دانشمندان روشی را برای شناسایی دقیق پاد ماده ابداع کردند

پاییز سال گذشته بود که دانشمندان مرکز تحقیقاتی سرن (CERN) برای نخستین بار موفق به مشاهده و سنجش طیف نوری پاد ماده شدند، که از ذره مخالف هیدروژن، یعنی پاد-هیدروژن ساطع شده بود.

این موفقیت تازه آغاز کار دانشمندان بود. حال در این مرکز، جزئیاتی در مورد ساختار پادهیدروژن با استفاده از روش های طیف سنجی به دست آمده که نقطه عطفی در تلاش بشر برای درک جهان هستی به شمار می رود.

محققان کانادایی تحت پیمان همکاری آلفا (ALPHA) برای نخستین بار نشان دادند که خطوط طیفی پاد هیدروژن، دقیقاً مشابه طیف هیدروژن است. البته این نتیجه کاملاً مورد انتظار بود و اگر چیزی جز این به دست می آمد، تمام درک ما از  سازوکار جهان هستی زیر سؤال می رفت.

یکی از بزرگ ترین اسرار علم فیزیک نوین، این است که چرا همه چیز از یک نوع ماده ساخته شده، در حالی که دو نوع ماده در جهان هستی وجود دارد. مدل استاندارد فیزیک پیش بینی می کند که تمام ذرات جهان، همتایی دوقلو دارند؛ یعنی ذره ای با ویژگی های یکسان اما برعکس.

به عنوان مثال، الکترون با بار منفی، ذره دیگری به نام پوزیترون را با ویژگی های کاملاً مشابه اما بار مثبت روبروی خود می بیند. فرضیه بعدی این است که اگر دو ذره مخالف با یکدیگر برخورد کنند، از بین رفته و تابش گاما را به وجود می آورند.

اما باز هم این سؤال وجود دارد که چرا در جهان، مقدار زیادی از یک نوع ماده داریم و با جهانی تهی از ماده و سرشار از تابش های گاما روبرو نیستیم. اگر اندکی عدم تعادل در تقارن آشکار جهان هستی وجود داشت، می توانستیم این وضعیت و تشکیل میلیاردها کهکشان پس از مهبانگ را توجیه کنیم.

بهترین راه برای پاسخ به این سؤالات، تحقیق روی پاد ماده و بررسی تفاوت های آن با ماده است، و برای این کار باید مقدار زیادی پاد ماده را در یک مکان گردآوری کنیم؛ عملی که به هیچ وجه ساده نیست.

تیم آلفا توانست با استفاده از حلقه کاهنده سرعت پادپروتون در مرکز سرن، 90 هزار پادپروتون را جمع آوری کند. در مرحله بعد، باید هر پادپروتون را با یک پوزیترون ترکیب کرد تا پادهیدروژن به دست آید. این محققین بیش از 1.6 میلیون پوزیترون تولید کردند، اما در نهایت فقط موفق به تولید 25000 اتم پادهیدروژن شدند.

یکی از مهم ترین چالش های این دانشمندان، محصور نگه داشتن پادهیدروژن ها بود تا از برخورد آنها با ماده و از بین رفتنشان جلوگیری شود. «جاستین مونیش» عضو این تیم می گوید:

پاداتم ها را نمی توان در محیط عادی نگه داشت، بلکه باید آنها را درون یک محفظه مغناطیسی ویژه محصور نمود.

در نهایت پس از آزمایشات مختلف، دانشمندان توانستند فقط 194 پاداتم را به دام بیندازند، رقمی که دشواری های تحقیقات روی پادماده را به خوبی نشان می دهد.

خوشبختانه این مقدار پاد ماده، کافی بود تا محققین بتوانند آنها را در معرض تابش امواج مایکروویو قرار داده و برای نخستین بار، طیف مشخصه پادهیدروژن را با دقت بسیار بالا به دست آورند. این نتیجه، اثبات کرد که خطوط طیفی پاد هیدروژن دقیقاً متناظر با طیف مشخصه هیدروژن هستند.

«جفری هنگست» یکی دیگر از دانشمندان این پروژه می گوید:

طیف سنجی در تمام حوزه های علم فیزیک به ابزاری بسیار مهم تبدیل شده، و اکنون وارد عصر طیف سنجی پاد ماده شده ایم ... موضوعی که چند سال پیش از محدوده تصوراتمان هم خارج بود.

گفتنیست با ابداع این روش و برداشتن نخستین گام موفقیت آمیز، راه برای مطالعه هرچه بیشتر پادماده و درک بهتر جهانی که در آن زندگی می کنیم، باز شده است. انسان در آزمایشگاه توانسته پادماده بسازد، اما چرا در جهان هستی با مقادیر بسیار جزئی از آن روبرو هستیم؟ شاید پادهیدروژن بتواند پاسخ این معما را بدهد.