زمان خنک شدن پاد ماده ۹۹ درصد کاهش یافت

دانشمندان درباره الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و دیگر ذرات زیراتمی که ماده را تشکیل می‌دهند، چیزهای زیادی می‌دانند، اما درک ذراتی که «پاد ماده» را پدید می‌آورند نیز مهم است.

پاد ماده در واقع پسرعموی نادر اما واقعی ماده است که برای دهه‌ها به شکل یک راز باقی مانده است.

تفاوت اصلی ماده و پاد ماده در این است که آنها دارای بارهای الکتریکی مخالف هستند. بنابراین ذرات بنیادی تشکیل دهنده پاد ماده نیز در مقابل ذرات تشکیل دهنده ماده قرار دارند. به عنوان مثال، پاد ماده از پاد پروتون‌ها(ve-) و پوزیترون‌ها(ve+) تشکیل شده است. این ذرات به ترتیب شبیه پروتون‌ها و الکترون‌ها هستند، اما بارهای مخالف آنها دارند.

در فیزیک نوین، پاد ماده(Antimatter) ماده‌ای است که ذرات بنیادین و زیراتمی سازنده آن از ذراتی به نام پادذره یا جفت کوانتومی ذرات عادی تشکیل شده‌ است. پادذره‌ها در مدل استاندارد مخالف ذرات زیراتمی تشکیل دهنده مواد قلمداد می‌شوند و در برابر ذرات معمولی قرار می‌گیرند. میزان بسیار اندکی از ذرات پادماده به شکل روزانه در آزمایشگاه‌های شتاب‌دهنده ذرات تولید می‌شود. میزان پادماده تولید شده توسط این سامانه‌ها یا در موارد طبیعی مانند برخورد اشعه‌های کیهانی با جو زمین یا واپاشی هسته‌ای از چند نانوگرم بیشتر نمی‌شود و در روش‌های آزمایشگاهی از تمامی این تکنیک‌ها برای ایجاد پاداتم‌ها استفاده شده‌ است.

مطالعه پادماده و ذرات بنیادی آن می‌تواند انواع جدیدی از منابع انرژی و بسیاری از جنبه‌های دیگر جهان را که هنوز برای ما ناشناخته است، آشکار کند.

یک مطالعه پیشگامانه توسط محققان سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای(CERN) یک دستگاه انقلابی را نشان می‌دهد که قادر است پاد پروتون‌ها را تنها ظرف هشت دقیقه خنک کند. این یک جهش شگفت‌انگیز از فرآیند خنک‌سازی قبلی است که ۱۵ ساعت طاقت‌فرسا طول می‌کشید.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند: این پیشرفت قابل ‌توجه امکان اندازه‌گیری خواص پاد پروتون‌ها را با دقتی بی‌نظیر ممکن می‌سازد.

چرا پادپروتون‌های خنک؟

دانشمندان به منظور مطالعه پادماده، ذراتی مانند پادپروتون‌ها و پوزیترون‌ها را در یک شتاب دهنده ذرات مانند برخورد دهنده بزرگ هادرونی(LHC) ایجاد کردند و با هم برخورد دادند. با این حال، این ذرات باید در حین حرکت سرد شوند.

این به این دلیل است که پادپروتون‌های خنک‌تر آهسته‌تر حرکت می‌کنند و کنترل آنها و مطالعه خواص آنها را با دقت زیاد بدون تداخل حرکات سریع و تصادفی آسان‌تر می‌کنند. این دقت برای آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌های دقیق بسیار مهم است.

برای مثال، اگر می‌خواهید گشتاور مغناطیسی یک پادپروتون را بدانید، ابتدا باید فرکانس انتقال‌های کوانتومی اسپین را اندازه‌گیری کنید که به آن چرخش‌های اسپین نیز می‌گویند.

با این حال، اسپین یک پادپروتون زمانی که در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، بین ½ تا ½- تغییر می‌کند. بنابراین تنها زمانی می‌توان فرکانس چرخش اسپین را اندازه‌گیری کرد که پادپروتون کند باشد.

باربارا لاتاکز نویسنده ارشد این مطالعه و پژوهشگر سرن گفت: برای اندازه‌گیری واضح انتقال اسپین پادپروتون، باید ذره را تا کمتر از ۲۰۰ میلی‌کلوین(منفی ۲۷۲.۹۵ درجه سانتی‌گراد) خنک کنیم.

محققان در سرن، گشتاورهای مغناطیسی پروتون‌ها و پادپروتون‌ها را برای تشخیص هرگونه تفاوت بین ماده و پادماده مطالعه می‌کنند.

خنک کردن پادپروتون با دستگاه جدید

محققان سرن قبلاً تنظیمی ایجاد کرده بودند که حدود ۱۵ ساعت طول می‌کشید تا پادپروتون‌ها را خنک کند.

لاتاکز می‌گوید: از آنجایی که ما نیاز به انجام ۱۰۰۰ چرخه اندازه‌گیری داریم، خنک کردن پادپروتون سه سال برای ما زمان می‌برد که ناممکن بود.

محققان برای غلبه بر این چالش، دستگاه جدیدی را توسعه دادند که از یک سیستم خنک کننده مشابه اما با برخی تغییرات استفاده می‌کند.

در ابتدا پادپروتون‌ها با استفاده از یک کند کننده پادپروتون(AD) و حلقه پادپروتون بسیار کم انرژی(ELENA) کند می‌شوند. در مرحله بعدی، تعداد زیادی پادپروتون در یک «تله پِنینگ» نگه‌داری می‌شوند که وسیله‌ای است که برای محدود کردن ذرات باردار مانند یون‌ها یا پادپروتون‌ها با استفاده از میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی استفاده می‌شود.

سپس یک پادپروتون به سامانه‌ای که از دو تله پنینگ تشکیل شده است، وارد می‌شود. اولین تله دمای ذره را اندازه‌گیری می‌کند که اگر بیش از حد بالا باشد، پادپروتون به تله دوم منتقل می‌شود تا خنک شود.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند که ذره تا زمانی که به دمای مطلوب برسد، مدام بین دو تله جابجا می‌شود.

این دستگاه می‌تواند یک پادپروتون را تنها ظرف هشت دقیقه خنک کند، به این معنی که پژوهشگران می‌توانند ۱۰۰۰ چرخه اندازه‌گیری را به آسانی انجام دهند و در عرض یک ماه نتایج را با دقت استحصال کنند.

تغییر شدید در خنک کردن توسط مجموعه‌ای از عوامل ایجاد می‌شود. به عنوان مثال، در مقایسه با تنظیمات خنک کننده قبلی، قطر تله پنینگ خنک کننده در دستگاه جدید نصف(۳.۸ میلی‌متر) شده است. این دستگاه جدید همچنین مجهز به سیستم الکترود پیشرفته و الکترونیک بهینه شده است.

همه این تغییرات منجر به مدیریت بهتر گرما، کاهش نویز پس‌زمینه و کارآمدتر شدن سامانه شد. به عنوان مثال در تنظیمات قبلی، یک پادپروتون باید در طول هر چرخه اندازه‌گیری به مدت ۱۰ دقیقه در تله خنک کننده می‌ماند، اما در دستگاه جدید، ذره باید تنها پنج ثانیه را سپری کند.

کاهش زمان خنک سازی به معنای بهبود تجزیه و تحلیل پاد ماده است

به گفته ناسا، جهان ما عمدتاً از انرژی تاریک(حدود ۶۹ درصد) و ماده تاریک(حدود ۲۶ درصد) تشکیل شده است. بخش باقیمانده عمدتاً ماده(حدود ۵ درصد) است و پادماده تنها بخش کوچکی از جهان را تشکیل می‌دهد.

با این حال، همیشه اینطور نبوده است. مه‌بانگ باید مقادیر مساوی ماده و پادماده را در جهان اولیه ایجاد می‌کرد، اما امروزه پادماده زیادی پیدا نمی‌شود. گزارش سرن خاطرنشان می‌کند که باید چیزی اتفاق افتاده باشد که تعادل را از بین برده است.

درک عمیق پادماده می‌تواند به توضیح اینکه چرا اینقدر در جهان کمیاب است، کمک کند. این جایی است که دستگاه جدید می‌تواند تأثیر قابل توجهی داشته باشد. توانایی آن در خنک کردن سریع پادپروتون‌ها برای مطالعه پادماده و ذرات بنیادی آن با دقت بالاتر بسیار مهم است.

استفان اولمر، یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: به عنوان مثال تاکنون ما قادر بوده‌ایم گشتاورهای مغناطیسی پادپروتون و پروتون را با دقت یک قسمت در میلیارد مقایسه کنیم. اکنون این دستگاه جدید به ما امکان می‌دهد به دقت یک دهم یا حتی یک صدم میلیارد دست پیدا کنیم و کوچکترین اختلاف می‌تواند به حل معمای عدم تعادل بین ماده و پادماده در جهان کمک کند.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.