یک آزمایش شگفت انگیز؛ هم نشینی ماده و پاد ماده
بيگ بنگ/ دانشمندان براي اولينبار يک آزمايش فيزيکي نمادين را با پوزيترون– پامادهاي از الکترون، يکي از ذرات بنيادي – انجام دادند. نه تنها آنها به نتايج جالبي دست پيدا کردند، بلکه اين دستاورد ميتواند اولين مرحله در کشفيات انقلابي باشد. اين آزمايش – يک نسخهي پادماده از تنظيمات معروف دو روزنهاي – توسط محققان سوئيسي و ايتاليايي اجرا شد تا سير جديدي از آزمايشات فوق ِ حساس آغاز گردد؛ آزمايشاتي که اسرار دو حيطه از ماده در جهان را برملا ميکنند. زندگي روزانۀ ما توسط يک شکل احاطه شده که آن را ماده ميناميم. اما هر عضوي از خانوادۀ ذرات بنيادي داراي يک دوقلوي پادماده است که بيشترين خصوصيات آنها مشترک ميباشد، جدا از يک بارِ معکوس و چند تلنگر کوانتومي ديگر. اگر دو نوع ماده را کنار هم قرار دهيد خواهيد ديد که در يک انفجار پرانرژي محو ميشوند و سئوالات جالبي را مطرح ميکنند. اگر با يک ماده احاطه شده باشيم، آيا اين بدين معنا است که اين ماده بيشتر از پادماده وجود دارد؟ اگر اينچنين باشد، چه چيزي اين مسئله را خاص ميکند؟ تاکنون بهترين تلاشهاي ما براي يافتن پاسخ نتوانستند حتي کوچکترين نشانهاي از آن را کشف کنند. دو حيطه از ماده هنوز به دلايلي معنادار يکسان هستند. بر اساس مدل استاندارد فيزيک ذرهاي، پادماده دقيقأ همانند مادۀ معمولي بايد از قوانين گرانش پيروي کند. تعداد زيادي از تلاشهاي آزمايشگاهي براي مقايسه دو نوع ماده از اين نظريه پشتيباني ميکنند. اين امر مانع از آن نميشود که فيزيکدانان راههاي جديدي را براي جستجوي نقاط ضعف و هشدارها پيدا کنند؛ نه وقتي وجود جهان در معرض خطر است! حتي يک اختلاف جزئي در چگونگي گرانش پادماده ميتواند شکاف بزرگي باشد که به آن نياز داريم. اما گرانش نيرويي است که به صورت قوي بررسي نشده و ما را به يکي از کلاسيکترين آزمايشات فيزيک نزديک ميکند، آزمايشي که فيزيکدانان به تازگي با ذرهي پادماده انجام دادهاند. اين آزمايش شامل دو روزنه است: يک ذره و کل دنياي درد ذهني. به مدت چندين قرن آزمايش کرديم که نور چگونه از لابلاي شکافهاي باريک پنجرهها درون صفحه نمايش تابيده ميشوند. ۲۰۰ سال پيش، فيزيکداني به نام توماس يانگ يک پنجرۀ دوم را موازي با اولين پنجره اضافه کرد و اثبات کرد که الگوي موجداري که نور بر روي ديوار پشت روزنهها ايجاد کرده نشانهاي از اين بود که نور از موجهايي تشکيل شده که با يکديگر تداخل دارند. پس از گذشت يک قرن و نيم، يک نام بزرگ ديگر در فيزيک يعني ريچارد فاينمن با توجه به چيزي که قبلأ در مورد ماده کشف شده بود، آزمايش دو شکاف يانگ را مد نظر قرار داد. ذراتي همانند الکترونها به شکل امواج احتمال وجود دارند تا زمانيکه اندازهگيري شوند و همراه با خواصي مثل يک پوزيترون عرضه شوند. بنابراين، اگر هيچکس يک الکترون را اندازهگيري نکند، آيا اين الکترون همانند يک موج از درون هر دو شکاف عبور ميکند، تجزيه ميشود و اصلاح ميگردد تا با خودش تداخل برقرار کند، درست همانند نور؟ درست است عجيب به نظر ميرسد اما اين دقيقأ همان چيزي است که رخ ميدهد. در حاليکه آزمايشات متعددي با استفاده از جريانات الکترونها در دهههاي پيش از آزمايش فاينمن انجام شده، در سال ۱۹۸۹ محققان ژاپني در هيتاچي سعي کردند الکترونهاي مجزا را تک تک در يک صفحه نمايش شليک کنند. از آن زمان به بعد، همين عجيب بودنِ کوانتومي در تمام انواع ذرات جامد از جمله کل مولکولها نيز مشاهده شده است. يعني اجزاي ماده، مهم نيست چقدر بزرگ باشند، همگي رفتاري شبيه موج دارند. پادماده يک داستان ديگر است. پادماده آسانترين ماده در جهان نيست، بنابراين درحاليکه به طور نظري بايد شبيه موج رفتار کند، اما هرگز چنين چيزي در آن مشاهده نشده است. براي انجام آزمايش، محققان از تسهيلات موجود در ايتاليا به نام آزمايشگاه نانوساختار اپيتاکسي و اسپينترونيکس در سيليکون يا L-NESS استفاده کردند. پوزيترونها – الکترونهايي با بار مثبت بجاي منفي – از يک مادهي راديواکتيوِ در حال فروپاشي فيلتر شدند و در يک تنظيماتِ دو مرحلهاي به نام اينترفرومتر Talbot-Lau جريان پيدا کردند. اين کمي پيچيدهتر از يک صفحه نمايش توري دو روزنهاي است اما در پايان همان هست. فيزيکدانان پس از ۲۲ ساعت تابش پوزيترون الگوي موجدار آن را تجزيه و تحليل کردند تا نشان دهند که وقتي هيچکس در حال تماشا نباشد، پوزيترونهاي انفرادي شبيه موج عمل ميکنند، درست همانند مادۀ معمولي. در حال حاضر، اين يک اثبات مفهومي است، بجاي اينکه شواهدي قطعي باشد که براي مقايسهي ماده با پادماده از آن استفاده شود. همچنين محققان ديگر نيز بايد آن را مرور کنند و براي همه در وب سايت arxiv.org در دسترس است. اما اين يک مرحلۀ هيجانانگيز به سوي يک فصل جديد در تحقيق پادماده است. اگر پوزيترونها کوچکترين تفاوت را در کشش گرانشي تجربه کنند، به ابزار حساسي براي يافتن آن نياز پيدا خواهيم کرد. چنين آزمايشي تضمين نميکند که اين ناهنجاريها کشف شوند، اما ميتواند آزمايشات فوق حساسي را ايجاد کند که براي کشف حقيقت به آنها نياز داريم. الگوهاي تداخل همان چيزي هستند که براي کشف کوچکترين تکانِ ناشي از امواج گرانشي احتياج داريم. مرحلۀ بعدي جمعآوري دادههاي بيشتر است که توضيح ميدهد چرا بجاي هيچ، يک چيزي وجود دارد. خوشبختانه خيلي دور نيست – به شدت تلاش ميکنيم تا کشف کنيم چرا اينجا هستيم.