استفادهی فیزیکدانان از پادماده در یکی از معروفترین آزمایشات جهان
مجله علمی ایلیاد - برای اولینبار دانشمندان آزمایش فیزیکی نمادینی را با پوزیترون، پامادهای از الکترون و یکی از ذرات بنیادی انجام دادند که نتایج آن عجیب و غریب بود. نه تنها آنها به نتایج جالبی دست پیدا کردند، بلکه این دستاورد میتواند اولین مرحله در کشفیات انقلابی باشد. این آزمایش نسخهی پادماده از تنظیمات معروف دو روزنهای توسط محققان سوئیسی و ایتالیایی اجرا شد تا سیر جدیدی از آزمایشات فوق حساس آغاز گردد؛ آزمایشاتی که اسرار دو حیطه از ماده در جهان را برملا میکنند.
زندگی روزانهی ما توسط چیزی احاطه شده که آنرا «ماده» مینامیم. اما هر عضوی از خانوادهی ذرات بنیادی دارای یک دوقلوی پادماده است که بیشتر خصوصیات آنها مشترک است، جدا از یک بارِ معکوس و چند تلنگر کوانتومی دیگر. اگر دو نوع ماده را کنار هم قرار دهید، خواهید دید که در یک انفجار پُرانرژی محو میشوند و سئوالات جالبی را مطرح میکنند. اگر با یک ماده احاطه شده باشیم، آیا این به این معنا است که این ماده بیشتر از پادماده وجود دارد؟ اگر اینچنین باشد، چه چیزی این مساله را خاص میکند؟
تاکنون بهترین تلاشهای ما برای یافتن پاسخ نتوانستند حتی کوچکترین نشانهای از آنرا کشف کنند. دو حیطه از ماده هنوز به دلایلی معنادار یکسان هستند. بر اساس مدل استاندارد فیزیک ذرهای، پادماده دقیقاً همانند مادهی معمولی باید از قوانین گرانش پیروی کند. تعداد زیادی از تلاشهای آزمایشگاهی برای مقایسهی دو نوع ماده از این نظریه پشتیبانی میکنند.
این امر مانع از آن نمیشود که فیزیکدانان راههای جدیدی را برای جستجوی نقاط ضعف و هشدارها پیدا کنند؛ نه وقتی وجود جهان در معرض خطر است! حتی یک اختلاف جزئی در چگونگی گرانش پادماده میتواند شکاف بزرگی باشد که به آن نیاز داریم. اما گرانش نیرویی است که به صورت قوی بررسی نشده و ما را به یکی از کلاسیکترین آزمایشات فیزیک نزدیک میکند، آزمایشی که فیزیکدانان به تازگی با ذرهی پادماده انجام دادهاند. به مدت چندین قرن آزمایش کردیم که نور چگونه از لابهلای شکافهای باریک پنجرهها درون صفحهی نمایش تابیده میشوند. دویست سال پیش، فیزیکدانی به نام «توماس یانگ» پنجرهی دومی را موازی با اولین پنجره اضافه کرد و اثبات کرد که الگوی موجداری که نور بر روی دیوار پشت روزنهها ایجاد کرده، نشانهای از این بود که نور از موجهایی تشکیل شده که با یکدیگر تداخل دارند.
پس از گذشت یک قرن و نیم، یک نام بزرگ دیگر در فیزیک یعنی «ریچارد فینمن» با توجه به چیزی که قبلاً در مورد ماده کشف شده بود، آزمایش دو روزنهای یانگ را مد نظر قرار داد. ذراتی همانند الکترونها به شکل امواج وجود دارند تا زمانیکه اندازهگیری شوند و همراه با خواصی مثل یک پوزیترون عرضه شوند. بنابراین، اگر هیچکس یک الکترون را اندازهگیری نکند، آیا این الکترون همانند یک موج از درون هر دو روزنه عبور میکند، تجزیه میشود و اصلاح میگردد تا با خودش تداخل برقرار کند، درست همانند نور؟
درست است عجیب به نظر میرسد، اما این دقیقاً همان چیزی است که رخ میدهد. درحالیکه آزمایشات متعددی با استفاده از جریانات الکترونها در دهههای پیش از آزمایش فینمن انجام شده، در سال ۱۹۸۹ محققان ژاپنی در هیتاچی سعی کردند، الکترونهای مجزا را تک تک بر یک صفحه نمایش شلیک کنند. از آن زمان به بعد، همین عجیب بودنِ کوانتومی در تمام انواع ذرات جامد از جمله کل مولکولها نیز مشاهده شده است. یعنی اجزای ماده، مهم نیست چقدر بزرگ باشند، همگی رفتاری شبیه موج دارند. پادماده داستان دیگری است. پادماده ساده ترن ماده در جهان نیست، بنابراین درحالیکه به طور نظری باید شبیه موج رفتار کند، اما هرگز چنین چیزی در آن مشاهده نشده است.
برای انجام آزمایش، محققان از ابزار موجود در ایتالیا به نام آزمایشگاه نانوساختار اپیتاکسی و اسپینترونیکس در سیلیکون یا L-NESS استفاده کردند. پوزیترونها، الکترونهایی با بار مثبت بهجای منفی هستند و از یک مادهی رادیواکتیوِ در حال فروپاشی فیلتر شدند و در یک تنظیماتِ دو مرحلهای به نام «اینترفرومتر» جریان پیدا کردند.
این کمی پیچیدهتر از یک صفحه نمایش توری دو روزنهای است، اما در واقع همان هست. فیزیکدانان پس از ۲۲ ساعت تابش پوزیترون الگوی موجدار آنرا تجزیه و تحلیل کردند تا نشان دهند که وقتی هیچ کس در حال تماشا نباشد، پوزیترونهای انفرادی شبیه موج عمل میکنند، درست همانند مادهی معمولی. در حال حاضر، این یک اثبات مفهومی است، بهجای اینکه شواهدی قطعی باشد که برای مقایسهی ماده با پادماده از آن استفاده شود. همچنین محققان دیگر نیز باید آنرا مرور کنند. اما این یک مرحلهی هیجانانگیز به سوی فصل جدیدی در تحقیق پادماده است. اگر پوزیترونها کوچکترین تفاوت را در کشش گرانشی تجربه کنند، به ابزار حساسی برای یافتن آن نیاز پیدا خواهیم کرد.
چنین آزمایشی تضمین نمیکند که این ناهنجاریها کشف شوند، اما میتواند آزمایشات فوق حساسی را ایجاد کند که برای کشف حقیقت به آنها نیاز داریم. الگوهای تداخل همان چیزی هستند که برای کشف کوچکترین تکان ناشی از امواج گرانشی احتیاج داریم. مرحلهی بعدی جمعآوری دادههای بیشتر است که توضیح میدهد، چرا بهجای هیچ، یک چیزی وجود دارد. خوشبختانه خیلی دور نیست؛ به شدت تلاش میکنیم تا کشف کنیم چرا اینجا هستیم؟
نوشته: مایک مکرا
ترجمه: سحر اللهوردی - مجله علمی ایلیاد