دانشمندان ذره پادماده را برای یک ماه در تله‌ای نامرئی نگه داشتند

چرا جهان از ماده ساخته شده است و نه پادماده؟ پادماده از ذراتی تشکیل شده که جرم یکسان، اما بار الکتریکی مخالف با همتایان معمولی خود دارند. برای مثال، پوزیترون همتای پادماده‌ای الکترون است. ماده و پادماده هنگام برخورد با یکدیگر نابود می‌شوند و انرژی آزاد می‌کنند.

دانشمندان معتقدند در نخستین لحظات پس از بیگ‌بنگ، ماده و پادماده تقریباً به یک اندازه وجود داشته‌اند؛ اما به دلایلی نامعلوم، مقدار اندکی ماده باقی مانده و جهان امروزی را شکل داده است. اکنون گروهی از فیزیک‌دانان با به دام انداختن ذره‌ی پادماده به مدت یک ماه، ابزار تازه‌ای برای بررسی این معمای بزرگ فیزیک به دست آورده‌اند.

نگهداری پادماده کار بسیار دشواری است؛ زیرا این ماده به‌محض تماس با ماده‌ی معمولی می‌تواند در فرایندی به نام نابودی متقابل، از بین برود. به همین دلیل، دانشمندان نمی‌توانند پادماده را در ظرف‌های معمولی نگه دارند و برای مطالعه‌ی آن به تجهیزات ویژه نیاز دارند.

پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن به سرپرستی جرالد گابریلس موفق شدند تله‌ای بسازند که یک پوزیترون، یعنی همتای پادماده‌ای الکترون را بدون تماس با دیواره‌های فیزیکی در محیطی بسیار سرد نگه می‌دارد.

به‌گزارش ساینتیفیک آمریکن، پژوهشگران برای تولید پوزیترون از سدیم ۲۲ استفاده کردند؛ ایزوتوپی پرتوزا که نیمه‌عمر آن حدود دو سال و نیم است و هنگام واپاشی، پوزیترون آزاد می‌کند.

نخستین چالش، کاهش سرعت پوزیترون‌ها بود. ذرات تولیدشده انرژی زیادی دارند و برای به دام انداختن آن‌ها باید ابتدا سرعتشان کاهش یابد. دانشمندان برای این کار پوزیترون‌ها را از قطعه‌ای نازک از تنگستن سرد عبور دادند.

برخورد ذرات با ساختار بلوری تنگستن باعث شد بخشی از انرژی خود را از دست بدهند. البته این مرحله خطرناک است؛ زیرا هر برخورد می‌تواند به نابودی پوزیترون منجر شود. بااین‌حال، برخی از ذرات بدون نابودشدن از تنگستن خارج می‌شوند.

در مرحله‌ی بعد، پژوهشگران پوزیترون‌ها را با کمک میدان‌های الکترومغناطیسی به درون محفظه‌ای خلأ هدایت کردند. دمای این محیط فقط ۰٫۳ درجه‌ی سانتی‌گراد بالاتر از صفر مطلق، یعنی حدود منفی ۲۷۲٫۸۵ درجه‌ی سانتی‌گراد است.

گابریلس توضیح می‌دهد که برای نگهداری پادماده باید از محفظه‌ای بدون دیواره استفاده کرد؛ زیرا تماس ذره با دیواره‌های ساخته‌شده از ماده‌ی معمولی می‌تواند به نابودی آن منجر شود. پژوهشگران با این روش موفق شدند یک پوزیترون را به مدت یک ماه حفظ و مطالعه کنند. به گفته‌ی آن‌ها، این فناوری از نظر تئوری می‌تواند امکان نگهداری ذره برای مدت نامحدود را نیز فراهم کند.

هدف بعدی پژوهشگران، اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی پوزیترون با دقتی بسیار بالا است. گشتاور مغناطیسی یکی از ویژگی‌های بنیادی ذرات است که رفتار آن‌ها را در میدان‌های مغناطیسی توصیف می‌کند.

گابریلس و همکارانش پیش‌تر توانسته بودند گشتاور مغناطیسی الکترون را با دقتی معادل یک قسمت در ۱۰ تریلیون اندازه‌گیری کنند. اکنون قصد دارند همین اندازه‌گیری را برای پوزیترون انجام دهند و نتایج را با یکدیگر مقایسه کنند.

براساس مدل استاندارد فیزیک ذرات، گشتاور مغناطیسی الکترون و پوزیترون باید از نظر اندازه برابر و از نظر جهت مخالف باشد. اگر اندازه‌گیری‌ها اختلافی فراتر از پیش‌بینی‌های نظری نشان دهند، ممکن است نشانه‌ای از پدیده‌های ناشناخته در فیزیک باشد.

اهمیت موضوع به نخستین لحظات پیدایش جهان بازمی‌گردد. دانشمندان تصور می‌کنند پس از بیگ‌بنگ، ماده و پادماده تقریباً به مقدار برابر تولید شدند. در ادامه، بیشتر آن‌ها یکدیگر را نابود کردند؛ اما مقدار اندکی ماده باقی ماند که بعدها ستارگان، سیاره‌ها و کهکشان‌ها را شکل داد.

هنوز مشخص نیست چرا ماده توانست از این نابودی گسترده جان سالم به در ببرد. فیزیک‌دانان امیدوارند شناسایی تفاوت‌های احتمالی میان ماده و پادماده بتواند سرنخ‌هایی برای توضیح این عدم تقارن فراهم کند.

هارنیک دستاورد جدید را پیشرفتی هیجان‌انگیز توصیف می‌کند که امکان آزمایش یکی از تقارن‌های بنیادی طبیعت را فراهم خواهد کرد.

بااین‌حال، به دام انداختن پوزیترون به معنای حل معمای برتری ماده بر پادماده نیست. پژوهشگران هنوز باید اندازه‌گیری‌های دقیق موردنظر را انجام دهند و مشخص کنند آیا رفتار پوزیترون واقعاً با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد تفاوت دارد یا خیر.

پژوهش در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده است.