طلا بیار، پادماده ببر!



خبرآنلاین - پژوهشگران موفق شدهاند با کوباندن هستههای اتم طلا در انرژی 200 گیگا الکترونولت، رکورد تولید سنگینترین پادماده را بشکنند و پاد کوارک شگفت، یکی از ذرات بنیادی عالم را در آن خلق کنند.

محمود حاجزمان: فیزیکدانان موفق شدند با برخورد دادن هسته اتمهای طلا در برخورد دهنده یونی سنگین نسبیتی (RHIC) در لانگآیلند نیویورک، ایزوتوپهای سنگین پاد-هیدروژن را تولید کنند. این پادماده شامل ذرات زیراتمی است که تحت عنوان پاد-کوارک شگفت شناخته میشود که سنگینتر از کوارکهای بالا یا پایین است. جرم اضافی این کوارک مرموز، ایزوتوپ پاد-هیدروژن را سنگینتر از پادماده رکورددار قبلی یعنی پاد-هلیوم میسازد. مطالعه بیشتر این پادهسته جدید میتواند اطلاعاتی را درباره هسته ستارگان نوترونی در اختیار دانشمندان قرار دهد و یا حتی بینش جدیدی را درباره نخستین روزهای عالم در اختیار آنان بگذارد.

به گزارش نیچر، بخش از واقعیت درباره پادماده مانند داستانهای علمی تخیلی است. ذرات پادماده دارای جرم مشابه ماده معمولی هستند، اما دیگر ویژگیهایشان مخالف است. وقتی ماده و پادماده با هم برخورد میکنند، یکدیگر را نابود کرده و انرژی تولید میکنند.

پل دیراک اولین کسی بود که تئوری پادماده را در سال 1928 / 1307 مطرح کرد. از آن زمان محققان ذرات پادماده را که از واپاشی هستهای یا تصادمهای پرانرژی ماده معمولی تولید میشود مورد مطالعه قرار دادهاند. امروزه، پوزیترون که پادماده الکترون است، در روشی از تصویربرداریهای پزشکی به نام پت (PET) استفاده میشود.

اما پاداتمها که از پاد-پروتونها و پاد-نوترونها ساخته شدهاند، خیلی کمیابند. از آنجا که ما در دنیایی زندگی میکنیم که توسط ماده معمولی احاطه شده است، به احتمال زیاد پاد-پروتونها و پاد-نوترونها قبل از آنکه بتوانند پادهسته را شکل دهند، نابود شدهاند. تا این تاریخ تنها گروههای انگشتشماری توانستهاند با موفقیت پادذرات را در فرم اتمی آنها مشاهده کنند.

دستور پخت پادماده

دکلان کین، از فیزیکدانان دانشگاه ایالتی کنت در اوهایو و یکی از اعضای تیم تحقیقاتی STAR که پادهسته جدید را کشف کردهاند، میگوید: «برای ساخت پاداتمها به دو چیز احتیاج دارید. نخست، مقدار قابلتوجهی انرژی تا پادماده را تولید کنید؛ سپس شما به مقدار زیادی ماده نیاز دارید تا شانس مشاهده پادمادههای دیگر و شکلدهی اتمها را قبل از نابودی فراهم کند.»

به گفته کین، برخوردهنده RHIC یک دستگاه عالی برای انجام چنین کاری است. این برخوردهنده هستههای طلا را با انرژی 200 گیگا الکترونولت (الکترونولت، واحد انرژی است که ده میلیارد میلیارد برابر آن برابر 1 ژول است) به یکدیگر کوبید. پس از برخورد هسته به مخلوطی از کوارکها و پاد-کوارکها، ذرات بنیادینی که پروتونها و نوترونها را شکل میدهند، واپاشیده شد.



از چپ به راست: مراحل برخورد 2 توده ذرات طلا و تولید ذرات جدید


برای شکل دادن ایزوتوپ پاد-هیدروژن جدید، نخست یک کوارک Antistrange با یک پاد-کوارک بالا و پاد-کوارک پایین ترکیب میشود. در نتیجه یک پاد-لاندا که ذرهای شبیه پاد-نوترون است، تولید میشود. پاد-لاندا که اندکی سنگینتر از یک نوترون است، سپس باید با یک پاد-نوترون و پاد-پروتون ترکیب شود. احتمال چنین رخدادی خیلی کم و در حد یک در صد میلیون است. با این وجود، RHIC توانست 70 ایزوتوپ پاد-هیدروژن جدید را تولید کند.

انفجار کوچک


کین میگوید: «اطلاعاتی که از آزمایش به دست آمده مانند یک توده کاه است، که شما باید اطلاعات مورد نظر خود را از آن استخراج کنید.» برای یافتن پاد-هیدروژن جدید، جین هوی چن از انستیتو فیزیک کاربردی شانگهای و ژانگ بو ژو از آزمایشگاه ملی بروکلین، محل استقرار برخوردهنده RHIC، یک نرمافزار بسیار سطح بالا را تولید کردند که میتوانست اطلاعات مربوط به پاد-نوکلئونهای جدید را جدا کند.

هر کدام از پاداتمهای جدید جرمی برابر 5.3 ضربدر 10 به توان منفی 27 کیلوگرم دارند که تنها اندکی بیشتر از پاد-هلیوم با جرم 4.8 ضربدر 10 به توان منفی 27 کیلوگرم بیشتر است. با این حال این جرم به اندازه کافی سنگین هست تا ایزوتوپهای پاد-هیدروژن را به سنگینترین پادهسته کشف شده تبدیل کند. ایزوتوپهای کشف شده عمر بسیار کوتاهی دارند، در واقع نیمه عمر پادهستهها تنها در حدود چند صدهزار میلیاردیم ثانیه (10 به توان منفی 14) است.

یورگن شیکرفت از فیزیکدانان آزمایشگاه سرن میگوید: «تولید چنین پادهستههای غریبی خیلی هم شگفتانگیز نیست.» با این حال، وی میگوید آنها به مطالعه دادههای بهدست آمده خیلی علاقمندند. تصور میشود که ستارگان نوترونی که باقیمانده ستارگان فوق سنگین هستند، شامل تعداد زیادی کوارک شگفت باشند. پادهستههایی که محتوی کوارکهای شگفت هستند میتوانند نقش اساسی را در این سیر تکاملی ایفا کنند. علاوه بر این، مطالعه مشخصات پادهستههایی مانند آنها ممکن است به فیزیکدانان کمک کند تا دریابند که چرا جهان به جای پادماده سرشار از ماده است.

شیکرفت میگوید: «مهبانگ مقدار زیادی ماده معمولی را در اختیار ما قرار داده تا با آن کار کنیم. اکنون انفجار کوچک RHIC مقداری پادماده را برای تحقیقات علمی برای ما فراهم کردهاست.»