پیشرفتی شگرف درباره ساختار ضدماده در دمایی نزدیک به صفر مطلق

مدت‌هاست که پژوهشگران در حال تحقیق در باره عدم تعادل میان ماده و پادماده (ضدماده) در کهشکان راه شیری هستند.

دانشمندان دریافته‌اند که پس از مه‌بانگ (انفجار بزرگ)  ماده و پادماده به یک اندازه تولید شده است اما دلایل این راز که چرا ماده برتری یافته، هنوز کشف نشده است.

اکنون گروه پژوهشی آلفا در مرکز تحقیقات فیزیک هسته‌ای اروپا (سرن) در سوئیس برای نخستین بار موفق شده است زمینه اندازه‌‌گیری پادماده را فراهم کند.

پژوهشگران در مقاله‌ای که در آخرین شماره مجله تخصصی نیچر (Nature) منتشر شده نوشته‌اند که موفق به کاهش سرعت ضدهیدروژن از طریق پرتو لیزر شده‌اند.

دویچه وله فارسی را در اینستاگرام دنبال کنید

آنها می‌گویند، با نور لیزر دمای فوتون (ذره بنیادی) ضدهیدروژن را تا حدود صفر مطلق (نزدیک به ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد زیر صفر) پایین آورده‌اند و در نتیجه سرعت اتم ضدهیدروژن را به حدی رسانده‌اند که می‌توان به برخی ویژگی‌های آن پی برد.

اتم ضدهیدروژن که در حال حاضر ساده‌ترین نمونه پادماده اتمی به‌شمار می‌رود، فرصت‌های بی‌نظیری را در به‌چالش‌کشیدن چارچوب بنیادی فیزیک معاصر ارائه می‌دهد.

«سخت‌ترین آزمایش»

 جفری هانگست، سخنگوی گروه پژوهشی آلفا در سرن می‌گوید: «این سخت‌ترین آزمایشی بود که ما تاکنون انجام داده‌ایم».

روش خنک کردن ماده از طریق لیزری چهار دهه پیش انجام شد و  در سال ۱۹۹۷ برای استیون چو، کلود کوهن-تانودوجی و ویلیام دانیل فیلیپس جایزه نوبل فیزیک را به‌ارمغان آورد.

اما اگر حتی ده سال پیش پژوهشگری مدعی می‌شد که با لیزر می‌توان ذرات پادماده را هم خنک کرد، کمتر کسی پیدا می‌شد که حرف او را باور کند.

به کانال دویچه وله فارسی در تلگرام بپیوندید  

هانگست در توضیح روش گروه پژوهشی می‌گوید، فوتون‌ها جرم ندارند اما دارای شتاب هستند و حرکت آنها در سطح اتمی می‌تواند بسیار چشمگیر باشد. اگر جهت و فرکانس پرتو لیزر درست باشد، ذرات نور لیزر باعث کند شدن اتم‌ها می‌شوند.

او تصریح می‌کند: «تصور کنید که یک اتم هنگام حرکت در جهت منبع نور یک فوتون را جذب می‌کند. این پروسه باعث ایجاد یک ضربه کوچک در اتم می‌شود و سرعت آن را تغییر می‌دهد.»

به گفته هانگست، در این موقعیت می‌توان اتم‌ها را تا دمایی نزدیک به صفر مطلق خنک کرد.

تولید ضدهیدروژن در دمایی نزدیک به صفر مطلق امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر ساختار داخلی و رفتار آن تحت تأثیر نیروی جاذبه را فراهم می کند.

 مقایسه یافته‌های این اندازه‌گیری‌ با یافته‌هایی که در مورد هیدروژن طبیعی وجود دارد، به یافتن تفاوت‌های بین ماده و پادماده کمک می‌کند و شاید به مرور بخشی از راز بزرگ برتری یکی بر دیگری را برملا کند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  پنج سال پیش، نخستین انفجار "سرن"

  روز ۳۰ مارس سال ۲۰۱۰ دانشمندان فیزیک اتمی در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی LHC سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای، یک انفجار انجام دادند. منتقدان پروژه انفجار بزرگ‌ تلاش کردند پیش از ادامه تحقیقات، از راه‌های قانونی جلوی این پژوهش‌ها را بگیرند. تلاشی بی‌نتیجه.

  "اگر جهت و فرکانس پرتو لیزر درست باشد، ذرات نور لیزر باعث کند شدن اتم‌ها می‌شوند.او تصریح می‌کند: «تصور کنید که یک اتم هنگام حرکت در جهت منبع نور یک فوتون را جذب می‌کند"پژوهش‌ها ادامه یافت.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  دروازه‌ای به دنیای یون‌های پرشتاب

  سال ۲۰۱۳ ذره‌ی هیگز کشف شد: در آشکارساز (رهیاب) "اطلس"، یکی از بزرگترین دوربین‌های دیجیتال و گیرنده و ثبت‌کننده‌ی اثرات برخورد ذره‌ها. دوربینی با توانایی عکاسی از کوچکترین ذره‌های جهان هستی؛ عکاسی از هسته‌ی اتم. این تصویر که بر دیوار مرکز تحقیقات نقش بسته‌است، تصوری از بزرگی "اطلس" به بیننده می‌دهد. "اطلس" اصلی ۹۰ متر پایین‌تر، زیر زمین است و البته بزرگتر از این نقاشی دیواری.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  اجبار استفاده از کلاه ایمنی برای عکاسان ذره

  چهار دوربین آشکارساز ذرات، در امتداد برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی (بزرگترین شتاب‌دهنده اتمی جهان) تعبیه شده‌اند که "آلیس"، "اطلس"، "سی‌ام‌اس" و "ال‌اچ‌سی‌بی" نام داردند. کسی که می‌خواهد این دوربین‌ها را از نزدیک ببیند، باید ده‌ها متر در دل کوه‌های آلپ (در فرانسه و سویس) پایین برود.

  جایی که گذاشتن کلاه ایمنی به دلیل وجود لوله‌ها و تاسیسات فراوان، اجباری است.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  نگارگری از انفجار بزرگ

  نمونه‌ای از تصاویری که آشکارسازها ثبت می‌کنند. با برخورد پروتون‌ها (برای نمونه در آشکارساز "سی‌ام‌اس") یا یون‌های سرب که با سرعت نور به یکدیگر برخورد می‌کنند، کوچک‌ترین ذرات بنیادی آزاد می‌شوند؛ برای نمونه ذره‌ی تازه کشف شده‌ی هیگز. این‌ها ذراتی هستند که جهان هستی ما در یک بیلیونیوم ثانیه‌ی ابتدایی انفجار بزرگ از آن‌ها تشکیل شده‌است.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  راهی برای حرکت با سرعت نور

  در این لوله یون‌های سرب و پروتون‌های هیدروژن شتاب داده می‌شوند و در مجرایی از خلا با سرعت یک قطار سریع به پرواز درمی‌آیند. آهن‌رباهای الکتریکی از انحراف مسیر آن‌ها جلوگیری می‌کنند. این تونل به درازای ۲۷ کیلومتر زیر سوییس و فرانسه قرار دارد.

  "منتقدان پروژه انفجار بزرگ‌ تلاش کردند پیش از ادامه تحقیقات، از راه‌های قانونی جلوی این پژوهش‌ها را بگیرند"ورود به این سیستم از طریق چهار آشکارساز ممکن است. برخورد ذرات هم در همین جا صورت می‌گیرد.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  نه یک لوله، بلکه دو لوله

  این سیستم عظیم که در تونل دایره‌ای شکل به طول ۲۷ کیلومتر قرار دارد، میلیاردها پروتون را با کمک بیش از هزار آهن‌ربای ابررسانا، در دو مسیر موازی، در جهت وارون یکدیگر با سرعت بسیار نزدیک به سرعت نور شتاب می‌دهد.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  ابر یخچال سرن

  آهن‌‌رباهای الکتریکی که پرتوهای ذرات را ثابت نگه می‌دارند، از سیم‌پیچ‌های ابررسانا تشکیل شده‌اند. کابل‌ها تا منهای ۳ / ۲۷۱ درجه سانتی‌گراد سرد می‌شوند و به این ترتیب مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌دهند. شتاب‌دهنده‌ی ذرات به هلیوم مایع زیادی نیاز دارد که این جا درون این تونل به جریان می‌افتد. به این ترتیب می‌توان گفت که "سرن" بزرگترین یخچال جهان را به‌کار می‌اندازد.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  آهن‌رباهایی با دقت بسیار بالا

  برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی یک دایره دقیق نیست، بلکه از مسیرهای مستقیم تشکیل شده‌ که به وسیله‌ی انحناهایی تغییر می‌کنند.

  در محل انحناها آهن‌رباها تعبیه شده‌اند که مسئول تغیر دادن مسیر پرتوها هستند. آهن‌رباهای الکتریکی به شدت دقیق هستند. کمی پیش از لحظه‌ی برخورد، پرتو را چنان متمرکز می‌کنند که دو پروتون با احتمال بسیار بالا با یکدیگر روبرو شوند. برخورد نهایی درست در مرکز آشکارساز رخ می‌دهد.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  همه چیز باید از این سوراخ بگذرد

  آشکارسازها به بزرگی ساختمان‌های چند طبقه‌اند. آن‌ها باید به صورت قطعات بسیار زیاد مجزا به دل کوه انتقال یابند.

  "این تصویر که بر دیوار مرکز تحقیقات نقش بسته‌است، تصوری از بزرگی "اطلس" به بیننده می‌دهد"مثلا از طریق این شکاف تنگ. زیر این حفره، فضایی غارمانند وجود دارد. "آلیس" در این نقطه کار گذاشته شده است. درست مثل یک کشتی در بطری شیشه‌ای.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  دوربین دیجیتال با ۸ هزار تصویر در ثانیه

  تصویر، آشکارساز آلیس را در حالی که باز شده‌است، نشان می‌دهد. در حال کار، در مرکز آلیس پرتوهای یونی به یکدیگر برخورد می‌کنند.

  ذراتی که در اثر این برخوردها به وجود می‌آیند در سوهای گوناگون به پرواز درمی‌آیند و از چندین لایه از برگه‌های سیلیسیومی می‌گذرند- برگه‌های سیلیسیومی مانند چشم‌های الکترونیک دوربین‌های دیجیتال عمل می‌کنند. این چیپس‌ها و آشکارسازها اثرات گذر ذره را ضبط می‌کنند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  آهن‌ربای الکتریکی ذره را قابل تشخیص می‌کند

  این بخش آبی‌رنگ یک آهن‌ربای عظیم الکتریکی است، بخشی مهم از آشکارساز "آلیس". محیطی که این آهن‌ربا به وجود می‌آورد، تشخیص ذراتی را که در نتیجه‌ی برخورد به وجود آمده‌اند، امکان‌پذیر می‌کند. بسته به راستایی که ذره‌ها به آن سو در پروازند، پژوهشگران می‌توانند بار مثبت، منفی یا خنثای ذره را مشخص کنند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  بال‌هایی برای شکار میون‌ها

  آشکارساز "اطلس" دستگاه‌های اندازه‌گیری ویژه‌ای دارد که طیف‌سنج میون نامیده‌می‌شوند. این طیف‌سنج‌ها مانند بال‌های بزرگ بیرون از هسته‌ی رهیاب قرار دارند.

  "کسی که می‌خواهد این دوربین‌ها را از نزدیک ببیند، باید ده‌ها متر در دل کوه‌های آلپ (در فرانسه و سویس) پایین برود"به این ترتیب امکان شکار میون، ذره بنیادی با جرم ۲۰۷ برابر جرم الکترون به دست می‌آید.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  زیرنظر گرفتن اعجاز علمی از فاصله‌ای امن

  همه‌ی آشکارسازها دارای اتاق کنترل این‌چنینی هستند. وقتی که شتاب‌دهنده‌ی ذرات مشغول کار است، هیچ‌کس اجازه‌ی حضور در تاسیسات زیر زمینی را ندارد. یک پرتو پروتونی از کنترل خارج شده قادر به ذوب کردن ۵۰۰ کیلو گرم مس است. خطر یخ‌زدگی و خفگی هم به ذلیل هلیوم‌هایی که از سیستم خارج می‌شوند، وجود دارد. همچنین پرتوهای ذره‌‌ای قادرند مواد رادیواکتیو تولید کنند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  این همه عکس به چه درد می‌خورد؟

  چهار آشکارساز ذرات در هر ثانیه ۴۰ میلیون بار داده می‌دهند.

  از آنجا که همه‌ی برخوردها برای دانشمندان مهم نیستند، این اطلاعات دست‌چین می‌شوند. در پایان تنها ۱۰۰ برخورد بر ثانیه که از نظر علمی جالب هستند، باقی می‌مانند با حجمی برابر ۷۰۰ مگابایت در ثانیه. همه‌ی داده‌ها ابتدا سر از مرکز پردازش سرن درمی‌آورند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  شبکه‌ی کامپیوتری جهانی

  داده‌هایی که سرن هر ساله جمع‌آوری می‌کند اگر بر روی سی‌دی ضبط شوند و سی‌دی‌ها بر روی هم انباشته شوند، ۲۰ کیلومتر طول خواهند داشت. به دلیل حجم بالای داده‌ها، این اطلاعات در سراسر جهان تقسیم می‌شوند. بیش از ۲۰۰ دانشگاه و مرکز تحقیقاتی به کامپویترهای مرکز سرن متصل شده‌اند.

• کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین

  داده‌هایی برای بشریت

  دانشمندان فیزیک ذرات از سراسر جهان به داده‌های مرکز سرن دسترسی دارند.

  " کشف راز کائنات در ۱۷۵ متری زیرِ زمین نگارگری از انفجار بزرگ نمونه‌ای از تصاویری که آشکارسازها ثبت می‌کنند"سرن خود را یک مرکز خدماتی برای دانشگاه‌ها و بنیادهائی می‌داند که در بخش پژوهش‌های بنیادی مشغول کار و مطالعه هستند. چرا که سرن این پروژه را پروژه‌ای برای تمامی بشریت می‌داند.
  
  نویسنده: YK