پادهیدروژن چیست؟

 
 

ترجمه: سحر الله وردی

بیگ بنگ: پادهیدروژن(Antihydrogen) پادماده‌ای است که در مقابل هیدروژن قرار می‌گیرد. از آنجایی که اتم هیدروژن شامل یک پروتون و یک الکترون است. پادهیدروژن شامل پادپروتون و پوزیترون است. دانشمندان امیدوارند تا با مطالعه روی پادهیدروژن پاسخی بر مسئله عدم تقارن باریون بیابند که چرا ماده در کیهان از پادماده بیشتر است.

به گزارش بیگ بنگ، در سال ۱۹۲۸، فیزیکدان پل دیراک پیشنهاد داد که هر ذره از ماده باید یک همتای پادماده نیز داشته باشد. اما مدت کوتاهی پس از بیگ‌بنگ، بیشتر ِ پادماده ناپدید شد و بخش کوچکی از ماده باقی ماند که جهانی که امروزه در آن زندگی می‌کنیم را تشکیل داده است. اتفاقی که تعادل پادماده را برهم زد یکی از بزرگترین معماها در فیزیک است.

اخترشناسان به دنبال پادماده در فضا هستند، اما پیدا کردن آن بر روی زمین سخت است. بنابراین، برای مطالعۀ آن، فیزیکدانان باید خودشان آن را بسازنند. و از آنجاییکه پادماده در اثر برخورد با ماده‌ معمولی در یک تشعشع نابود می‌شود، ذخیره‌سازی آن کار چالش‌برانگیزی است.

ساخت پادهیدروژن

هیدروژن با یک پروتون و یک الکترون ساده‌ترین اتم موجود است و یکی از سیستم‌های فیزیک مدرن است که به دقیق‌ترین حالت ممکن بررسی شده و به بهترین نحو درک شده است. از این رو، مقایسه هیدروژن و پادهیدروژن یکی از بهترین روش‌ها برای اجرای آزمایشات بسیار دقیق تقارن ماده/پادماده است. ماده و پادماده وقتی با هم برخورد کنند فورا نابود می شوند، بنابراین جدا از ساخت پادهیدروژن، یکی از چالش‌های کلیدی برای فیزیکدانان حفظ پاد اتم‌ها به دور از ماده معمولی است.

فیزیکدانان پیش‌بینی می کنند که طیف‌های هیدروژن و پادهیدروژن یکسان هستند، بنابراین یک اختلاف جزئی بین آنها فورا پنجره‌ای را به سوی فیزیک مدرن می گشاید و می تواند به حل اسرار پادماده کمک کند. همتای پادماده برای ساده‌ترین اتم، یعنی هیدروژن، یک اتم پادهیدروژن طبیعی است که از یک پوزیترون باردار مثبت که به دور یک پادپروتون باردار منفی می‌چرخد، تشکیل شده است. در سال ۱۹۹۵، دانشمندان در سرن اعلام کردند که با موفقیت توانسته‌اند اولین اتم‌های پادهیدروژن را در حلقۀ پادپروتون کم‌انرژی(LEAR) بسازند. محققان به پادپروتون‌های درون LEAR اجازه دادند تا با اتم‌های یک عنصر سنگین برخورد کنند.

هر پادپروتونی که به اندازۀ کافی از نزدیکی هسته‌های اتمی سنگین عبور کند می‌تواند یک جفت الکترون-پوزیترون بسازد. در کسر کوچکی از موارد، پادپروتون به پوزیترون متصل می‌شود تا یک اتم پادهیدروژن بسازد. پادذرات به شدت پرانرژی بودند؛ هر یک از آنها تقریبأ با سرعت نور در یک مسیر ۱۰ متری حرکت کرده و پس از حدود چهل میلیونم ثانیه با ذرات معمولی برخورد کرد. در حالیکه ساخت پادهیدروژن دستاورد بزرگی بود، اتم‌ها بسیار پرانرژی بسیار داغ بودند و به راحتی قابل مطالعه نبودند. لازم به ذکر است برای ساخت هر گرم پاد هیدروژن به ۶۲٫۵ تریلیون دلار، هزینه نیاز است. سرن قادر است در هر دقیقه ۱۰۷ پادپروتون تولید کند. اگر فرض شود همه پادپروتون‌ها به پادهیدروژن تبدیل شود ۱۰۰ میلیارد سال طول می‌کشد تا ۱ گرم یا ۱ مول پادهیدروژن تولید کند.

برای درک اتم‌های پادماده، فیزیکدانان سرن به زمان بیشتری برای تعامل با این اتم‌ها نیاز داشتند. بنابراین، تکنیک‌هایی برای به دام انداختن پادهیدروژن برای مدت‌ طولانی‌تری را توسعه دادند. کاهش‌دهنده شتاب که در دهه ۹۰ در سرن توسعه پیدا کرد، پادپروتون‌هایی آهسته‌تر و کم‌انرژی‌تری را برای آزمایشات پادماده مثل ATHENA، ATRAP و ALPHA ارائه داد.

در این آزمایشات، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، پادپروتون‌ها را از پوزیترون‌ها در یک خلأ تقریبأ کامل دور نگه می‌دارند؛ این خلأ آنها را از مادۀ معمولی دور نگه می‌دارد. پادپروتون‌ها از میان یک گاز الکترون متراکم عبور می‌کنند که آنها را بیشتر کُند می‌کند. وقتی انرژی به اندازۀ کافی کم باشد، فیزیکدانان ALPHA از پتانسیل الکتریکی برای انداختنِ پادپروتون‌ها در یک ابر پوزیترون که درون خلأ معلق شده استفاده می‌کنند. دو نوع پادذرۀ باردار در اتم‌های پادهیدروژن کم‌انرژی ترکیب می‌شوند.

از آنجاییکه اتم‌های پادهیدروژن فاقد بار الکتریکی هستند، میدان الکتریکی دیگر نمی‌تواند آنها را سر جایشان قرار دهد. بنابراین، در عوض دو مغناطیس ابررسانا یک میدان مغناطیسی قوی تولید می‌کنند که از خواص مغناطیسی پادهیدروژن استفاده می‌کنند. اگر اتم‌های پادهیدروژن به اندازۀ کافی انرژی کمی داشته باشند، می‌توانند در این بطری مغناطیسی برای مدت‌های طولانی باقی بمانند.

در حال حاضر، تنها راه برای دانستن این مسئله که آیا پادماده واقعأ گیر افتاده، این است که اجازه دهیم با مادۀ معمولی نابود شود. وقتی مغناطیس‌ها خاموش شوند، اتم‌های پادهیدروژن فرار می‌کنند و با سرعت با گوشه‌های تله نابود می‌شوند. ردیاب‌های سیلیکونی شعله‌ انرژی را برمی‌دارند تا پوزیترون پادماده را دقیقأ مشخص کنند. فقط در آن صورت است که فیزیکدانان می‌توانند مطمئن شوند که پادهیدروژن را گیر انداخته‌اند.

گیرانداختن پادماده در سرن

در ژوئن سال ۲۰۱۱، ALPHA گزارش داد که در گیرانداختن اتم‌های پادماده برای بیش از مدت ۱۶ دقیقه موفق شده‌ است. در مقیاس طول عمر اتمی، این یک مدت بسیار طولانی است به اندازه‌ای طولانی است که می‌توان خواص آنها را با جزئیات مطالعه کرد. با مقایسه دقیق هیدروژن و پادهیدروژن، چند گروه آزمایشی امیدوارند که بتوانند خواص پادهیدروژن را مطالعه کنند و ببینند که آیا همان خطوط طیفیِ هیدروژن را دارا است. یک گروه به نام AEGIS حتی سعی میکند ثابت شتاب گرانشی(g) را اندازه‌گیری کند، همانطور که اتم‌های پادهیدروژن تجربه کردند.

هرچه این آزمایشات به مدت طولانی‌تری بتوانند پادهیدروژن را گیر بیندازند، دقیق‌تر می‌توانند آن را اندازه‌گیری کنند و فیزیکدانان می‌توانند به درک دقیق‌تر پادماده نزدیکتر شوند. یک تسهیلات جدید به نام ELENA تمام آزمایشاتی که بر روی کاهش‌دهنده شتاب پادپروتون کار می‌کنند را قادر می‌سازد تا به پرتوهای پادپروتون کم‌انرژی‌تر و فراوان‌تر دست پیدا کنند و تولید پادهیدروژن در مقادیر زیاد را آسان‌تر کنند.

 سایت علمی بیگ بنگ