یک آزمایش جدید توسط فیزیکدانان می تواند دلیل برتری ماده بر ضد ماده را آشکار کند

برای اولین بار، محققان دانشگاه نورث وسترن موفق شدند یک پوزیترون، پادذره الکترون را در حالت کوانتومی با دقت بسیار بالا کنترل کنند.

پس از به دام انداختن این ذره با سرعت بالا از واپاشی رادیواکتیو، آنها آن را تا نزدیک به صفر مطلق خنک کردند و سپس آن را در خلاء تقریباً کامل معلق کردند. این روش از تماس پوزیترون با ماده معمولی جلوگیری می کند. برخوردی که منجر به نابودی هر دو خواهد شد.

با ترکیب این روش‌های به دام انداختن و خنک‌سازی، دانشمندان دستگاهی ساختند که آن را سیکلوترون کوانتومی تک پوزیترونی می‌نامند. در این شرایط، پوزیترون مانند یک اتم مصنوعی رفتار می کند و سطوح انرژی کوانتومی آن را می توان به دقت کنترل کرد.

جرالد گابریلز، استاد فیزیک دانشگاه نورث وسترن و سرپرست این تحقیق، در مورد جاذبه پادماده در داستان های علمی تخیلی توضیح داد که برخورد الکترون با پادالکترون یا پوزیترون باعث از بین رفتن هر دو ذره می شود. پدیده ای به نام «نابودی ماده و ضد ماده» در فیزیک.

عیوب فیزیک را جستجو کنید

مدل استاندارد یک نظریه باستانی است که ذرات بنیادی و سه نیروی از چهار نیروی اساسی جهان، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای قوی و نیروی هسته ای ضعیف را توصیف می کند. آزمایش های متعدد پیش بینی های این مدل را با دقت قابل توجهی تایید کرده اند. با این حال، فیزیکدانان می دانند که این نظریه کامل نیست.

یکی از مهم ترین کاستی های مدل استاندارد ناتوانی آن در توضیح این است که چرا جهان قابل مشاهده به طور قابل توجهی ماده بیشتری نسبت به پادماده دارد.

گابریلز تأکید کرد که مدل استاندارد باید در بخشی از توصیف خود اشتباه یا حداقل ناقص باشد. به گفته او، این نظریه حتی نمی تواند دلیل وجود جهان را توضیح دهد. بنابراین، شکاف بزرگی در درک فعلی ما از طبیعت باقی می ماند. با بررسی دقیق‌ترین و ساده‌ترین سیستم‌های فیزیکی، گروه او امیدوار است نقطه‌ای را بیابد که تئوری‌های فعلی پیش‌بینی درست را متوقف کنند.

یک محفظه بدون دیوار

تقریباً تمام مواد روی زمین از سه ذره آشنا تشکیل شده است: الکترون، پروتون و نوترون. در مقابل، جهانی متشکل از پادماده می‌تواند از پادذرات مربوط به آن‌ها، پوزیترون، پادپروتون و پادنوترون ساخته شود. گابریلز می گوید که اگر تمام اجزای زمین از پادماده ساخته شده باشند، تشخیص آن از جهان کنونی بسیار دشوار خواهد بود.

مشکل زمانی شروع می شود که ماده و پادماده با هم برخورد می کنند. برای مثال، برخورد الکترون با پوزیترون هر دو را از بین می برد. به همین دلیل، دانشمندان نمی توانند مانند یک نمونه معمولی، پوزیترون را داخل یک ظرف فیزیکی قرار دهند. زیرا تماس ذره با دیواره های ظرف نیز می تواند منجر به تخریب آن شود.

برای حل این مشکل، تیم دانشگاه نورث وسترن از یک تله پیشرفته استفاده کردند که میدان های الکتریکی و مغناطیسی خاصی تولید می کند. این میدان ها پوزیترون را در فضای خالی معلق نگه می دارند و از تماس آن با هر ماده معمولی جلوگیری می کنند. به این ترتیب ذره بدون برخورد به سطح در مرکز محفظه باقی می ماند.

از سرعت زیاد تا سکون

به دام انداختن پوزیترون از همان ابتدا یک چالش بزرگ برای تیم تحقیقاتی بود. این ذرات می توانند در طی واپاشی رادیواکتیو برخی از هسته های اتمی تولید شوند. گابریلز در آزمایش خود از هسته 22 سدیم استفاده کرد. ایزوتوپ نادر و رادیواکتیو سدیم که در هنگام تجزیه پوزیترون های پرانرژی آزاد می کند.

محققان ابتدا سرعت پوزیترون را به شدت کاهش دادند و سپس آن را به دامی با خلاء تقریباً کامل هدایت کردند. روند کاهش سرعت بسیار مهم بود. زیرا ذره ای که با انرژی بسیار بالا حرکت می کند به سادگی در شرایط مورد نیاز برای آزمایش های کوانتومی دقیق باقی نمی ماند.

دمای داخلی تله به حدود 300 میلی کلوین کاهش یافت. یعنی فقط 0.3 درجه بالای صفر مطلق. صفر مطلق کمترین دمای نظری ممکن است و در آن انرژی حرارتی سیستم به کمترین مقدار خود می رسد.

امتحان نهایی

گابریلز و همکارانش همچنین نشان دادند که می‌توانند وضعیت‌های انرژی کوانتومی پوزیترون را دقیقاً کنترل و شناسایی کنند. آنها با ارسال امواج مایکروویو تنظیم شده، مقادیر بسیار کمی انرژی را به ذره منتقل کردند و سپس تغییر حالت های کوانتومی آن را تشخیص دادند.

این سطح از کنترل برای هدف نهایی تحقیق ضروری است: اندازه گیری دقیق خواص مغناطیسی پوزیترون و مقایسه آنها با خواص الکترون.

گابریلز می گوید که نظریه های فعلی هیچ تفاوتی بین نتایج دو اندازه گیری پیش بینی نمی کنند. اما اگر دانشمندان یک تناقض واقعی و قابل تایید پیدا کنند، ممکن است درگیر یکی از بزرگترین اکتشافات فیزیک قرن گذشته باشند.

این تحقیق با عنوان یک سیکلوترون کوانتومی یک پوزیترون است و در Physical Review Letters منتشر شده است.