژوهش، درباره جذابیت پادماده در داستان‌های علمی‌تخیلی توضیح داد که برخورد یک الکترون با پادالکترون یا همان پوزیترون، باعث نابودی هر دو ذره می‌شود؛ پدیده‌ای که در فیزیک «نابودی ماده و پادماده» نام دارد.

جست‌وجو برای یافتن نقص‌های فیزیک

مدل استاندارد نظریه‌ای دیرینه است که ذرات بنیادی و سه مورد از چهار نیروی بنیادی جهان، یعنی نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف را توصیف می‌کند. آزمایش‌های متعدد، پیش‌بینی‌های این مدل را با دقتی چشمگیر تأیید کرده‌اند؛ بااین‌حال، فیزیک‌دانان می‌دانند که این نظریه کامل نیست.

یکی از مهم‌ترین کاستی‌های مدل استاندارد، ناتوانی آن در توضیح این موضوع است که چرا جهان قابل مشاهده به‌طور چشمگیری ماده بیشتری نسبت به پادماده دارد.

گابریلسه تأکید کرد که مدل استاندارد باید در بخشی از توصیف خود اشتباه داشته باشد یا دست‌کم ناقص باشد. به گفته او، این نظریه حتی نمی‌تواند توضیح دهد چرا جهان وجود دارد؛ بنابراین، خلأ بزرگی در درک کنونی ما از طبیعت باقی مانده است. گروه او با بررسی دقیق‌ترین و ساده‌ترین سامانه‌های فیزیکی امیدوار است نقطه‌ای را پیدا کند که نظریه‌های کنونی در آن از پیش‌بینی درست بازمی‌مانند.

محفظه‌ای بدون دیواره

تقریباً تمام مواد روی زمین از سه ذره آشنای الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده‌اند. در مقابل، جهانی متشکل از پادماده می‌توانست از پادذره‌های متناظر آن‌ها، یعنی پوزیترون، پادپروتون و پادنوترون، ساخته شود. گابریلسه می‌گوید اگر تمام اجزای زمین از پادماده تشکیل شده بودند، تشخیص تفاوت آن با جهان کنونی بسیار دشوار می‌شد.

مشکل زمانی آغاز می‌شود که ماده و پادماده با یکدیگر برخورد می‌کنند. برای مثال، برخورد یک الکترون با پوزیترون باعث نابودی هر دو می‌شود.به همین دلیل، دانشمندان نمی‌توانند پوزیترون را مانند یک نمونه معمولی داخل محفظه‌ای فیزیکی قرار دهند؛ زیرا تماس ذره با دیواره‌های ظرف نیز می‌تواند به نابودی آن منجر شود.

گروه دانشگاه نورث‌وسترن برای حل این مشکل از تله‌ای پیشرفته استفاده کرد که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ویژه‌ای تولید می‌کند. این میدان‌ها پوزیترون را در فضای خالی معلق نگه می‌دارند و مانع از تماس آن با هرگونه ماده معمولی می‌شوند. به این ترتیب، ذره در مرکز محفظه باقی می‌ماند، بدون اینکه به سطحی برخورد کند.

از سرعت زیاد تا سکون

به دام انداختن پوزیترون از همان ابتدا چالش بزرگی برای گروه تحقیقاتی بود. این ذرات می‌توانند هنگام واپاشی پرتوزای برخی هسته‌های اتمی تولید شوند. گابریلسه در آزمایش خود از هسته‌های سدیم ۲۲ استفاده کرد؛ ایزوتوپی نادر و پرتوزا از سدیم که هنگام واپاشی، پوزیترون‌هایی با انرژی بسیار زیاد آزاد می‌کند.

پژوهشگران ابتدا سرعت پوزیترون را به‌شدت کاهش دادند و سپس آن را به داخل تله‌ای هدایت کردند که درون آن خلأیی تقریباً کامل برقرار بود. فرایند کاهش سرعت اهمیت زیادی داشت؛ زیرا ذره‌ای که با انرژی بسیار بالا حرکت می‌کند، به‌سادگی در شرایط موردنیاز برای آزمایش‌های دقیق کوانتومی باقی نمی‌ماند.

دمای داخلی تله به حدود ۳۰۰ میلی‌کلوین کاهش داده شد؛ یعنی فقط ۰٫۳ درجه بالاتر از صفر مطلق. صفر مطلق پایین‌ترین دمای نظری ممکن است و در آن، انرژی گرمایی سامانه به کمترین مقدار خود می‌رسد.

آزمون نهایی

گابریلسه و همکارانش همچنین نشان دادند که می‌توانند حالت‌های انرژی کوانتومی پوزیترون را با دقت کنترل و شناسایی کنند. آن‌ها با ارسال امواج مایکروویو تنظیم‌شده، مقادیر بسیار کوچکی از انرژی را به ذره منتقل کردند و سپس تغییر حالت‌های کوانتومی آن را تشخیص دادند.

این سطح از کنترل برای هدف نهایی پژوهش ضروری است: اندازه‌گیری دقیق ویژگی‌های مغناطیسی پوزیترون و مقایسه آن‌ها با ویژگی‌های الکترون.

گابریلسه می‌گوید نظریه‌های کنونی هیچ تفاوتی میان نتایج این دو اندازه‌گیری پیش‌بینی نمی‌کنند؛ اما اگر دانشمندان اختلافی واقعی و قابل تأیید پیدا کنند، ممکن است با یکی از بزرگ‌ترین اکتشافات فیزیک در یک قرن گذشته روبه‌رو شوند.

این تحقیق با عنوان One-positron quantum cyclotron در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.