دانشمندان سنگین‌ترین پادماده را کشف کردند؛ آیا کشف ماده تاریک قدم بعدی است؟
ارسال شده توسط: امیرحسین کریم نژاد 03 شهریور 1403 ساعت 09:03
در دستاوردی شگفت‌انگیز دانشمندان موفق شدند سنگین ترین پادماده جهان را کشف کنند. بدین‌ترتیب می‌توان انتظار داشت که به‌زودی وجود ماده تاریک نیز اثبات شود.
پژوهشگران حاضر در آزمایشگاه ملی بروکهیون آمریکا موفق شدند با کشف پاد-هسته خبرساز شوند. در واقع آنها توانسته‌اند اجرام فوق‌العاده کوچکی را کشف کنند که عمر کوتاهی دارند و از سنگین ترین ذرات پادماده تشکیل شده‌اند.
کشف سنگین ترین پادماده جهان و تلاش برای درک جهان هستی
اندازه‌گیری فواصل زمانی ایجاد این ذرات و ویژگی‌های آنها درک ما از ماهیت پادماده را تایید می‌کند. همچنین ما مي‌توانیم با کمک آنها به جستجو برای ماده تاریک در اعماق فضا بپردازیم.
یک جهان موازی گمشده
پیش از بررسی کشف سنگین ترین پادماده جهان بیایید ابتدا مسئله پادماده را بررسی کنیم. ایده پادماده به کمتر از یک قرن پیش باز می‌گردد. در سال ۱۹۲۸ بود که یک استاد فیزیک بریتانیایی به‌نام پاول دیراک یک نظریه بسیار دقیق را برای توضیح نحوه رفتار الکترون‌ها ارائه داد. هرچند که نظریه وی شامل یک پیش‌بینی نگران‌کننده بود. به‌باور وی الکترون‌های با انرژی منفی وجود دارند. البته که وجود آنها باعث می‌شود زندگی در جهان پایدار کنونی عملا غیرممکن باشد.
خوشبختانه دانشمندان توانستند یک توضیح جایگزین را برای حالت‌های انرژی منفی ارائه دهند. پاسخ دانشمندان آنتی‌الکترون بود که عملا همان الکترون با بار الکتریکی مخالف محسوب می‌شد. آنتی‌الکترون‌ها در سال ۱۹۳۲ کشف شدند. از آن زمان دانشمندان متوجه شدند که تمامی ذرات بنیادی پادماده‌های اختصاصی خود را دارند. هرچند این کشف خاص باعث شد که یک سوال بسیار مهم مطرح شود.
آنتی‌الکترون‌ها، آنتی‌پروتون‌ها و آنتی‌نوترون‌ها باید بتوانند با همدیگر ترکیب شده و یک آنتی‌اتم کامل را بسازند. حتی باید شاهد حضور آنتی‌سیاره و آنتی‌کهکشان باشیم. علاوه بر همه اینها، نظریه بیگ‌بنگ نیز نشان می‌دهد که در هنگام آغاز جهان میزان ماده و پادماده برابر بوده است. هرچند ما به هرکجا از جهان که نگاه می‌کنیم فقط می‌توانیم ماده را ببینیم. در واقع فقط میزان فوق‌العاده اندکی از پادماده را مشاهده کرده‌ایم. پس پادماده کجا رفته است؟
این سوال برای نزدیک به یک قرن دانشمندان را آزار می‌داد؛ اما امروز شاهد کشف سنگین ترین پادماده جهان هستیم.
تکه‌هایی از یک اتم خرد شده
کشف سنگین ترین پادماده جهان به‌لطف آزمایش STAR در آزمایشگاه بروکهیون آمریکا ممکن شد. در این آزمایش هسته‌های عناصر سنگین مثل اورانیوم با سرعت بسیار بالا به همدیگر برخورد می‌کنند. در نتیجه این برخورد جرقه‌های آتش فوق‌العاده کوچکی ایجاد می‌شود که می‌توان در آن شرایطی مشابه وضعیت جهان در چند میلی‌ثانیه ابتدایی بیگ‌بنگ را مشاهده کرد.
آزمایشگاه بروکهیون
همچنین هر برخورد باعث می‌شود که صدها ذره جدید ایجاد شوند. اکثر این ذرات ماهیت‌هایی ناپایدار و با عمر کوتاه هستند که پیون نامیده می‌شوند. هرچند که گاهی هم ذرات جذابی شکل می‌گیرند. حسگر STAR ذرات را از یک محفظه مملو از گاز و دارای میدان مغناطیسی عبور می‌دهد. اینکار باعث می‌شود که هر ذره اثر خاصی از خود باقی بگذارد. سپس دانشمندان با اندازه‌گیری میزان ضخامت رد آنها و میزان خمیدگی میدان مغناطیسی ماهیت ذره را شناسایی می‌کنند.
همچنین از آنجایی که ماده و پادماده بار الکتریکی مخالف همدیگر را دارند، مسیر حرکت آنها در میدان مغناطیسی کاملا با هم فرق خواهد داشت. این مسئله نیز به کشف سنگین ترین پادماده جهان کمک کرد.
پادهایپرهیدروژن
در طبیعت هسته اتم‌ها از پروتون و نوترون تشکیل شده است. هرچند که ما می‌توانیم چیزی به‌نام هایپرهسته را نیز ایجاد کنیم. در هایپرهسته یکی از نوترون‌ها با هیپرون (نسخه اندکی سنگین‌تر از نوترون) جایگزین می‌شود. چیزی که پژوهشگران آزمایشگاه بروکهیون کشف کردند هایپرهسته‌ای بود که از پادماده تشکیل شده بود. در واقع آنها موفق به کشف سنگین ترین هسته پادماده جهان شده‌اند.
اگر بخواهیم دقیق باشیم، کشف جدید شامل یک آنتی‌پروتون، دو آنتی‌نوترون و یک آنتی‌هیپرون می‌شود. کشف جدید پادهایپرهیدروژن 4 نام دارد. در میان میلیاردهای پیون ایجاد شده در نتیجه آزمایش STAR، پژوهشگران تنها توانسته‌اند ۱۶ پادهایپرهیدروژن 4 را شناسایی کنند.
تایید پیش‌بینی‌ها در مورد سنگین ترین پادماده
دانشمندان تصمیم گرفتند پیش از اعلام کشف سنگین ترین پادماده جهان در اخبار علمی بررسی‌های بیشتری را انجام دهند. آنها کشف جدید را با ذرات سبک‌تر و معادل‌های آنها در ماده عادی مقایسه کردند. هایپرهسته‌ها همگی ناپایدار هستند و پس از گذشت یک‌دهم نانوثانیه دچار فروپاشی می‌شوند. مقایسه هایپرهسته با پادهاپیرهسته نشان داد که آنها از نظر وزن و طول عمر مشابه هستند.
چیزی که دقیقا دیراک در نظریه خود پیش‌بینی کرده بود. نظریه‌های کنونی فیزیک نیز به‌خوبی توضیح می‌دهند که چرا پادهایپرهسته‌های سبک بسیار بیشتر از نمونه‌های سنگین وجود دارند.
یک جهان سایه‌وار
پادماده ارتباط جالبی با یکی دیگر از مواد اسرارآمیز جهان یعنی ماده تاریک دارد. بررسی‌های دانشمندان نشان می‌دهد که ماده تاریک ۵ برابر بیشتر از ماده عادی در جهان هستی وجود دارد. هرچند که ما تاکنون موفق نشده‌ایم ماده تاریک را به‌صورت مستقیم کشف کنیم.
برخی نظریه‌های فیزیک پیش‌بینی می‌کنند که اگر دو ذره ماده تاریک با یکدیگر برخورد کنند، همدیگر را نابود خواهند کرد و در عوض مقدار بسیار زیادی ماده و پادماده ایجاد می‌کنند. در نتیجه این اتفاق پادهیدروژن و پادهلیوم شکل می‌گیرد. ماژول Alpha Magnetic Spectrometer موجود در ایستگاه فضایی بین‌المللی نیز به دنبال همین ذرات است.
البته اینجا یک سوال مهم مطرح می‌شود. اگر ما بتوانیم روزی پادهلیوم را در فضا کشف کنیم، از کجا متوجه می‌وشیم که توسط ماده تاریک ایجاد شده و یا صرفا به ماده عادی تعلق دارد؟ آزمایش‌های مشابه STAR به دانشمندان اجازه می‌دهند که میزان پادماده ایجاد شده در نتیجه برخورد مواد عادی را ارزیابی کنند. در واقع کشف سنگین ترین پادماده جهان باعث شده که اطلاعات ارزشمند زیادی در اختیار سایر دانشمندان قرار بگیرد.
سوال‌های باقی‌مانده پس از کشف سنگین ترین پادماده
در طول یک قرن گذشته ما توانسته‌ایم اطلاعات زیادی در رابطه با پادماده به‌دست بیاوریم. هرچند هنوز نمی‌دانیم که چرا نمی‌توانیم مقدار قابل‌توجهی از پادماده را در جهان هستی ببینیم. آزمایش STAR تنها تلاش دانشمندان برای درک ماهیت پادماده و پرده‌برداری از اسرار جهان نیست. آزمایشگاه برخورددهنده هادرونی بزرگ در سوئیس نیز تلاش می‌کند تفاوت بین رفتارهای ماده و پادماده را شناسایی کند.
برخورددهنده هاردونی بزرگ
برخی دانشمندان امیدوار هستند تا سال ۲۰۳۲ یعنی صدمین سالگرد کشف اولیه پادماده اطلاعات ارزشمندی در این زمینه به‌دست آید و بشر بتواند به برخی از پرسش‌های بنیادین خود درباره جهان هستی پاسخ دهد.
بیشتر بخوانید: ساخت سریع ترین میکروسکوپ جهان با توانایی ثبت حرکت الکترون ها؛ یک انقلاب بزرگ علمی در راه است پروژه مخفی سیا برای ساخت یک لیزر کنترل شده با مغز انسان و گذر از بافت فضا-زمان ۱۱ سوال مهم در مورد ماده تاریک که بی پاسخ باقی مانده‌اند
