دانشمندان برای اولین بار موفق به مشاهده طیف نوری پادماده شدند

دانشمندان مشارکت‌کننده در آزمایش علمی آلفا با انتشار مقاله‌ای در ژورنال نیچر اعلام کردند که برای اولین بار موفق به اندازه‌گیری طیف نوری اتم پادماده (Antimatter) شده‌اند. این دستاورد می‌تواند سرآغاز عصر جدیدی از پیشرفت‌های تکنولوژیک در حوزه‌ی تحقیقات دقیق علمی در مورد پادماده باشد. این موفقیت حاصل بیست سال تلاش و تحقیق جامعه‌ی پادماده‌ی سرن (CERN) است.

جفری هنگست، سخنگوی گروه علمی آلفا می‌گوید:

همیشه یکی از اهداف تحقیقات در مورد پادماده این بوده است که از یک لیزر برای مشاهده‌ی نوعی گذار در پادهیدروژن استفاده شود و سپس رفتار آن با هیدروژن مقایسه شود. در این صورت می‌توان متوجه شد که آیا رفتار آن‌ها از یک قانون تبعیت می‌کنند یا نه.

اتم‌ها از الکترون‌هایی تشکیل شده‌اند که به دور هسته‌ در حال چرخش هستند. زمانی که الکترون‌ها از یک مدار به مدار پایین‌تر می‌روند، از خود نور ساطع می‌کنند و زمانی که به مدارهای بالاتر می‌روند، نور جذب می‌کنند. نور ساطع یا جذب شده دارای طول موج مشخصی است و در واقع طیف نوری هر عنصر منحصربه‌فرد است. همین ویژگی باعث می‌شود که از طیف‌بینی در شاخه‌های مختلف علوم از جمله فیزیک، ستاره‌شناسی و شیمی استفاده شود. دانشمندان با استفاده از طیف‌بینی می‌توانند در مورد مولکول‌ها و حالات درونی آن‌ها اطلاعات کسب کنند. برای مثال، در فیزیک نجوم با بررسی طیف نوری رسیده از ستاره‌ها می‌توان در مورد عناصر تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها اظهارنظر کرد.

اتم‌های عنصر هیدروژن تنها از یک الکترون و یک پروتون تشکیل شده‌اند، از این‌رو هیدروژن ساده‌ترین، فراوان‌ترین و شناخته‌شده‌ترین عنصر در کهکشان است. طیف‌ نوری هیدروژن نیز با دقت بالایی اندازه‌گیری شده است؛ اما از طرف دیگر ما اطلاعات بسیار کمی از پادهیدروژن داریم. از آنجا که به نظر می‌رسد تمام کهکشان از ماده تشکیل شده است؛ ذرات تشکیل‌دهنده‌ی پادماده، یعنی پادپروتون و پوزیترون باید در آزمایشگاه تولید شوند و تشکیل اتم بدهند. تنها از این طریق است که می‌توان به طیف‌ نوری پادهیدروژن دست یافت. این یک فرآیند پیچیده و در عین حال ارزشمند است؛ چرا که تشخیص کوچک‌ترین تفاوت بین طیف‌های نوری هیدروژن و پادهیدروژن می‌تواند اصول اساسی فیزیک را دگرگون کند و به ما در حل معمای عدم توازن ماده و پادماده در کهکشان کمک کند.

در نتیجه‌ی تلاش گروه علمی آلفا، مشاهده‌ی یکی از خطوط طیف نوری پادهیدروژن میسر شده است و اکنون برای اولین بار می‌توان طیف نوری هیدروژن را با پادهیدروژن مقایسه کرد. تا آنجا که محدودیت‌های آزمایشگاهی به ما اجازه می‌دهد، مقایسه‌ی طیف نوری این دو منجر به مشاهده‌ی هیچ نوع تفاوتی نشده است. این یافته با مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی مطابقت دارد. مدل استاندارد فیزیک ذرات بهترین توصیف را از ذرات زیراتمی و نیروهای بین آن‌ها ارائه  می‌دهد. این نظریه پیش‌بینی می‌کند که ویژگی‌های مربوط به طیف‌های نوری هیدروژن و پادهیدروژن باید کاملا مشابه هم باشد.

اما گروه علمی آلفا انتظار دارد دقت نتیجه‌گیری‌های آن‌ها در آینده بیشتر شود. اندازه‌گیری طیف نوری پادهیدروژن با دقت بالا می‌تواند به ما در مقایسه‌ی بهتر رفتار هیدروژن و پادهیدروژن کمک کند و علاوه بر آن می‌تواند میزان درستی مدل استاندارد را نیز محک زد.

گروه علمی آلفا در واقع مشغول انجام آزمایش منحصربه‌فرد در تأسیسات شتاب‌کاهنده‌ی پادپروتون (Antiproton Decelerator) است؛ جایی که در آن اتم‌های پادهیدروژن ساخته می‌شوند و در یک میان مغناطیسی مخصوص به دام می‌افتند. در هنگام به دام افتادن پادهیدروژن‌ها، دانشمندان می‌توانند آن‌ها را دست‌کاری کنند و از طریق لیزر یا دیگر منابع تشعشعی به مطالعه‌ی آن‌ها بپردازند.

هنگست در این مورد می‌گوید:

جابه‌جا کردن و به دام انداختن پادپروتون‌ها یا پوزیترون‌‌ها کار نسبتا ساده‌ای است؛ چرا که آن‌ها ذراتی باردار هستند. اما زمانی که شما هر دوی آن‌ها را با یکدیگر ترکیب می‌کنید، به دام انداختن آن‌ها سخت می‌شود. از این‌رو ما یک میدان مغناطیسی مخصوص طراحی کردیم تا از این حقیقت که پادهیدروژن تا حدی مغناطیسی است، استفاده کنیم.

پادهیدروژن از ترکیب پلاسمای ۹۰ هزار پادپروتون و پوزیترون ساخته می‌شود. پادپروتون‌ها خود محصولی از شتاب‌کاهنده‌ی پادپروتون هستند. از هر بار ترکیب ذرات فوق در حدود ۲۵ هزار پادهیدروژن به وجود می‌آید. پادهیدروژن‌ها را در صورتی می‌توان به دام انداخت که به‌اندازه‌ی کافی با سرعت کم حرکت کنند. گروه آلفا برای انجام این کار از یک روش جدید استفاده می‌کند که در آن پاداتم‌های ساخته‌شده در دو چرخه‌ی ترکیب، با یکدیگر ادغام می‌شوند و در نتیجه‌ی آن، به‌طور میانگین ۱۴ پاداتم به دام می‌افتند که در مقایسه با روش‌های پیشین - که ۱.۴ اتم به‌صورت میانگین به دام می‌افتادند - عملکرد بهتری دارد. سپس دانشمندان با تاباندن پرتوی لیزر با فرکانس مشخص، به بررسی برهم‌کنش پرتو با حالت درونی پادهیدروژن‌ها می‌پردازند. دانشمندان به‌طور مشخص روی اندازه‌گیری گذار 1S-2S تمرکز می‌کنند. 2S به‌طور مشخص یک وضعیت پایدار در هیدروژن است و یک گزینه‌ی مناسب برای انجام اندازه‌گیری‌ها محسوب می‌شود.

هنگست می‌گوید آن‌ها در ابتدای کار هستند. گروه آلفا در نظر دارد آزمایش‌های دیگری را با دقت بیشتر انجام دهد و یافته‌های خود را با دیگر گروه‌های علمی مقایسه کند تا در نهایت راهی برای فائق آمدن بر محدودیت‌های موجود، پیدا شود.