رازهای جهان پادماده چیست؟
بر اساس آنچه از قوانین فیزیک انتظار داریم، قاعدتاً من و شما نباید اکنون اینجا می بودیم. همینطور زمین، خورشید، سیارات و کهکشان ها هم نباید اکنون وجود می داشتند چرا که تمامی ذرات ماده ای که کهکشان ها، گاز و غبار میان ستاره ای، ستاره ها و سیارات از آنها تشکیل شده اند، باید مدت ها قبل و در زمان آفرینش جهان، با تعداد برابری از ذرات پادماده متناظر با خود، برخورد می کردند و همگی باید محو و به انرژی تبدیل می شدند. به این ترتیب اکنون باید با جهان تهی از ماده و صرفاً نور روبرو می بودیم؛ اما در کمال تعجب می بینیم که چنین نیست.
به راستی چرا؟ این معما، یکی از رازهای پادماده است که فیزیکدان ها در تلاش برای گشودن آن هستند. در این مقاله شما می توانید با اسرار پادماده که تا به امروز مشخص شده اند، آشنا شوید.
به تعبیری می توان پادماده را قرینه ی ماده معمولی در نظر گرفت؛ اما ببینیم به چه معنا است؟ پیش از آن، باید تعریف خود را از ماده بطور دقیق تر بیان کنیم.
همانطور که می دانید، تقریباً هر آنچه در جهان مشاهده می کنیم – از کهکشان ها و ستاره ها گرفته تا سیارات (و از جمله زمین) – همگی از اتم ها تشکیل شده اند. اتم ها به نوبه خود از ذرات زیراتمی تشکیل شده اند که شامل هسته های اتمی (توده ای از پروتون ها و نوترون ها) هستند که ذرات سبک تر الکترون به دور آنها در گردش اند.
پروتون ها و نوترون ها خود از سه ذره به نام کوارک تشکیل شده اند. هر چند در مجموع، شش نوع کوارک در جهان وجود دارد، اما همگی پروتون ها و نوترون ها صرفاً از دو نوع کوارک به نام های بالا و پایین تشکیل شده اند (پروتون ها از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین ساخته شده اند که در مجموع، بار الکتریکی «یک واحد مثبت» دارند و نوترون ها از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده اند که مجموع بار الکتریکی شان برابر صفر است). الکترون ها هم بار الکتریکی «یک واحد منفی» دارند و تا جایی که اکنون می دانیم، الکترون ها از ذرات کوچکتری تشکیل نشده اند و بنابراین، خودشان همانند کوارک ها، ذرات بنیادی هستند. در اتم های خنثی (اتم های یونیزه نشده)، تعداد الکترون ها و پروتون ها برابر است و بنابراین آنها در کل، بار الکتریکی همدیگر را خنثی می کنند.
پادماده چیست؟
خب، اکنون که منظورمان را از مفهوم ماده بیشتر توضیح دادیم، ببینیم پادماده به چه معنایی است؟ در واقع، ذرات زیراتمی تشکیل دهنده ماده و پادماده، دارای ویژگی های کوانتومی (شامل بار الکتریکی، گشتاور مغناطیسی و گشتاور زاویه ای ذاتی) قرینه ی همدیگر می باشند. به عنوان مثال، پادپروتون ها که خود از پادکوارک های بالا و پایین تشکیل شده اند، دارای بار الکتریکی 1- واحد هستند. به همین ترتیب، پادالکترون ها (که اصطلاحاً پوزیترون هم نامیده می شوند)، بار الکتریکی 1+ واحد دارند. البته باید توجه داشت که جرم ذرات و پادذرات متناظر دقیقاً برابر است. اگر چنانچه ذرات پادماده با ذرات ماده متناظر خود برخورد کنند، هر دو نابود و به فوتون های پُر انرژی تبدیل می شوند. می توان انرژی تابشی گسیل شده حین این فرآیند را از رابطه معروف E = MC² آلبرت اینشتین محاسبه کرد که در آن، E نشان دهنده انرژی آزاد شده، m نشان دهنده جرم ذره و پادذره و c هم نشان دهنده مقدار سرعت نور در خلاء است.
به این ترتیب، با توجه به آنکه جهان ما مملو از ذرات ماده است، چنین به نظر می رسد که تمامی ذرات پادماده در جهان ما باید طول عمر بسیار کوتاهی داشته باشند و در چشم برهم زدنی، نابود و به فوتون های تابش تبدیل شوند؛ اما در واقع، همیشه چنین نیست چرا که بخش های وسیعی از کیهان، از خلاء نسبتاً بالایی تشکیل شده که تقریباً خالی از ذرات ماده است و بنابراین، ذرات پادماده می توانند فواصل طولانی را در فضای مزبور طی کنند تا به ما برسند. به عنوان مثال، تعدادی از ذرات پادماده، به شکل پرتوهای کیهانی، از فواصل دوردست کیهان به ما می رسند؛ اما گذشته از این، بسیاری از ذرات پادماده هم در فواصل نسبتاً نزدیک به ما پدید می آیند. به عنوان مثال، بواسطه وقوع آذرخش در جو زمین یا واپاشی های رادیواکتیو (مانند واپاشی رادیواکتیو پتاسیم 40)، ذرات پادماده ایجاد می شوند. ضمناً برخی از ذرات پادماده هم که از فضای بیرونی به سوی سیاره ما می آیند، بوسیله میدان مغناطیسی زمین در محدوده کمربند وَن آلِن به دام می افتند.
فیزیکدان ها ذرات پادماده ای را که از اعماق فضا به سوی سیاره ما می آیند، با دستگاهی مانند «طیف نگار مغناطیسی آلفا» که در ایستگاه فضایی بین المللی نصب شده است، مورد بررسی قرار داده اند. این ذرات پادماده بیشتر در فرآیندهای اختر فیزیکی پُر انرژی مانند فوران های عظیم حاصل از سقوط ماده بر سیاهچاله های چرخان ایجاد می شوند.
در جستجوی پادذرات گمشده
اما شاید مهم ترین پرسش بی پاسخ در مورد ذرات پادماده کیهانی، سرنوشت نامعلوم ذرات پادماده گمشده در جهان اولیه است. این، معمایی اساسی است که فیزیکدانان آزمایشگاه بین المللی فیزیک ذرات بنیادی اروپا (سِرن) و همینطور فیزیکدان های چند آزمایشگاه مهم دیگر، در تلاش برای حل آن هستند.
شروع این معما که از آن با عنوان «معمای عدم تقارن ماده – پادماده» یاد می شود به سال 1928 باز می گردد. در آن سال، پُل دیراک، فیزیکدان انگلیسی، معادله مشهور خود را که به نام «معادله دیراک» معروف شد، بدست آورد (به همین دلیل دیراک، چند سال بعد یعنی در سال 1933، جایزه نوبل فیزیک را مشترکاً با اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی، دریافت کرد). پیش از آن، شرودینگر موفق به پیدا کردن معادله ای شده بود که می توانست رفتار یک ذره کوانتومی را به دقت توصیف کند. دیراک با اصلاح معادله شرودینگر، معادله جدیدی بدست آورد که با نظریه نسبیت خاص اینشتین هم سازگار بود و به این ترتیب توانست بین نظریه کوانتومی و نظریه نسبیت خاص اینشتین، پیوند برقرار کند. این کار، برای توصیف رفتار ذرات کوانتومی ای که با سرعت هایی بالا (نسبت به سرعت نور) حرکت می کنند، الزامی بود.
دیراک متوجه شد که معادله بدست آمده برای هر ذره، دو پاسخ قرینه مثبت و منفی دارد. در ابتدا، معنای پاسخ منفی معادله دیراک برای فیزیکدان ها روشن نبود؛ تا اینکه دیراک، وجود پاسخ های منفی را به منزله وجود یک پادذره به ازای هر ذره ماده تفسیر کرد و این، دقیقاً همان چیزی است که فیزیکدان ها در آزمایشگاه مشاهده کرده اند. گذشته از این، معادله دیراک، حاکی از آن بود که باید تقارن دقیقی بین ماده و پادماده وجود داشته باشد؛ اما چنین چیزی را ما در جهان نمی بینیم، نکته ای که عملاً به معمایی عجیب در فیزیک کوانتومی تبدیل شده است.
در فیزیک جدید، تقارن های مختلفی وجود دارند. بنیادی ترین تقارن های مطرح در فیزیک کوانتومی، تقارن بار الکتریکی، پاریته (که نوعی تقارن چرخشی است) و تقارن زمانی است. تقارن زمانی (اصطلاحاً تقارن T) که در مورد برهم کنش ها و ذرات خاصی صادق است، به این معنا است که هر آنچه در سطح کوانتومی رخ می دهد، می تواند بطور معکوس هم واقع شود؛ اما مجموعه تقارن های بار الکتریکی و پاریته (که اصطلاحاً تقارن CP نامیده می شود) قاعدتاً باید در مورد تمامی ذرات جهان صادق باشد. اگر چنانچه تقارن CP واقعاً برای تمامی ذرات و برهم کنش های جهان صادق می بود، قاعدتاً باید در زمان مهبانگ، تعداد دقیقاً برابری از ذرات ماده و پادماده ایجاد شده باشند که در این صورت، اندک زمانی بعد باید همه آنها بواسطه برخورد با همدیگر، مجدداً نابود و به انرژی تبدیل شده باشند؛ اما با توجه به آنکه جهان، مملو از ماده و تقریباً تهی از پادماده است، پس باید فرآیندی ناشناخته در نخستین لحظات پس از مهبانگ، این توازن بین ذرات ماده و پادماده را به نفع ذرات ماده، برهم زده باشد.
شکست تقارن
آزمایش تعیین گشتاور دو قطبی الکتریکی نوترون ها که در موسسه پژوهشی پُل شِرِر (Paul Scherrer Institute) در کشور سوئیس انجام می شود، تلاش می کند تا پاسخی برای این معما پیدا کند. بطورکلی، گشتاور دو قطبی الکتریکی هر ذره، مشخص کننده نحوه توزیع بارهای الکتریکی مثبت و منفی در آن ذره است. می دانیم که نوترون، از نظر الکتریکی، ذره ای خنثی است و آزمایش هایی که طی پنج دهه گذشته انجام شده اند، همگی تاکنون میزان گشتاور دو قطبی الکتریکی آن را برابر صفر نشان داده اند؛ اما ببینیم اندازه گیری دقیق گشتاور دو قطبی الکتریکی نوترون، چه ارتباطی با موضوع عدم تقارن ماده و پادماده دارد؟
فیلیپ هَریس (Philip Harris) عضو هیئت علمی دانشگاه ساسکس انگلستان، در انستیتو لاوئه لانژون (Laue Langevin Institute) واقع در گرونوبل فرانسه، روی آزمایش دیگری در مورد اندازه گیری گشتاور دو قطبی الکتریکی نوترون کار می کند او در این باره می گوید: «اگر بتوانیم مقداری غیر صفر را برای گشتاور دو قطبی الکتریکی نوترون اندازه گیری کنیم، نشانه ای قطبی و فراتر از آنچه در مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی پیش بینی شده است، کشف کرده ایم.»
مدل استاندارد ذرات بنیادی که هریس به آن اشاره دارد، در واقع، یک مدل نظری فوق العاده موفق است که نتایج بیشتر آزمایش های دهه های اخیر را در زمینه ذرات زیراتمی به خوبی توضیح داده است. به عنوان مثال، همین مدل بود که توانست وجود ذرات شبح وار نوترینو و همینطور، وجود ذره تازه کشف شده هیگزا را – که جرم ذرات بنیادین جهان را ایجاد می کند – پیش بینی کند؛ اما متاسفانه مدل استاندارد ذرات بنیادی با وجود موفقیت های فوق العاده خود، قادر نیست علت عدم تقارن مشاهده شده میان ذرات ماده و پادماده را توضیح دهد و بنابراین ما برای تبیین این پدیده عجیب، به مدل های جدیدتر و پیشرفته تری نیاز داریم.
حال به آزمایش تعیین مقدار گشتاور دو قطبی الکتریکی نوترون برگردیم. اگر نوترون، دارای گشتاور دو قطبی الکتریکی غیر صفر باشد؛ تقارن های P و T را در آزمایش های خاصی نقض خواهد کرد و به تبع آن، تقارن CP هم که در مورد بیشتر ذرات صادق است، نقض خواهد شد؛ اما نقض تقارن CP همانطور که قبلاً هم توضیح داده شد، به معنای آن است که ماده و پادماده، کاملاً قرینه همدیگر نیستند.
هریس در این باره توضیح می دهد: «به این ترتیب، نتایج حاصل از اندازه گیری دقیق گشتاور دو قطبی الکتریکی نوترون، به فیزیکدان ها کمک می کند تا نظریات جدید خود را که پیشرفته تر از مدل استاندارد ذرات بنیادی هستند، بپالایند و به جزئیات بیشتری از عدم تقارن کامل میان ماده و پادماده پی ببرند.» البته آزمایش هایی که تاکنون انجام گرفته اند، هیچکدام نتوانسته اند مقداری غیر صفر را برای گشتاور دو قطبی الکتریکی نوترون نشان دهند؛ ولی پژوهشگران امیدوارند با بکارگیری دستگاه های اندازه گیری به مراتب دقیق تر طی دهه آینده، دقت آزمایش های خود را بطور قابل ملاحظه ای افزایش دهند.
بررسی پادذرات
اما آیا امکان انجام چنین آزمایش هایی با پادنوترون ها (به جای نوترون ها) هم وجود دارد؟ هریس، توضیح می دهد: «متاسفانه در حال حاضر امکان ایجاد پادنوترون ها به تعدادی که برای چنین آزمایش هایی لازم است، به هیچ وجه وجود ندارد. گذشته از این، حتی اگر می توانستیم به اندازه لازم پادنوترون ایجاد کنیم، باز هم امکان ذخیره و نگهداری از آنها در محفظه ای مشخص برای مدت زمان مورد نیاز وجود نداشت.»
بطورکلی، ایجاد و نگهداری ذرات پادماده، کاری بسیار دشوار و نیازمند صرف انرژی بسیار است. به عنوان مثال، شتاب دهنده های ذرات (نظیر شتاب دهنده های موجود در آزمایشگاه سرن) قادر هستند ذرات پادماده را ایجاد کنند، اما با توجه به آنکه ما در جهانی مملو از ذرات ماده زندگی می کنیم، محصورسازی ذرات پادماده ایجاد شده و جدا نگه داشتن آنها از ذرات ماده، کاری پیچیده و دشوار است. خوشبختانه ذرات پادماده باردار (مانند پوزیترون ها و پادپروتون ها) را می توان به کمک میدان های دقیق مغناطیسی، در محفظه ای خلاء و بطور مجزا از ماده اطراف، نگهداری کرد؛ اما انجام این کار در مورد نوترون ها که از نظر الکتریکی خنثی هستند، غیر ممکن است. به همین دلیل هم فیزیکدان ها برای یافتن برخی از پرسش های خود در مورد رفتار پادماده و همینطور، عدم تقارن ماده و پادماده، به سراغ دیگر ذرات پادماده (غیر از پادنوترون ها) رفته اند که یکی از آنها، اتم های پادهیدروژن هستند.
همانطور که می دانید، هیدروژن، ساده ترین اتم جهان است. در این اتم، یک الکترون، در حال چرخش به دور یک پروتون است. به همین ترتیب در اتم پادهیدروژن، یک پوزیترون به دور یک پادپروتون می چرخد. سادگی اتم پادهیدروژن، آن را به سوژه ای بسیار مناسب جهت بررسی دقیق تر رفتار و ویژگی های پادماده تبدیل کرده است. به عنوان مثال، اکنون در آزمایشگاه سرن، آزمایش هایی مانند ATRAP و ALPHA روی اندازه گیری ویژگی های اتم های پادهیدروژن متمرکز هستند. فیزیکدان های سرن برای تولید اتم های پادهیدروژن، ابتدا باریکه پروتون های پُر انرژی حاصل از شتاب دهنده پروتونی آزمایشگاه خود را به دیواره ای فلزی برخورد می دهند و سپس با کند کردن پادپروتون های ایجاد شده در این برخوردها و تلفیق آنها با پوزیترون ها، اتم های پادهیدروژن را می سازند.
عمر این اتم های پادهیدروژن، به اندازه کافی طولانی است که فیزیکدان ها فرصت بررسی ویژگی های آنها را داشته باشند. می دانیم که اتم های هیدروژن از یک الکترون منفی و یک پروتون مثبت تشکیل شده اند و بنابراین از نظر الکتریکی، خنثی هستند. فیزیکدان های آزمایش ALPHA در سرن می خواهند بدانند که آیا همین مسئله در مورد پاداتم های هیدروژن هم صادق است؟ چنانچه فیزیکدان ها بتوانند انحرافی را از وضعیت خنثی در مورد اتم های پادهیدروژن ببینند، نتیجه حاصل دقیقاً همانند نتیجه آزمایش تعیین گشتاور دو قطبی الکتریکی نوترون می تواند به معنای وجود انحراف از پیش بینی های مدل استاندارد ذرات بنیادی و همینطور معادله دیراک باشد و همین امر می تواند علت وجود عدم تقارن میان ماده و پادماده را در جهان توضیح دهد. البته تاکنون هنوز چنین انحرافی در آزمایش ها مشاهده نشده است.
شبح شاه کلید
اما علاوه بر این آزمایش ها، آزمایش های دیگری مانند آزمایش T2K در ژاپن و آزمایش NOvA در آزمایشگاه فِرمی آمریکا هم با بررسی ذرات نوترینو، در تلاش برای یافتن پاسخی برای معمای عدم تقارن ماده و پادماده هستند. نوترینوها، ذرات شبح واری هستند که آشکارسازی آنها بواسطه برهم کنش بسیار ضعیفی که با ذرات ماده دارند، فوق العاده دشوار است. بیشتر نوترینوها بواسطه وقوع فرآیندهای گداخت هسته ای در قلب ستاره ها و همینطور بواسطه وقوع انفجارهای عظیم ابرنواختری در جهان ایجاد می شوند. به عنوان مثال، در هر ثانیه، تعداد بی شماری نوترینو که در قلب خورشید ایجاد شده اند، به سیاره ما می رسند و در هر ثانیه، میلیاردها عدد از آنها بدون آنکه اصلاً متوجه شویم، از بدن ما می گذرند؛ اما با استفاده از آشکارسازهای عظیم نوترینو که هر یک به اندازه ساختمانی بزرگ هستند، می توان تعداد اندکی از این انبوه ذرات شبح وار را ثبت کرد. اکنون می دانیم که در مجموع، سه نوع نوترینو وجود دارند و این نوترینوها همواره در حال تبدیل شدن و نوسان از نوعی به نوع دیگر هستند. هر یک از این سه نوع نوترینو با یکی از سه ذره الکترون، میون و تاو – که این دو تای آخری، پسرعموهای سنگین وزن الکترون هستند – در ارتباط اند. به همین ترتیب، پادنوترینوها هم سه نوع هستند.
آزمایش های T2K و NOvA در تلاش هستند تا نوسان های نوترینوها را با پادنوترینوها مقایسه کنند.
تابستان 1395، این گروه های آزمایشی، نتایج اولیه اندازه گیری های خود را در همایشی بین المللی ارائه کردند که بر اساس آن، اختلاف اندک اما مشخصی بین نوسان های نوترینوها و پادنوترینوها به چشم می خورد. اگر این داده ها صحیح باشند، عملاً نقض تقارن CP را نشان می دهند و به این ترتیب، ممکن است سرانجام بتوانند فیزیکدانان را در گشودن معمای عجیب عدم تقارن میان ماده و پادماده در جهان یاری بخشند.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «رازهای جهان پادماده چیست؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله شهاب شعری مقدم از مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
