به دام انداختن یک پادذره منفرد برای ماه‌ها؛ فیزیکدانان مدل استاندارد را به بوته آزمایش می‌گذارند

برای مطالعه پادماده یک شرط قطعی وجود دارد: این ذره هرگز نباید دیواره‌های محفظه خود را لمس کند، زیرا در غیر این صورت در چشم‌برهم‌زدنی با گسیل پرتویی از انرژی نابود می‌شود. این محدودیت بنیادین در طول تاریخ همواره پادماده را به پدیده‌ای گذرا و با اندازه‌گیری فوق‌العاده دشوار تبدیل کرده است. اکنون فیزیکدانان دانشگاه نورث‌وست این ایزولاسیون کامل را برای ماه‌ها حفظ کرده و یک پوزیترون تک را در یک تله خلأ برودتی معلق نگه داشته‌اند.[1][2][4][7]

این دستاورد که در نشریه «فیزیکال ریویو لترز» (Physical Review Letters) به چاپ رسیده، پایه‌ای پایدار برای آزمودن تقارن‌های بنیادین کیهان بنا نهاده است. محققان با نگه‌داشتن همتای پادماده‌ای الکترون در پایین‌ترین حالت کوانتومی‌اش، نوعی «سیکلوترون کوانتومی تک‌پوزیترونی» ایجاد کرده‌اند؛ ابزاری که امکان کاوش ویژگی‌های درونی ذره را دور از هرگونه تداخل با ماده پیرامونی فراهم می‌کند.[5][6]

این آزمایش مستقیماً یکی از عمیق‌ترین رازهای کیهان‌شناسی مدرن را نشانه رفته است. بر اساس پیش‌بینی مدل استاندارد فیزیک ذرات، مه‌بانگ (بیگ‌بنگ) در ۱۳.۸ میلیارد سال پیش باید مقادیر کاملاً برابری از ماده و پادماده تولید می‌کرد. از آنجا که این دو به محض برخورد همدیگر را نابود می‌کنند، قاعدتاً جهان امروز باید از هر دوی آنها تهی می‌بود.[3][4]

با این حال، جهان قابل مشاهده به طرز چشمگیری زیر سیطره ماده معمولی قرار دارد و پادماده طبیعی در آن به شدت نایاب است. فیزیکدانان احتمال می‌دهند تفاوتی میکروسکوپی در رفتار ماده و پادماده، بقای بخشی از ماده معمولی را در نخستین لحظات کیهان رقم زده باشد. کشف این ناهمخوانی مستلزم سنجش ویژگی‌های پادذرات با دقتی بی‌سابقه است.[4]

پوزیترون نخستین پادذره‌ای بود که شناسایی شد؛ این کشف در سال ۱۹۳۲ توسط کارل دی. اندرسون بر اساس ردپای به‌جامانده در یک اتاقک ابر انجام گرفت. هرچند فیزیکدانان نزدیک به یک قرن است که پوزیترون‌ها را مشاهده می‌کنند، اما مطالعه طولانی‌مدت یک پوزیترون تک مستلزم جدا کردن کامل آن از الکترون‌های فراگیر تشکیل‌دهنده ماده معمولی است.[4]

مهار پادماده پرسرعت

پوزیترون‌ها در جریان انفجارهای کیهانی، برهم‌کنش‌های پرانرژی ذرات و برخی از انواع واپاشی‌های رادیواکتیو به صورت طبیعی آزاد می‌شوند. در این آزمایش، تیم نورث‌وست از یک چشمه رادیواکتیو کاملاً مهروموم‌شده سدیم-۲۲ با اکتیویته ۱۸ میکروکوری بهره گرفت؛ ایزوتوپی که نیمه‌عمر آن حدود ۲.۶ سال است.[4][5]

با واپاشی هسته‌های سدیم-۲۲، پوزیترون‌هایی با انرژی معادل ۵۴۶ کیلوالکترون‌ولت پرتاب می‌شوند. در چنین تراز انرژی، این ذرات با سرعتی حدود ۸۸ درصد سرعت نور حرکت می‌کنند. به دام انداختن ذره‌ای با چنین سرعت نسبیتی در فضای محدود یک دستگاه آزمایشگاهی، نیازمند مکانیزمی عظیم و آنی برای کاهش سرعت است.[4]

جرالد گابریلس، فیزیکدان دانشگاه نورث‌وست و سرپرست این تیم پژوهشی، می‌گوید: «بزرگ‌ترین چالش ما این است که پوزیترون پرتاب‌شده از هسته را در جریان واپاشی رادیواکتیو بسیار پرانرژی وادار به کاهش سرعت کنیم تا بتوانیم آن را در تله ذرات شکار نماییم.»[4]

برای دستیابی به این هدف، پژوهشگران پوزیترون‌های پرسرعت را از میان یک تک‌بلور تنگستن عبور دادند. اکثریت قاطع پادذرات با الکترون‌های شبکه فلزی برخورد کرده و آناً نابود شدند، اما کسر ناچیزی از آنها با سرعتی بسیار پایین‌تر از طرف دیگر بلور خارج گردیدند.[4]

تعدادی از این پوزیترون‌های بازمانده، هنگام خروج از تنگستن با یک الکترون جفت شدند و حالتی ناپایدار و نامتعارف به نام «پوزیترونیوم» تشکیل دادند. به دلیل فاصله فیزیکی نسبتاً زیاد الکترون و پوزیترون در این پیکربندی، نابودی اجتناب‌ناپذیر آنها به قدری به تاخیر می‌افتد که پوزیترون فرصت کافی برای هدایت به مرکز تله را پیدا کند.[4]

سیکلوترون کوانتومی

پوزیترون پس از ورود به سامانه، از شریک الکترونی خود جدا شده و درون یک «تله پنینگ» (Penning trap) مهار شد. این محفظه با اعمال یک میدان مغناطیسی یکنواخت و قوی در ترکیب با میدانی الکتریکی با هندسه خاص، ذره باردار را در منطقه‌ای کوچک از فضای تهی محبوس می‌کند تا هرگز تماسی با دیواره‌های فیزیکی پیدا نکند.[1][4]

کل ساختار این تله تا دمای فوق‌برودتی ۰.۳ درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شد. در این شرایط، پوزیترون تقریباً تمامی انرژی جنبشی خود را از دست داد و در پایین‌ترین تراز کوانتومی (حالت پایه) جای گرفت؛ جایی که تنها یک مدار چرخشی میکروسکوپی تحت فرمان میدان مغناطیسی را طی می‌کند.[1][2]

در این وضعیت معلق، پوزیترون اساساً مانند یک اتم مصنوعی رفتار می‌کند. محققان می‌توانند با شلیک پالس‌های مایکروویو به شدت دقیق به داخل تله، ترازهای انرژی آن را دستکاری کرده و جهش‌های کوانتومی پدید آورند که پرده از خواص درونی ذره برمی‌دارد. از آنجا که پوزیترون کاملاً منزوی است، سنجش‌ها بدون نوفه حرارتی متداول در آزمایش‌ها به انجام می‌رسند.[1][5]

این تیم موفق شد تعلیق ظریف پوزیترون را برای چندین ماه پیاپی حفظ کند. پیش از این پادماده تنها برای دوره‌های زمانی کوتاه مهار شده بود، اما پایدار نگه‌داشتن یک پوزیترون در حالت پایه برای چنین مدتی نشان‌دهنده سطحی نوین از کنترل آزمایشگاهی است و اثبات می‌کند سامانه توان حفظ شرایط پایدار لازم برای اندازه‌گیری‌های کوانتومی درازمدت را دارد.[2][3][7]

آزمودن مدل استاندارد

هدف غایی راه‌اندازی این سامانه در نورث‌وست، اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی پوزیترون یعنی شدت بنیادین میدان مغناطیسی ذاتی آن است. پژوهشگران قصد دارند این رقم را مستقیماً با گشتاور مغناطیسی الکترون معمولی که پیش‌تر با دقت ۳ بخش در ۱۰ تریلیون سنجیده شده مقایسه کنند.[1][2][5]

بر مبنای اصل تقارن CPT که ستون فقرات مدل استاندارد است، گشتاور مغناطیسی الکترون و پوزیترون باید از نظر اندازه کاملاً یکسان و از حیث علامت مخالف هم باشند. هرگونه انحراف، هرچند به غایت ناچیز، نشانه گسست و نقصی اساسی در درک فعلی ما از قوانین فیزیک خواهد بود.[5][6]

اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی پوزیترون تا دقت یک بخش در ۱۰ تریلیون نیازمند ماه‌ها ثبت مداوم داده‌هاست؛ واقعیتی که پایداری بی‌نقص تله پنینگ را حیاتی می‌سازد. تیم تحقیق باید نوسانات جزئی میدان مغناطیسی محیط آزمایشگاه را که می‌تواند گذارهای حساس کوانتومی را برهم زند، با دقت تمام خنثی کند.[1][5]

با اینکه مقاله کنونی بر دستیابی به فناوری به دام انداختن و سردسازی این ذره متمرکز است، فرآیند سنجش و مقایسه مستقیم گشتاورهای مغناطیسی کماکان در جریان است. محققان سازوکار آزمایش را تثبیت کرده‌اند، اما پاسخ نهایی به آزمون تقارن ماده و پادماده به آزمون‌های بیشتر این سیکلوترون کوانتومی موکول است.[1][2]

در صورتی که اختلافی میان این دو آشکار شود، پای ذرات یا نیروهای بنیادین ناشناخته‌ای به میان می‌آید که در آغاز پیدایش کیهان کفه ترازو را به نفع ماده معمولی سنگین کرده‌اند. در حال حاضر، امکان مهار نامحدود پادماده بدین معناست که فیزیکدانان سرانجام فرصت کافی برای بازجویی موشکافانه از کمیاب‌ترین تصویر آینه‌ای جهان را یافته‌اند.[3][4]