دانشمندان به حل معمای ضدماده نزدیکتر شدند

فیزیکدان‌ها سال‌ها بود که برای یافتن تفاوت‌ها و شباهت‌های آنها تلاش می‌کردند تا چگونگی ظهور کیهان را توضیح دهند.

اگر ضدماده در یک میدان گرانشی صعود می‌کرد – یعنی به جای سقوط در جهت خلاف از مرکز جاذبه دور می‌شد – این موضوع می‌توانست دانش ما از قوانین فیزیک را متلاشی کند.

اما فیزیکدان‌ها حالا برای اولین بار تایید کرده‌اند که اتم‌های پادماده مثل ماده به طرف مرکز گرانش سقوط می‌کنند. این کشف درها را به روی آزمایش‌ها و نظریه‌های تازه باز می‌کند. مثلا این سوال مطرح است که با همان سرعت ماده سقوط می کند؟

محققان می‌گویند در جریان مهبانگ، ماده و ضدماده باید ترکیب شده و یکدیگر را «کنسل» کرده باشد تا چیزی به جز نور باقی نماند. اینکه چرا چنین نشد یکی از بزرگترین اسرار علم فیزیک است و کشف تفاوت‌های این دو در حل این معما نقش کلیدی خواهد داشت.

به دلیلی که معلوم نیست ماده در همان اولین لحظات بر پادماده غلبه کرد. به گفته دکتر دانیل هاجکینسون، عضو تیم تحقیق در سرن سوئیس، اینکه واکنش پادماده به نیروی گرانش چیست می‌تواند کلید حل معما باشد. سرن بزرگترین آزمایشگاه فیزیک ذرات جهان است.

او گفت: «ما نمی‌دانیم جهان ما چگونه تحت تسلط ماده در آمده و همین انگیزه آزمایش‌های ماست.»

بیشتر پادماده جهان فقط به صورتی فراّر در کیهان وجود دارد، که برای کسری از ثانیه دوام می‌آورد. برای همین تیم سرن برای انجام آزمایش مجبور بود آن را به صورتی پایدار و بادوام در آورد.

پروفسور جفری هنگست ۳۰ سال را صرف احداث تاسیساتی برای ایجاد هزاران اتم ضدماده از ذرات تشکیل دهنده اتم و به تله انداختن آنها و بعد رها کردن آنها کرده است.

او به من گفت: «پادماده واقعا جالب‌ترین و مرموزترین چیزی است که می‌توانید تصور کنید. تا جایی که ما می‌فهمیم، می‌شود جهانی درست مثل جهان ما با آدم‌هایی مثل من و شما فقط با کمک پادماده ساخت.»

«تلاش برای درک آن بزرگترین منبع الهام ماست؛ یکی از اساسی‌ترین سوالات این است که پادماده چیست و چطور رفتار می کند.»

پادماده چیست؟

بیایید از ماده شروع کنیم: در جهان ما همه چیز از ماده ساخته شده، از ذرات ریزی به نام اتم‌ها. برای نمونه یک اتم هیدروژن از یک پروتون با بار مثبت در مرکز و یک الکترون با بار منفی که دور آن می‌گردد تشکیل شده است.

در مورد ضدماده، بار الکتریکی برعکس است.

برای مثال ضدهیدروژن، که نمونه پادماده هیدروژن است، را در نظر بگیرید که در آزمایش سرن استفاده شد. این یک پروتون با بار منفی (ضدپروتون) در مرکز و الکترونی با بار مثبت (پوزیترون) در مدار آن است.

این ضدپروتون‌ها با برخورد ذرات به هم – در شتاب‌دهنده سرن – به وجود می‌آید و بعد از طریق لوله‌هایی با سرعتی نزدیک به نور وارد آزمایشگاه ضدماده می‌شود. این سرعت بالاتر از آن است که قابل کنترل باشد.

قدم اول کم کردن سرعت است که محققان با فرستادن آنها در یک حلقه انجام می‌دهند. این انرژی آنها را کم می‌کند، تا اینکه با سرعتی که امکان کنترل آن بیشتر است حرکت کنند.

ضدپروتون و پوزیترون سپس وارد یک مغناطیس بزرگ می‌شوند، تا ترکیب شوند و هزاران اتم ضدهیدروژن را به وجود آورند.

این آهن‌ربا میدانی ایجاد می‌کند که ضدهیدروژن را به دام می‌اندازد. اگر به بدنه محفظه برخورد کند فورا از بین می‌رود، زیرا پادماده نمی‌تواند در تماس با جهان ما باقی بماند.

با خاموش شدن میدان مغناطیسی، اتم‌های آنتی‌هیدروژن آزاد می‌شوند. سپس حسگرها بالا یا پایین افتادن آنها را تشخیص می‌دهند.

برخی از نظریه‌پردازان پیش‌بینی کرده‌اند که پادماده ممکن است رو به بالا حرکت کند، اگرچه بیشتر آنها، به ویژه آلبرت اینشتین – در نظریه نسبیت عام – گفته‌اند که باید دقیقا مانند ماده رفتار کند و پایین بیافتد.

اکنون محققان سرن با بیشترین اطمینان تایید کرده‌اند که اینشتین درست می‌گفت.

اما فقط به این دلیل که پادماده بالا نمی‌رود، به این معنی نیست که دقیقا با همان سرعت ماده سقوط می‌کند.

آنها مشغول بهبود آزمایش و حساس‌تر کردن آن هستند تا در گام‌های بعدی مطالعه ببینند آیا تفاوت جزئی در سرعت سقوط پادماده وجود دارد یا خیر.

اگر چنین باشد می‌تواند به یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌ها پاسخ دهد، اینکه کیهان چگونه به وجود آمده است.

نتایج در مجله نیچر منتشر شده است.