پاد هیدروژن چیست؟ — به زبان ساده

پاد هیدروژن نوعی «پاد ماده» مقارن با هیدروژن به شمار می‌آید. اتم هیدروژن از الکترون و پروتون تشکیل شده، درحالیکه پاد هیدروژن از پوزیترون و پادپروتون تشکیل شده است. دانشمندان امیدوارند با مطالعه پادهیدروژن، به پاسخ این سوال برسند که چرا در جهان، بیشتر ماده داریم تا پاد ماده. این مفهوم ناشناخته را با نام «عدم تقارن باریون» (Baryon Asymmetry) می‌شناسند.

لازم به ذکر است که پاد هیدروژن را به طور مصنوعی و به کمک «شتاب‌دهنده‌های ذرات»‌ (Particle Accelerator) تولید می‌کنند.

ناسا در سال ۱۹۹۹، میزان هزینه تولید هر گرم از پاد هیدروژن را ۶۲/۵ تریلیون دلار تخمین زد که امروزه این هزینه برابر با ۹۴ تریلیون دلار است. این میزان، بیشترین هزینه تولید یک ماده ذکر می‌شود. بازده پایین آزمایش و هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری، دلیل این هزینه بالا به شمار می‌آید.

بمنظور اینکه مفهوم پادهیدروژن و به طور اساسی ماده و پاد ماده را درک کنیم،‌ نیاز داریم تا مفاهیمی بنیادی از فیزیک ذرات را بشناسیم. در این آموزش، بعد از آن‌که مفاهیم فیزیک ذرات را شناختیم، ماده و پاد ماده را خواهیم شناخت و بعد از آن، به بررسی هیدروژن و پاد هیدروژن می‌پردازیم.

مقدمه‌ای بر فیزیک ذرات

فیزیک ذره بنیادی، به مطالعه ذرات بنیادی و برهم‌کنش‌های آن‌ها در طبیعت اختصاص دارد. افرادی که ذرات بنیادی را مطالعه می‌کنند با سایر فیزیکدانان، در مقیاس مورد مطالعه تفاوت دارند. این دانشمندان، مواد را در مقیاس سلولی، مولکولی، اتمی یا حتی هسته‌ای مطالعه نمی‌کنند بلکه این فیزیکدانان به مطالعه مقیاس‌هایی کوچکتر از این علاقه‌مند هستند. در همین زمان هم این دانشمندان با مساله چگونگی پیدایش زمین روبرو هستند. علاوه بر این، مسائلی همچون الگوهای جرمی در کیهان، وجود ماده بیشتر در مقایسه با پاد ماده ، پایستگی جرم و انرژی و روند تکاملی کیهان از جمله موضوعات مورد علاقه این افراد است.

فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی Particle Physics در فرادرس

کلیک کنید

چهار نیروی بنیادی

برای پاسخ به مسائل مطرح شده در بالا، باید به درکی از ذرات و برهم‌کنش‌های آن‌ها برسیم. برهم‌کنش ذرات را در چهار نیروی بنیادی و به ترتیبِ کاهش قدرت آنها تعریف می‌کنند. این نیروها عبارتند از: «نیروی قوی هسته‌ای» (Strong Nuclear Force)، «نیروی الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Force)، «نیروی ضعیف هسته‌ای» (Weak Electromagnetic Force) و «نیروی گرانشی» (Gravitational Forces)

نیروی قوی هسته‌ای

این نوع از نیروها، نیروهای جاذبه بسیار شدید هستند که تنها در فاصله‌های بسیار کم -درحدود $$10 ^ {-15}\ m$$- تاثیر دارند. این نیروها سبب پیوند پروتون‌ها و نوترون‌ها با یکدیگر در هسته اتم هستند. البته تمامی ذرات، از این نیروها تاثیر نمی‌گیرند که از آن‌جمله می‌توان به الکترون‌ها و نوترینو‌ها اشاره کرد. لازم به ذکر است که این نیرو به عنوان قدرتمند‌ترین نیرو در بین نیروهای بنیادی به شمار می‌آید.

نیروی الکترومغناطیس

نیروی الکترومغناطیس در فاصله‌های بسیار دور نیز تاثیرگذار است اما قدرتی در حدود ۱ درصد نیروی قوی هسته‌ای دارد. ذراتی که تحت این نیروها برهم‌کنش انجام می‌دهند به ذرات باردار معروف‌اند. در نظریه کلاسیک الکتریسیته ساکن، موسوم به قانون کولن، نیروی الکتریکی با حاصلضرب بارهای ذرات و معکوس مربع فاصله بین آن‌ها تغییر می‌کند.

برخلاف نیروهای قوی، نیروی الکترومغناطیس می‌تواند دارای جاذبه یا دافعه باشد به طوریکه ذرات با بار ناهمنام یکدیگر را دفع و ذرات همنام یکدیگر را جذب می‌کنند. البته نیروهای الکترومغناطیس به طرق پیچیده‌ای با بارها و حرکات یکدیگر ارتباط دارند. به همین دلیل، یکپارچه‌سازی نیروهای الکتریکی و مغناطیسی که توسط ماکسول انجام شد، به عنوان یکی از دستاوردهای بزرگ علمی قرن نوزدهم به شمار می‌آید. به عبارت دیگر، هسته اصلی ساختار مدل‌های اتمی و پیوندهای مولکولی را این نیرو تشکیل می‌دهد.

نیروی ضعیف هسته‌ای

نیروهای ضعیف هسته‌ای نیز مانند نیروهای قوی در فاصله‌های خیلی کم تاثیر دارند اما همانطور که از نامشان پیداست، نیروهای ضعیفی هستند. این نیروها در حدود یک میلیون بار ضعیف‌تر از نیروهای قوی هسته‌ای ذکر شده‌اند. نیروی ضعیف هسته‌ای، بیشتر در هنگام فروپاشی ذرات بنیادی و برهم‌کنش‌های نوترینو آشکار می‌شود. این نیروهای ضعیف از آن‌جهت اهمیت دارند که در فهم «نوکلئوسنتز ستاره‌ای» (Stellar Nucleosynthesis) بسیار ضروری هستند. این فرآیند در حقیقت، فرآیندی است که سبب تولید هسته اتمی در داخل یک ستاره می‌شود.

نیروی گرانشی

نیروهای گرانشی همچون نیروی الکترومغناطیس، بر فواصل نامحدود و بسیار زیاد اثرگذار هستند. قدرت نیروهای هسته‌ای قوی در حدود $$10 ^ {38}$$ بار بزرگتر از نیروهای گرانشی ذکر می‌شوند. در نظریه کلاسیک گرانش نیوتون، نیروی گرانش با حاصلضرب اجرامِ تاثیرگذار و مربع معکوس فاصله آن‌ها متناسب است. در نظریه‌های جدیدترِ گرانش، برای برهم‌کنش‌های ماکروسکوپیک با انرژی کم، این نیروها را به طور ویژه بررسی می‌کنند. در مقایسه با سایر نیروهای طبیعت، گرانش، کمترین قدرت را در میان آن‌ها دارد.

همانطور که فیزیکدانان، نیروهای الکتریکی و مغناطیسی را به صورت نیروهای یکپارچه الکترومغناطیس تعریف کرند، نیروهای الکترومغناطیس و نیروهای ضعیف هسته‌ای نیز یکپارچه‌سازی و به صورت «نیروهای الکتروضعیف» (Electroweak Force) نام‌گذاری شدند. هر نظریه علمی را که در تلاش برای یکپارچه‌سازی نیروهای الکتروضعیف و نیروهای قوی هسته‌ای باشد، با عنوان «نظریه وحدت بزرگ» (Grand Unified Theory) می‌شناسند و هر نظریه‌ای که در تلاش برای یکپارچه‌سازی تمامی نیروهای بنیادی باشد، موسوم به «نظریه همه‌چیز» (Theory of Everything) است.

دسته‌بندی ذرات بنیادی

در طبیعت،‌ تعداد زیادی ذره زیراتمی وجود دارد. این ذرات را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: خاصیت اسپین و شرکت کردن در چهار نیروی بنیادی

فیلم آموزش فیزیک پلاسما – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

دسته‌بندی بر اساس اسپین

ذرات یک ماده به «فرمیون‌ها» (Fermions) و «بوزون‌ها» (Bosons) تقسیم می‌شوند. فرمیون‌ها دارای اسپین «نیم-انتگرالی» (Half-Integral) و بوزون‌ها دارای اسپین انتگرالی هستند. از نمونه‌های نام‌آشنای فرمیون‌ها می‌توان به الکترون‌ها،‌ پروتون‌ها و نوترون‌ها اشاره کرد. همچنین فوتون‌ها نیز نمونه‌هایی از بوزون‌ها به شمار می‌آیند. فرمیون‌ها و بوزون‌ها به صورت گروهی، رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند. به طور مثال، زمانی که الکترون‌ها در یک فضای کوچک محدود قرار بگیرند، بر طبق «اصل طرد پائولی» (Pauli's)، در این حالت هیچ دو الکترونی نمی‌توانند یک حالت کوانتوم مکانیکی را اختیار کنند در صورتیکه برای فوتون‌ها چنین محدودیتی وجود ندارد.

رفتار گروهی فرمیون‌ها و بوزون‌ها در خاصیتی تحت عنوان «تمیزناپذیری» (Indistinguishability) بررسی می‌کنند. ذراتی را تمیزناپذیر می‌نامند که با یکدیگر مشابه باشند. به طور مثال، الکترون‌ها تمیزناپذیر هستند چراکه هر الکترون در کیهان، جرم و اسپینی برابر با سایر الکترون‌ها دارد. اگر دو ذره تمیزناپذیر را در یک فضای کوچک محدود، با یکدیگر عوض کنید، مربع تابع موج قابل اندازه‌گیری توصیف‌کننده این سیستم $$( | \psi | ^ { 2 } )$$،‌ بدون تغییر باقی می‌ماند. اگر این شرایط برقرار نباشد، می‌توان تشخیص داد که آیا ذرات تغییر کرده‌اند یا نه و در واقع چنین ذراتی، تمیزناپذیر نیستند. فرمیون‌ها و بوزون‌ها در علامت تابع موج تفاوت دارند:

فرمیون‌های تمیزناپذیر: $$\psi \rightarrow - \psi$$

بوزون‌های تمیزناپذیر: $$\psi \rightarrow + \psi$$

فرمیون‌ها را به عنوان «پادمتقارن در تبادل» (Antisymmetric on Exchange) و بوزون‌ها «متقارن در تبادل» (Symmetric on exchange) می‌شناسند. اصل طرد پائولی، نتیجه تبادل متقارن فرمیون‌ها ذکر می‌شود. به یاد داشته باشید که ساختار الکترونی اتم توسط اصل طرد پائولی پیش‌بینی شد و بنابراین به طور مستقیم با تمیزناپذیری الکترون‌ها مرتبط است.

دسته‌بندی بر اساس برهم‌کنش نیروها

فرمیون‌ها می‌توانند به طور مجدد به دسته‌هایی موسوم به «کوارک‌ها» (Quarks) و «لپتون‌ها» (Leptones) تقسیم شوند. کوارک‌ها از طریق نیروهای قوی برهم‌کنش انجام می‌دهند که همین امر بیانگر تفاوت اصلی کوراک‌ها و لپتون‌ها است چراکه برهم‌کنش لپتون‌ها از این طریق صورت نمی‌گیرد. کوراک‌ها، لپتون‌ها و بوزون‌ها در جدول زیر نشان داده شده‌اند. دو ردیف بالایی بنفش‌رنگ، شامل ۶ کوارک است. این کوارک‌ها در دو خانواده تقسیم شده‌اند:

• خانواده اول شامل کوراک‌های «بالا» (Up)، «افسون» (Charm) و «سر» (Top)
• خانواده دوم شامل کوراک‌های «پایین» (Down) «شگفت» (Strange) و «ته» (Bottom)

لازم به ذکر است که اعضای هر خانواده، خواص مشترک و جرم متفاوتی دارند که این جرم را با عبارت  $$MeV/c^2$$ نشان می‌دهند. به طور مثال، جرم کوارک سر بسیار بیشتر از جرم کوراک افسون و جرم کوارک افسون نیز بسیار بیشتر از جرم کوارک بالا است. همانطور که گفته شد، تمامی کوارک‌ها از طریق نیروهای قوی هسته با یکدیگر برهم‌کنش انجام می‌دهند.

«ماده معمولی» (Ordinary Matter) از دو کوارک تشکیل شده‌ است. کوارک بالا با بار $$q = +2/3$$ و کوارک پایین با بار $$q = -1/3$$. کوارک‌های سنگین‌تر، ناپایدار هستند و به سرعت و از طریق نیروهای ضعیف، به کوارک‌های سبک‌تر تبدیل می‌شوند. کوراک‌ها در گروه‌های دو و سه‌تایی با یکدیگر ترکیب می‌شوند و «هادرون‌ها» (Hadrones) را تشکیل می‌دهند. هادرون‌هایی که از دو کوارک تشکیل شده باشند، به «مزون» (Meson) معروف هستند و آن‌هایی که از سه کوارک تشکیل شده‌اند، موسوم به «باریون» (‌Baryon) هستند.

از نمونه‌های مزون می‌توان به «پیون» (Pion) و «کائون» (Kaon) اشاره کرد و همچنین، پروتون و نوترون، مثال‌هایی از باریون به شمار می‌آیند. پروتون، متشکل از دو کوراک بالا و یک کوراک پایین است که آن را به صورت زیر نشان میدهند:

$$(p = uud, \, q = +1)$$

همچنین نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده است. به یاد داشته باشید که کوارک‌ها در تمامی چهار نیروی بنیادی شرکت می‌کنند و برهم‌کنش انجام می‌دهند.

دو ردیف پایین در تصویر بالا که با رنگ سبز نشان‌ داده شده‌اند شامل ۶ لپتون هستند و در دو خانواده تقسیم شده‌‌اند: الکترون، میون و «تاو» (Tau) در یک خانواده و الکترون نوترینو، میون نوترینو و تاو نوترینو در خانواده‌ای دیگر. با دقت در تصویر، در می‌یابیم که وزن میون، ۲۰۰ بار سنگین‌تر از وزن الکترون است اما در دیگر خواص با الکترون تشابه دارد. به همین صورت،‌ تاو،‌ وزنی در حدود ۳۵۰۰ بار سنگین‌تر از الکترون دارد اما در سایر خواص با میون و الکترون مشترک است. بعد از تشکیل تاو، این ذره به سرعت نابود و از طریق نیروهای ضعیف به ذرات سبک‌تر تبدیل می‌شود. اما لپتون‌ها با نیروهای قوی برهم‌کنش انجام نمی‌دهند. لپتون‌ها در نیروهای ضعیف، الکترومغناطیس و گرانشی شرکت دارند.

بوزون‌ها که در تصویر با رنگ نارنجی دیده می‌شوند، حامل نیروهای فرمیون‌ها هستند. در این مدل، لپتون‌ها و کوارک‌ها به کمک ارسال و دریافت بوزون‌ها با یکدیگر برهم‌کنش انجام می‌دهند. به طور مثال، زمانی که دو ذره با بار مثبت، فوتون رد و بدل کنند،‌ «برهم‌کنش کولونی» (Coulombic Interaction) انجام شده است که در این شرایط، فوتون‌ها به عنوان حامل نیروی بین ذرات باردار عمل می‌کنند.

ذره و پاد ذره

در اواخر دهه 1920، نظریه نسبیت و مکانیک کوانتوم با یکدیگر ترکیب شدند و «نظریه کوانتومی نسبیتی الکترون» ( Ralativistic Quantum Theory of The Electron) را تشکیل دادند. از نتایج شگفت‌انگیر این نظریه، پیش‌بینی دو حالت انرژی برای هر الکترون بود. یکی از حالت‌های انرژی، مربوط به الکترون و دیگری مربوط به ذره‌ای با جرم الکترون و با بار $$e^+$$ بود. به این ماده،‌ پاد الکترون یا پوزیترون می‌گویند. پوزیترون در دهه 1930 و از طریق آزمایشگاهی کشف شد.

به زودی مشخص شد که برای هر ذره‌ای در طبیعت،‌ یک «پا دذره» (anti-Particle) وجود دارد. یک پاد ذره، جرم و نیمه عمری برابر با ذره متناظر با خود دارد. این ذرات، به هنگام واکنش‌های با انرژی زیاد تولید می‌شوند. از نمونه‌های این ذرات می‌توان به پادمیون $$(\mu^+)$$،‌ کوارک پادبالا $$(u)$$ و کوارک پادپایین $$(d)$$ اشاره کرد. بسیاری از مزون‌ها و باریون‌ها نیز شامل پاد ذره هستند. برخی از ذرات نیز، پاد ذره خود هستند همچون فوتون و مزون $$\pi^0$$.

شناسایی پاد هیدروژن

شتاب‌دهنده‌ها اولین بار در سال ۱۹۹۰، پاد هیدروژن گرم را شناسایی کردند. سال ۲۰۰۲، هیدروژن سرد در پروژه‌ای موسوم به ATHENA مورد مطالعه قرار گرفت. پاد هیدروژن سرد برای اولین بار در سال ۲۰۰۲ توسط تیم دستگاه فیزیک لیزر پاد هیدروژن موسوم به ALPHA شناسایی شد. این تیم در سال ۲۰۱۰، دیگر خواص پادهیدروژن را اندازه گرفت. پروژه‌های مختلف دیگری نیز برای مطالعه بر اتم‌های $$\overline{H}$$ انجام شد.

ذرات و خواص آن‌ها

همان نیروهایی که موجب نگهداشته شدن مواد در کنار یکدیگر می‌شوند،‌ پاد مادهها را نیز در کنار یکدیگر نگه می‌دارند. به این ترتیب، تحت شرایط خاصی می توان پاد‌ اتم‌هایی همچون پاد اکسیژن، پاد هیدروژن و حتی پاد آب تولید کرد. در پاد‌ اتم‌ها، پوزیترون‌ها در اطراف هسته‌ای شامل پادپروتون با بار منفی و پادنوترون حرکت می‌کنند. در تصویر زیر می‌توانید مقایسه‌ای بین اتم‌ها و پاد اتم‌ها داشته باشید.

فیلم آموزش فیزیک پایه 1 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

پاد ماده نمی‌تواند برای مدت زیادی در طبیعت وجود داشته باشد چراکه ذرات و پاد ذره‌ها در واکنش با یکدیگر، انرژی بسیار زیادی به صورت انفجاری تولید می‌کنند.

پاد ماده

در سال 1928،‌ فیزیکدان انگلیسی، «پاول دیراک» (Paul Dirac)، نظریه کوانتوم و نسبیت خاص را ترکیب کرد تا بتواند به کمک آن، رفتار یک الکترون به هنگام حرکت با سرعت نسبی را توصیف کند. این معادله باعث شد تا دیراک، جایزه نوبل سال ۱۹۳۳ را از آن خود کند. معادله دیراک، دو جواب داشت. یکی برای الکترون با انرژی مثبت و دیگری برای الکترون با انرژی منفی و این در حالی بود که فیزیک کلاسیک عقیده داشت که انرژی یک ذره، همواره عددی مثبت است.

دیراک، معادله خود را اینگونه توصیف کرد که برای هر ذره‌ای، پادذره‌ای وجود دارد که دقیقا با آن ذره هم‌ارز است با این تفاوت که آن ذره، بار مخالفی دارد. به طور مثال، برای یک الکترون، باید یک پاد الکترون (پوزیترون) وجود داشته که در همه حالات، با الکترون برابر،‌ اما بار آن منفی باشد. اما زمانی که یک ماده و پاد ماده با یکدیگر برخورد کنند، به صورت انفجاری، انرژی زیادی آزاد می‌کنند. بنابراین این دیدگاه وجود دارد که به هنگام مهبانگ (بیگ‌بنگ) مقادیر برابری از ماده و پاد ماده ایجاد شده است. اما این سوال پیش می‌آید که چرا در کیهان، بیشتر، ماده داریم تا پاد ماده؟

سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای

در «سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای»‌ (European Organization for Nuclear Research) که به سرن (CERN) موسوم است،‌ بزرگترین آزمایش‌های فیزیک ذرات از جمله تولید پاد ماده صورت می‌گیرد. در همین خصوص، نیاز است تا با برخی از تیم‌های تحقیقاتی یا آزمایش‌هایی که در سرن انجام می‌شود آشنا شویم تا بتوانیم به ادامه مطلب بپردازیم.

آزمایش ATHENA

ATHENA یک پروژه تحقیقاتی بود که به کمک آن در سال 2002، سبب تولید 50000 اتم پاد هیدروژن با انرژی پایین شد. در سال 2005، این پروژه متوقف شد و بسیاری از اعضای آن مشغول به فعالیت در آزمایش ALPHA شدند.

آزمایش ALPHA

آزمایش ALPHA بمنظور به دام انداختن پاد هیدروژن خنثی در یک «دام مغناطیسی» (Magnetic Trap) طراحی شد. هدف اصلی این آزمایش، بررسی تقارن CPT با مقایسه طیف اتمی هیدروژن و پاد هیدروژن بود.

آزمایش ATRAP

ATRAP گروه مشترکی متشکل از فیزیکیدانان از سراسر جهان بود که با هدف آزمایش بر روی پاد هیدروژن، گرد یکدیگر جمع شده بودند و توانستند اولین پاد هیدروژن سرد را برای برهم‌کنش آماده کنند. همچنین، اعضای این گروه توانستند به طور دقیق به طیف‌سنجی هیدروژن دست پیدا کنند. علاوه بر این، این گروه شاهد اتم‌های پاد هیدروژن گرم نیز بودند.

حالت گذار 1S-2S

در سال ۲۰۱۶، آزمایش ALPHA، گذار الکترونی بین ۲ سطح پایین انرژی پاد هیدروژن را اندازه گرفت. نتایج حاصل، با آزمایشات هیدروژن در مقیاس آزمایشگاهی مشابه بود و نظریه تقارن ماده-پاد ماده و CPT را تصدیق کرد.

در حضور یک میدان مغناطیسی، حالت گذار 1S-2S به دو حالت گذار با فرکانس‌های متفاوت تبدیل می‌شود. تیم تحقیقاتی، فرکانس‌های حالت گذار را برای هیدروژن در یک میدان مغناطیسی و در حجم محدود به صورت زیر محاسبه کردند:

\begin{array} { l } { f _ { \mathrm { dd } } = 2466061103064 ( 2 ) \mathrm { kHz } } \\ { \mathrm { f } _ { \mathrm { cc } } = 2466061707104 ( 2 ) \mathrm { kHz } } \end{array}

حالت گذار یک پروتونِ تنها بین حالات S، توسط قوانین انتخاب کوانتوم محدود شده است. بنابراین، برای برانگیختگی یک پوزیترون از حالت پایه به سطح 2S، توسط لیزری که بر اساس نیمی از فرکانس حالت گذار تنظیم شده باشد، یک «فضای محدود» (Confinment Space) ایجاد شد که موجب تحریک جذب دو پروتون بود.

برای پاد هیدروژن‌هایی که به حالت برانگیختگی 2S رسیدند، ۳ حالت مختلف پیش خواهد آمد:

• با گسیل دو فوتون، به طور مستقیم به حالت پایه قبل برمی‌گردند.
• با جذب فوتونی دیگر سبب یونیزه شدن اتم می‌شوند.
• با گسیل یک فوتون، به حالت پایه 2P می‌رسند. در این حالت،‌ اسپین الکترون ممکن است عوض شود یا به همان حالت قبل بماند.

دو حالت آخر سبب می‌شود تا اتم از فضای تحدیدی (محدود) خارج شود. با فرض اینکه پاد هیدروژن همچون یک هیدروژن عمل کند، تیم تحقیقاتی محاسبه کرد که در مقایسه با حالت بدون لیزر، نیمی از اتم‌های پاد هیدروژن در طول آزمایش و هنگامی که در معرض فرکانس رزونانس قرار می‌گیرند، از بین می‌روند. زمانی که منبع لیزر را در حدود ۲۰۰ کیلوهرتز کمتر از نصف فرکانس حالت گذار تنظیم کردند، میزانِ هدررفت، برابر با حالت بدون لیزر بود.

تیم تحقیقاتی آلفا «دسته‌هایی» (Batches) از پاد هیدروژن را آماده و برای ۶۰۰ ثانیه نگهداری کرد و سپس این زمان را تا ۱/۵ ثانیه در میدان تحدیدی کاهش داد و همزمان، میزان هدررفت اتم‌های پاد هیدروژن را محاسبه کرد. این عملیات تحت سه حالت آزمایشگاهی انجام شد:

• رزونانس (تشدید): برای هر ۲ حالت از گذار، اتم‌های پاد هیدروژن تحدیدی را به مدت ۳۰۰ ثانیه در معرض لیزری قرار دادند که دقیقا برای نصف فرکانس گذار تنظیم شده‌ بود.
• آف‌-رزونانس: اتم‌های پاد هیدروژن را در معرض منبع لیزری قرار دادند که دقیقا برای ۲۰۰ کیلوهرتز پایین‌تر از ۲ فرکانس رزونانس تنظیم شده بود. این زمان به ازای هر ۲ حالت گذار،‌ ۳۰۰ ثانیه در نظر گرفته شد.
• حالت بدون لیزر: این حالت شامل قرار دادن اتم‌ها پاد هیدروژن بدون تابش لیزر بود.

دو حالت آخر برای این انجام شد تا مطمئن شوند که تابش لیزر، به تنهایی دلیل از بین رفتن پاد هیدروژن‌ها نبوده است. تیم تحقیقاتی در حدود ۱۱ بار این آزمایشات را تحت این سه شرط انجام داد و تفاوت مشهودی بین دو حالت آخر مشاهده نشد، اما حدود 58 درصد هدررفت بعد از اجرای آزمایشات رزونانس دیده شد. همچنین، میزان از بین رفتن اتم‌های هیدروژن نیز محاسبه شد که این میزان در حالت رزونانس بیشتر بود و بین دو حالت آخر نیز تفاوتی وجود نداشت. در نتیجه، همانطور که در بالا نیز به آن اشاره شد،‌ این نتایج، تقارن CPT را تصدیق می‌کرد.

مشخصه پاد هیدروژن و نظریه CPT

نظریه CPT فیزیک ذرات پیش‌بینی می‌کند که اتم‌های پاد هیدروژن، بسیاری از مشخصه‌های معمول هیدروژن را دارند که از آن‌جمله می‌توان به جرم، ممان مغناطیسی و فرکانس حالت گذار اتمی اشاره کرد. به طور مثال، انتظار می‌رود که اتم‌های برانگیخته پاد هیدروژن، همان طیف رنگی هیدروژن را داشته باشند. اتم‌های پاد هیدروژن به ماده یا پاد ماده ‌ها از طریق نیروی گرانشی جذب می‌شوند که مقدار این نیرو، با نیروی دریافتی از اتم هیدروژن برابر است. البته برای پاد ماده ‌هایی که جرم گرانشی منفی دارند، این موضوع صدق نمی‌کند که البته هنوز به صورت تجربی ثابت نشده است.

زمانی که پاد هیدروژن در تماس با یک ماده قرار می‌گیرد، ذرات تشکیل‌دهنده آن به سرعت از بین می‌روند. پوزیترون‌ها به همراه الکترون‌ها برای تولید اشعه گاما دچار نابودی می‌شوند. از طرفی، «پادپروتون‌ها» (Antiproton) که از پادکوارک‌ها تشکیل شده‌اند، با کوراک‌ها در نوترون یا پروتون ترکیب خواهند شد و «پیون‌ها» (Pions) با انرژی بالا بوجود می‌آیند که این پیون‌ها به سرعت به «میون» (Muons)، «نوترینو» (Neutrino)، پوزیترون و الکترون تبدیل می‌شوند. لازم به ذکر است، اگر اتم‌های پاد هیدروژن در یک خلا کامل حضور داشته باشند (معلق باشند)، از بین نخواهند رفت.

کاربرد پاد هیدروژن

همانطور که قبلا نیز اشاره شد، انتظار می‌رود که این پادعنصر خواصی دقیقا برابر با هیدروژن داشته باشد. به طور مثال، یک پاد هیدروژن گازی در ترکیب با اتم‌های پاد اکسیژن،‌ موجب تولید «پاد آب» (Antiwater) با فرمول $$\overline { \mathrm { H } } _ { 2 } \overline { \mathrm { O } }$$ خواهد شد.

علاوه بر این، دانشمندان قصد دارند تا با مطالعه این پاد ماده و بررسی طیف‌های اتمی آن، به درک خواص و کاربردهای آن بپردازند چراکه با توجه به خاصیت انفجاری آن، در تولید بمب‌ها نیز کاربرد دارد.

تولید پاد هیدروژن

اولین پاد هیدروژن در سال 1995 توسط یک تیم تحقیقاتی به رهبری «والتر اولرت» (Walter Oelert) به تولید رسید. در شتاب‌دهنده‌ای موسوم به LEAR، آنتی‌پروتون‌ها به خوشه‌های زنون شلیک شدند و جفت‌های الکترون-پوزیترون را تولید کردند. به عبارت ساده‌تر، دانشمندان اجازه دادند تا پادپروتون‌ها در داخل LEAR با اتم عناصر سنگین برخورد کنند. هر پادپروتونی که به اندازه کافی از نزدیکی یک هسته اتم سنگین گذر کند، توانایی تولید جفت‌های الکترون-پوزیترون را خواهد داشت. در بخش کوچکی از این  آزمایشات، پادپروتون‌ها با پوزیترون‌ها برای تشکیل پاد هیدروژن، پیوند می‌دهند. این پادذرات همگی انرژی بسیار زیادی داشتند به طوریکه یک طول ده متری را با سرعتی برابر نور طی می‌کردند و بعد از آن این پاد مادهها با مواد مشابه خود برخورد می‌کردند و با شرکت کردن در فرآیندی موسوم به «نابودی» (Annihilation)، در یک میلیاردم ثانیه نابود می‌شدند.

فیلم آموزش فیزیک لیزر + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

پادپروتون‌ها توانایی به‌ دام انداختن پوزیترون‌ها را با احتمال $$10 ^ {-19}$$ دارند، در نتیجه، این روش برای تولید انبوه مناسب نیست. همچنین با مطالعات مختلفی که صورت گرفت، مشخص شد که نتایج حاصل از این نوع تولید، برای مطالعه بیشتر سودمند نیست. برای مطالعه بیشتر بر روی این پاد ماده‌ها، فیزیکدانان به زمانی بیشتری نیاز داشتند. در نتیجه، محققان تصمیم به ساخت دستگاهی گرفتند که آنتی‌هیدروژن تولیدی را برای مدت زمان بیشتری نگهدارد. به همین منظور، گروه «سرن» (CERN) یک «کاهنده شتاب پادپروتون» (Anti-proton Decelerator) را معرفی کرد که پادپروتون‌هایی با سرعت و انرژی کمتری تولید می‌کرد و در آزمایش‌های پاد ماده موسوم به ATHENA ،ATRAP و ALPHA بکار گرفته شد.

زمانی که انرژی به اندازه کافی پایین باشد، فیزیکدانان ALPHA از پتانسیل الکتریکی استفاده می‌کنند تا به کمک آن پادپروتون‌ها را به یک ابری از پوزیترون معلق در خلأ نزدیک کنند. در نهایت، این دو نوع پاد ماده باردار، سبب تشکیل پاد هیدروژن با انرژی پایین خواهند بود. با توجه به اینکه اتم‌های پاد هیدروژن فاقد بار الکتریکی هستند، در نتیجه، میدان الکتریکی توانایی نگهداری آن‌ها را ندارد. به جای این‌کار، از دو آهنربای ابررسانا استفاده می‌کنند که با ایجاد یک میدان مغناطیسی، از خواص مغناطیسی پاد هیدروژن بهره می‌گیرد. در نهایت اگر اتم‌های پاد هیدروژن، انرژی پایین داشته ‌باشند، برای مدت زیادی در یک ظرف مغناطیسی دوام خواهند داشت.

در حال حاضر تنها راهی که بتوان فهمید یک پاد ماده به دام افتاده یا نه این است که به آن فرصت دهیم تا با یک ماده در فرآیند نابودی شرکت کند. زمانی که آهنرباها خاموش شوند، اتم‌های پاد هیدروژن در تلاش برای گریز از محل به‌دام افتادگی خود، به سرعت با دیواره‌های آن محل در فرآیند نابودی برهم‌کنش انجام می‌دهند. آشکارسازهای سیلیکونی از شعله‌های ایجاد شده استفاده می‌کنند تا محل پاد ماده‌ها را مشخص کنند. تنها از این راه است که فیزیکدانان متوجه به‌دام افتادن پاد هیدروژن می‌شوند. همچنین، گروه سرن، یک کاهنده شتاب پادپروتون را معرفی کرد که اعتقاد دارد به کمک آن می‌تواند در هر دقیقه 10 میلیون پادپروتون بسازد.

به دام انداختن پاد ماده

در ژوئن سال 2011، تیم ALPHA گزارش داد که با موفقیت، اتم‌های پاد ماده را به مدت ۱۶ دقیقه به دام انداخته است. در مقیاس عمر اتمی، این مقدار زمان، بسیار زیاد و به اندازه‌ای است که دانشمندان می‌توانند با جزئیات بر روی آن مطالعه کنند. بسیاری از دانشمندان تمایل دارند تا با مطالعه پادهیدروژن‌ها و طیف الکترومغناطیس آن‌ها، خواص این پاد ماده را با هیدروژن مقایسه کنند و شباهت‌های این دو ماده را بررسی کنند.

یکی از این گروه‌های تحقیقاتی حتی قصد دارد که ثابت شتاب گرانشی موسوم به g را نیز برای پاد هیدروژن اندازه‌گیری کند. هرقدر زمان به دام افتادن اتم‌های پاد هیدروژن بیشتر باشد، مطالعات دقیق‌تری می‌توان بر روی این پاد ماده ‌ انجام داد و فیزیکدانان شناخت بیشتری روی پاد ماده پیدا خواهند کرد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله
• طیف‌سنجی مولکولی
• همجوشی هسته ای — به زبان ساده

^^