پادماده منجمد ممکن است سرمنشاء کیهان را فاش کند

لیزا گلاگلر از جمله کسانی بود که سیستم پیچیده‌ای از لیزرها را برای خنک کردن اتم‌های پوزیترونیوم راه انداختبی بی سی: به نهایت نادر است و معمولا فقط ۱۴۲ میلیاردم ثانیه دوام می‌آورد.

پوزیترونیوم می‌تواند حجم عظیمی انرژی آزاد کند. می‌تواند ماهیت «پادماده» که در آغاز کیهان وجود داشت را روشن کند، و مطالعه آن می‌تواند علم فیزیک، معالجه سرطان و حتی سفر فضایی را دگرگون کند.

اما تحلیل این ماده دست نیافتنی تقریبا غیرممکن بوده چون اتم‌های آن بی‌قفه در جنب و جوش هستند.

حالا دانشمندان راهی برای حل این مشکل پیدا کرده‌اند: منجمد کردن آن با لیزر.

دکتر روگرو کاراویتا، که این تحقیقات را در سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای (سرن) در نزدیکی ژنو هدایت کرده، می‌گوید: «فیزیکدان‌ها عاشق پوزیترونیوم هستند. این یک اتم بی‌نظیر برای انجام آزمایش با پادماده است.»

«حالا کل این رشته مطالعاتی از انسداد خارج شده است.»

اما پوزیترونیوم دقیقا چیست؟

این یک اتم عجیب شامل ماده و پادماده با هم است - چیزی واقعا غیرعادی.

ماده همان چیزی است که دنیای اطراف ما از آن ساخته شده، از جمله ستارگان، سیارات و جسم ما.

پادماده در نقطه مقابل قرار دارد. وقتی کیهان به دنیا آمد به اندازه مساوی از این دو وجود داشت اما پادماده حالا در طبیعت خیلی نایاب است و مقدار واقعا کمی از آن به طور طبیعی ظاهر می‌شود.

به گفته لیسا گلاگلر، دانشجوی دکتری که روی این پروژه کار می‌کند، یافتن پاسخ این سوال که چرا حالا در کیهان ماده از پادماده بیشتر است - و در نتیجه علت وجود ما - گام خیلی بلندی به سوی یک نظریه تازه و کامل‌تر درباره تکامل کیهان خواهد بود و پوزیترونیوم ممکن است کلید حل این معما باشد.

او می‌گوید: «پوزیترونیوم سیستم خیلی ساده‌ای است. ۵۰ درصد از ماده و ۵۰ درصد از پادماده تشکیل شده. ما امیدواریم که اگر فرقی میان این دو باشد، بتوانیم آن را در این سیستم راحت‌تر از سیستم‌های پیچیده‌تر ببینیم.»

در یکی از اولین آزمایش‌ها می‌توان از پوزیترونیوم منجمد برای محک زدن این موضوع استفاده کرد که آیا بخش پادماده آن هم مثل ماده از نظریه نسبیت عام اینشتین پیروی می‌کند.

نمودار زیر نشان می‌دهد که چرا پوزیترونیوم اینقدر منحصر به فرد است.
راست: پوزیترونیوم یک الکترون منفی و یک پوزیترون مثبت دارد. چپ: اتم هیدروژن از یک پروتون مثبت و یک الکترون منفی تشکیل شده استماده از اتم‌ها تشکیل شده است که ساده‌ترین آنها هیدروژن، یعنی فراوانترین عنصر جهان، است. هیدروژن از یک پروتون با بار مثبت در مرکز و یک الکترون با بار منفی در اطراف آن تشکیل شده است.

پوزیترونیوم، از طرف دیگر، شامل یک الکترون و پادماده آن یعنی پوزیترون است.

این ترکیب ابتدا در سال ۱۹۵۱ توسط دانشمندان در آمریکا کشف شد. اما مطالعه آن دشوار بوده چون سبک است و زیاد جنب و جوش می‌کند.

اما خنک کردن آن از سرعت اتم‌های آن می‌کاهد که بررسی آن را برای محققان آسان‌تر می‌کند.

تا به حال سردترین دما برای پوزیترونیوم در خلاء حدود ۱۰۰ درجه سانتیگراد بوده است. تیم سرن اکنون با استفاده از تکنیکی به نام خنک‌کننده لیزری، آن را به بیش از منهای ۱۰۰ درجه سانتیگراد کاهش داده است. این یک فرآیند دشوار و پیچیده است که در آن نور لیزر به اتم‌ها تابانده می‌شود تا از جنبش آنها جلوگیری کند. نتایج این تحقیق در مجله علمی «فیزیکس ریوی‌یو لترز» منتشر شده است.

پروفسور مایکل چارلتون، کارشناس پوزیترونیوم در دانشگاه سوانزی که در این مطالعه شرکت نداشته، می‌گوید برای اینکه پوزیترونیوم برای تحقیقات قابل استفاده شود، باید تا حدود منهای ۲۶۰ درجه سانتیگراد سرد شود و روش لیزری راهی به این سو باز کرده است.

او به بی‌بی‌سی گفت: «گام اول خیلی دلگرم‌کننده است. در را باز می‌کند تا آن طرف را ببینیم و ما را با نشان دادن گوشه‌ای از عصر جدید فیزیک پوزیترونیوم وسوسه می‌کند.»
پوزیترونیوم در کارخانه پادماده سرن تولید و خنک می‌شودسرن تنها گروهی نیست که به دنبال پوزیترونیوم منجمد است. گروه «کی ای کی» در توکیو در آستانه انتشار نتایج مشابهی هستند.

به نظر می‌رسد که این یک مسابقه علمی باشد که گروه‌های دیگری را از سراسر جهان به خود جلب کرده است، زیرا این ماده به طور بالقوه دارای مزایای عملی فوق‌العاده است. وقتی یک الکترون و پوزیترون با هم ترکیب می‌شوند، مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کنند که می‌توان از آن برای ایجاد لیزرهای قدرتمند به اصطلاح پرتو گاما استفاده کرد.

بعضی از کاربردهای دیگر شامل تصویربرداری پزشکی و درمان سرطان است و برخی حتی از آن به عنوان وسیله‌ای برای به حرکت درآوردن فضاپیماها با سرعتی نزدیک به سرعت نور صحبت می‌کنند که سفر میان ستارگان را در آینده دور امکان پذیر خواهد کرد.

مطالعه تازه در کارخانه پادماده سرن انجام شد که اخیرا بیشترین میزان شناخته شده از اتم‌های پادماده هیدروژن در جهان را تولید و ذخیره کرده است.

سال گذشته تیم دیگری از محققان این موضوع را آزمایش کردند که پادهیدروژن چه واکنشی به قوه گرانش نشان می‌دهد. آنها متوجه شدند که به سمت پایین سقوط می‌کند، اما هنوز نمی‌دانند که آیا با همان سرعت هیدروژن معمولی سقوط می‌کند یا خیر.