استفاده از پادماده برای نخستین‌بار در آزمایشی کلاسیک

دانشمندان برای اولین‌بار در آزمایشی شبیه‌به آزمایش دو شکافی یانگ، به‌جای الکترون از پوزیترون استفاده کردند و توانستند طرح تداخلی پوزیترون را ببینند.

پژوهشگران برای اولین‌بار یک آزمایش فیزیک سنتی را با پوزیترون (پاد ماده‌ی الکترون و یکی از ذرات بنیادی) انجام دادند و نه‌تنها از آن نتایج جالب و درستی گرفتند؛ بلکه این آزمایش اولین قدم به سمت اکتشافات بسیار تاثیر‌گذار و دگرگون‌کننده در علم محسوب می‌شود. این آزمایش که نسخه‌ی پاد‌ماده‌ی آزمایش مشهور دو‌شکافی است، توسط دانشمندان سوئیس و ایتالیا انجام گرفت و هدف از آن، فهم بهتر پایه و اساس آزمایش‌ها‌ی فوق حساس در‌خصوص حل معما‌ی ماده و پاد‌ماده‌ی عالم است.

در زندگی روزمره‌ی همگی ما ماده نقش عمده‌ای دارد. اما هر‌کدام از ذرات بنیادی تشکیل‌دهنده‌ی جهان، یک پاد‌ماده هم دارند. این ذرات پاد‌ماده در همه‌ی ویژگی‌ها با ذره‌ی ماده یکی هستند و تنها بار و تعداد محدودی از ویژگی‌ها‌ی کوانتومی آن‌ها با یکدیگر متفاوت است.

پاد ماده

اگر ماده و پاد‌ماده درکنار یکدیگر قرار‌بگیرند، یکدیگر را نابود می‌کنند و تنها از آن‌ها انرژی باقی می‌ماند. این پدیده، سوالات جالب بسیاری بر‌می‌انگیزد. اگر ما با نوعی از ماده احاطه‌شده باشیم، آیا به‌این معنی است که این نوع از ماده بیشتر وجود‌دارد؟ اگر اینطور است، چه چیزی میان آن‌ها تفاوت ایجا می‌کند؟

تا‌به‌امروز هیچ‌کدام از تلاش‌ها‌ی ما در این زمینه نتیجه‌بخش نبوده‌اند و هر کلیدی به‌دست‌آورده‌ایم را دور انداخته‌ایم. تا جایی که برای ما معنی دارد، ماده و پاد‌ماده در بیشتر ویژگی‌ها یکسان‌هستند. طبق مدل استاندارد ذرات بنیادی، پاد‌ماده‌ها نیز باید دقیقا شبیه ماده‌ی معمولی از قوانین جهانی گرانش پیروی‌کنند و شواهد آزمایشگاهی مستندی نیز از این تئوری حمایت و آن را تأیید می‌کنند.

این موضوع، فیزیکدان‌ها را از جست‌و‌جو و کنکاش در مورد قسمت‌ها‌ی نامعلوم فیزیک باز‌نمی‌دارد؛ حتی زمانی‌که حتی وجود عالم بر لبه‌ای نوک‌تیز قرار‌دارد. حتی یک نکته‌ی ظریف در نحوه‌ی تاثیر‌گذاری گرانش بر پاد‌ماده نیز می‌تواند دستاورد بزرگ مورد نیاز ما باشد؛ اما نیرو‌ی گرانش به‌حدی ضعیف است که بررسی آن بسیار دشوار است.

این نیرو ما را به یکی از کلاسیکی‌ترین آزمایش‌ها‌ی فیزیک رهنمون می‌کند که دانشمندان هم‌اکنون با ذرات پاد‌ماده آن را انجام داده‌اند. در این آزمایش، دو شکاف، یک ذره و همه‌ی رنج‌ها‌ی روحی جهان شرکت دارند.

قرن‌ها چگونگی تابیدن نور از یک پنجره‌ی نیمه‌باز را مورد آزمایش قرار می‌دادیم. دو قرن پیش، فیزیکدانی به‌نام توماس یانگ، یک پنجره‌ی دیگر اضافه کرد و نشان‌داد که نور روی دیوار پشت دو شکاف، الگویی موجی را شکل می‌دهد. این نشانه‌ای از این بود که نور از امواجی درست‌شده است که موج گذرنده از هر‌کدام از شکاف‌ها با نور گذرنده از شکاف دیگر، تداخل می‌کند.

یک قرن و نیم پس از آن، فیزیکدان بزرگ دیگری به‌نام ریچارد فاینمن، همین آزمایش را با ذره‌ای انجام داد که تا آن زمان به‌عنوان نماینده‌ای از ماده شناخته می‌شد. قبل از اینکه ویژگی‌ها‌یی مانند مکان دقیق الکترون‌ها را اندازه‌گیری‌کنیم، الکترون‌ها مانند امواج احتمال رفتار می‌کنند. بنابر‌این، اگر کسی الکترونی را اندازه‌گیری نکند، چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا الکترون می‌تواند مانند موج از هر دو شکاف عبور‌ کند، به دو نیم تقسیم‌شود و برای تداخل با خودش مانند نور دوباره شکل بگیرد؟ مضحک به‌نظر می‌رسد اما این همان چیزی است که مشاهده شده است.

بعد از طراحی آزمایش فکری مورد بحث توسط فاینمن، تا دهه‌ها این آزمایش با استفاده از باریکه‌ها‌ی الکترونی انجام شد. در سال ۱۹۸۹ دانشمندان ژاپنی هیتاچی تصمیم‌گرفتند الکترون‌ها را به‌صورت تک تک به سمت دو‌شکافی پرتاب کنند.  از آن به‌بعد این پدیده‌ی عجیب کوانتومی در مورد همه‌ی انواع ذرات کوچک از جمله مولکول‌ها اتفاق افتاده است. این پدیده‌ها نشان می‌دهند که ذرات جدا‌گانه‌ی ماده، جدای از اندازه، رفتار موجی از خود نشان می‌دهند.

پاد‌ماده داستان دیگری دارد. دسترسی به پاد‌ماده در جهان کار ساده‌ای نیست. بنابر‌این اگر‌چه طبق تئوری، این ذرات باید رفتاری موج‌گونه داشته‌باشند، اما این پدیده تا‌کنون مشاهده نشده‌است. دانشمندان برای اجرای این آزمایش از دستگاهی در ایتالیا استفاده کردند که نام آن، آزمایشگاه لایه‌نشانی نانو‌ساختاری و اسپینترونیک بر سیلیکون (L-NESS) است.

در این آزمایش، پوزیترون‌ها (الکترون با بار مثبت) از تابش رادیو‌اکتیو یک جسم رادیو‌اکتیو جدا‌سازی و در یک چیدمان دو‌شکافی  به‌نام تداخل‌سنج تالبوت - لاو استفاده می‌شوند. این آزمایش نوع پیچیده‌تری از آزمایش دو‌شکافی است اما در آخر به یک نتیجه می‌رسد.

پس از ۲۰۰ ساعت تابش پوزیترون، فیزیکدان‌ها با تحلیل الگو‌ی تشکیل‌شده از تابش آن‌ها به این نتیجه رسیدند که پوزیترون‌ها‌ی تکی نیز زمانی‌که مشاهده‌کننده‌ای وجود نداشته باشد، مانند ماده‌ی معمولی، رفتار موجی از خود نشان می‌دهند.

در‌حال‌حاضر این آزمایش اثباتی برای اندیشه‌ی دانشمندان بوده است اما نشانه‌ی قطعی برای مقایسه‌ی ماده و پاد‌ماده نیست. اما قدم بزرگی به‌سمت پژوهش‌ها‌ی بیشتر در مورد پاد‌ماده است. اگر اثر گرانش بر پوزیترون‌ها کمی با اثر گرانش بر الکترون‌ها متفاوت باشد، باید ابزار بسیار حساسی برای اندازه‌گیری آن پیدا‌کنیم.

آزمایش‌ها‌یی شبیه به این دستیابی به این نا‌هنجاری‌ها را تضمین نمی‌کنند. اما می‌توانند ما را به آزمایش‌ها‌ی فوق‌حساس دیگری هدایت کنند که به‌کمک آن‌ها می‌توان این گردو‌ی سخت را شکست. برای مثال، طرح‌ها‌ی تداخلی برای آشکار‌سازی امواج گرانشی استفاده شدند.

قدم بعدی می‌تواند جمع‌آوری اطلاعات بیشتر در مورد این باشد که چرا به‌جای هیچ، چیزی وجود دارد. خوشبختانه این هدف چندان دور نیست.

این پژوهش در مجله‌ی Science منتشر‌شده است.

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده

بیشتر بخوانید