پاد ذره
پاد ذره
در سال 2011، آزمايش ALPHA در مركز تحقيقات سرن انجام شد تا اتمهاي پادهيدروژن (پادماده هيدروژن) را توليد و آنها را براي مدت 1000 ثانيه ذخيره كند. به گفته يكي از دانشمندان سرن، 1000 ثانيه زمان كافي را در اختيار شما قرار ميدهد تا يك فنجان قهوه براي خود درست كنيد. در آينده شايد اين زمان حتي براي انجام آزمايشهايي به منظور بررسي رفتار پادهيدروژن و مقايسه آن با هيدروژن كافي باشد.
اگر هرگونه تفاوتي مشاهده شود، گامي مهم در حل يكي از بزرگترين رازهاي دانش خواهد بود. اينكه چرا در حاليكه پادماده و ماده هر دو طي مهبانگ خلق شدند، جهان از ماده و پادماده ساخته شده است؟
حل اين معما دليل اصلي مطالعه پادماده توسط دانشمندان است. مطالعه پادماده ميتواند دلايل وجودي ما را توضيح دهد. اينكه چرا به جاي عدم و نيستي، ماده در اين جهان وجود دارد.
اما با اين وجود، خواص انفجاري پادماده اميدها را براي كاربردهاي باورنكردني بالقوه آن در آينده در هالهاي از ابهام قرار ميدهد.
پدرخوانده پادماده
پل ديراك، فيزيكدان انگليسي را پدر پادذرات ميشناسند. چراكه براي نخستينبار توانست وجود آنها را پيبيني كند. بسياري از دانشمندان، او را بزرگترين نظريهپرداز انگليسي بعد از آيزاك نيوتون ميدانند.
در آغاز قرن بيستم، دنياي فيزيك تحت تأثير دو نظريه انقلابي جديد قرار گرفته بود. نظريهي نسبيت خاص كه آلبرت اينشتين در آن حد بالايي سرعتها را سرعت نور در خلاء فرض كرده و قوانين جديدي براي توصيف حركت اجسام بدست آورد و نظريه مكانيك كوانتومي كه افراد زيادي همچون پلانك، نيلز بوهر، اروين شرودينگر، ورنر هايزنبرگ و حتي خود اينشتين، در شكلگيري آن نقش داشتند و به توصيف شرايط موجود دنياي ريزمقياس و زيراتمي ميپرداخت
پل ديراك موفق شد اين دو نظريه را با هم تركيب كند و معادلهاي براي توصيف وضعيت اجسام ريزمقياس در سرعتهاي بسيار زياد به دست آورد. اين معادله ميتوانست رفتار الكترونها را كه با سرعتهاي نزديك به نور حركت ميكردند، به خوبي توصيف كند. اما جالب اينجا بود كه اين معادله همچنين براي ذرهاي كاملاً شبيه به الكترون ولي با بار الكتريكي مثبت نيز سازگار بود. ديراك ابتدا تصور كرد كه اين پاسخ ارزشي ندارد، اما پس از مدتي متوجه شد كه اين پاسخ درست است و معادلهاش، وجود دسته كاملاً جديدي از ذرات را پيشبيني ميكند. او چنين نتيجه گرفت كه هر ذرهاي داراي پاد ذرهاي كاملاً مشابه ولي با بار مخالف است.
در سال 1932، كارل اندرسون توانست با بررسي رد ذرات برجا مانده از پرتوهاي كيهاني در اتاق ابر، وجود ذرهاي همجرم الكترون ولي با بار الكتريكي مثبت را اثبات كند. اين ذره كه با پيشبيني ديراك مطابقت داشت، پوزيترون (پادذره الكترون) نام گرفت و جايزه نوبل فيزيك 1933 را براي ديراك به همراه شرودينگر و هايزنبرگ و جايزه نوبل فيزيك 1936 را براي اندرسون به ارمغان بياورد.
چطور پادماده بسازيم؟
اگر شما از كنار يك توده پادماده عبور كنيد، در مقايسه با ماده هيچ تفاوتي را در آن مشاهده نميكنيد. شما از بيرون قادر نيستيد ماده و پادماده را تشخيص دهيد. حتي اگر شما به اتمهاي منفرد نيز نگاه كنيد، ماده و پادماده غير قابل تشخيص هستند. تنها درون اتمهاست كه ويژگي مكمل هم بودن آنها، خود را نشان ميدهد.
اتمهاي ماده يعني همانچيزي كه بدن من و شما و هر چيزي در اطراف ما را تشكيل داده، از الكترونهايي ساخته شده است كه به دور هسته مركزي در حال چرخش هستند. اتم سادهترين عنصر يعني هيدروژن، از يك الكترون سبك وزن و يك هسته سنگين (در مقياس اتمي) شامل يك پروتون ساخته شده است.الكترون حامل بار الكتريكي منفي است و پروتون به همان ميزان بار الكتريكي اما از نوع مثبت دارد. بر اساس قانون «بارهاي ناهمنام يكديگر را ميربايند» است كه اين اجزاء در كنار يكديگر قرار ميگيرند و اتم را شكل ميدهند.
يك اتم پادهيدروژن نيز همين ساختار را دارد، اما يك نكته متفاوت است:
بارهاي الكتريكي آن معكوس هستند. يك پادپروتون سنگين، مركزي و بار بار منفي به يك پادالكترون دوردست، سبك و با بار مثبت چنگ ميزند تا آنجايي كه به قانون جذب بارهاي الكتريكي مربوط ميشود. هيچچيز تغيير نكرده است. در هر دو حالت بارهاي منفي و مثبت يكديگر را جذب ميكنند. بنابراين نيروهاي الكتريكي و مغناطيسي كه اتمها را ميسازند تا مولكولها و مواد را به وجود آورند، به صورت مشابه به پاداتمها نيز اعمال ميشوند تا پادمولكولها و پاماده را به وجود آورند.
تا آنجايي كه ما اطلاع داريم، قوانين فيزيك ايجاب ميكنند كه انرژي مهبانگ بايد مقادير يكساني از ماده و پادماده را به وجود آورده باشد. بنابراين فقدان وجود پادماده در توده عالم امروزي يك معما به حساب ميآيد.
يكي از مهمترين چالشها در سرن، حل اين معماست كه چرا در جهان، يك عدم تقارن بين ماده و پادماده وجود دارد؟
يك موضوع به طور قطعي مشخص است: پادماده و ماده مخلوط نميشوند.
اين مسأله براي ذرات منفرد همانند اتمها نيز صادق است. زمانيكه يك ذره با پادذره متناظر خود مواجه ميشود، هر دو با تابش از انرژي همچون پرتو گاما نابود ميشوند. برخي از مواد راديواكتيو به صورت طبيعي از خود پوزيترون (پادالكترون) ساتع ميكنند و چندين دهه است كه از نابودي پوزيترون توسط الكترون در اسكنرهاي PET براي تشخيصهاي پزشكي در بيمارستانها استفاده ميشود.
در دهه 1990 (1370 شمسي)، نابودي الكترونها و پوزيترونها به تماشاييترين روش ممكن با استفاده از يك شتابدهنده ذرات در سرن انجام شد. دانشمندان با شتابدادن آنها تا سرعت نزديك به سرعت نور در LEP (برخورد دهنده بزرگ الكترون و پوزيترون)، آنها را به يكديگر كوبيدند.
انرژي توليدي حاصله در ناحيهاي كوچكتر از اندازه هسته اتم، مشابه شرايط جهان در چند لجظه پس از پيدايش بود !!!
با ثبت نتايج اين شبه مهبانگ، مطالعه نحوه شكلگيري ماده پس از وقوع مهبانگ امكانپذير بود. آزمايشها تأييد كردند كه انرژي ميتواند به مقادير يكسان و برابر ماده و پادماده تبديل شود. اين موضوع اين نظريه را كه در جهان اوليه، پديدار شدن ماده و پادماده در تعامل كامل با يكديگر رخ داد، تقويت ميكرد. بنابراين معماي پادماده گمشده كماكان به قوت خود باقي ماند.
دانشجویان فیزیک و فیزیکدان های دانشگاه صنعتی اصفهان هستیم.