حفظ پاد هیدروژن در تله ی ALPHA

ساختن پادماده خود بسیار مشکل است چه رسد به ذخیره سازی آن جفری هینست شرح می دهد که چگونه ALPHA آزمایشی در CERN برای تولید و جمع آوری پاد هیدروژن بر برخی دشواری های این کار قلبه می کند و همچنین حقیقت تولید حتی مقدار بسیار کوچکی از پادماده را به چالش می کشد

ساختن پادماده خود بسیار مشکل است چه رسد به ذخیره سازی آن. جفری هینست شرح می دهد که چگونه ALPHA - آزمایشی در CERN برای تولید و جمع آوری پاد هیدروژن - بر برخی دشواری های این کار قلبه می کند و همچنین حقیقت تولید حتی مقدار بسیار کوچکی از پادماده را به چالش می کشد.

فرض کنید- به عنوان شخصیت بد ذات داستان- شما شدیدا نیازمندید که مقدار قابل توجهی پا ماده را به هر دلیل شیطانی ای جا به جا کنید. چگونه می توانید خود را برای این کار آماده کنید و چگونه می توانید آنرا مثلا به یکی از دخمه های واتیکان قاچاق کنید؟ واقعیت این است که احتمالا ما هرگز چنین مقدار زیادی از پادماده را نخواهیم داشت تا چنین داستانی به حقیقت بپیوندد.

با توجه به مقدمه ی رمان مشهور "دیوان و فرشتگان " (۲۰۰۰)، دن براون آشکارا از مأموریت قریب الوقوع CERN – کارخانه ی پادماده سازی یا پاد شتاب دهنده ی پادپروتون AD- الهام گرفته بوده است. هم اکنون ۵ سال است که AD مشغول به کار می باشد و آزمایش هایش نتایج قابل توجهی برای دنیای فیزیک فراهم آورده است. یکی از مهمترین دستاورد هایش در این مسیر سنتز اتم های پاد هیدروژن در سال ۲۰۰۲ با همکاری ATHENA و ATRAP است.

این حرکت یک قدم بسیار مهم در رسیدن به یکی از اهداف نهایی دانش عمومی پاد ماده که مقایسه ی دقیق طیف هیدروژن و پاد هیدروژن است، بود. با توجه به قضیه ی CPT این طیف ها باید یکسان باشند. برای اینکه بهتر متوجه شوید منظور از دقیق در این متن چیست نگاه ی به وب سایت تئودور هانش، برنده ی جایزه نوبل ۲۰۰۵، بیاندازید که تیتر عجیب زیر را دارد:

f (۱s – ۲s) = ۲۴۶۶۰۶۱۱۰۲۴۷۴۸۵۱(۳۴) Hz. در ظاهر شاید معما های مرموز دن براون به نظر بیاید اما به این معناست که فرکانس یکی از گذار های n=۱ به n=۲ در هیدروژن با دقت مطلقی در حدود یک در قسمت اندازه گیری شده است. این واقعاً تکان دهنده است اما وضعیت ما نسبت به پاد هیدروژن چگونه است؟

● ذخیره سازی پاد هیدروژن

ATHENA و ATRAP هر دو پاد هیدروژن را از طریق ترکیب پاد پروتون و پوزیترون در محفظه های الکترومغناطیسی به نام ""Penning Trap (تله های محصور کننده) می سازند (شکل ۱). Penning trap ها میدان های مغناطیسی سیملوله ای قوی و چاه های الکتروستاتیک طولی ای ایجاد می کنند که ذرات باردار را به دام می اندازند. پاد پروتون ها توسط پاد شتاب دهنده ی پاد پروتون در CERN تهیه می شوند و پوزیترون ها از ایزوتوپ رادیو اکتیو بدست می آیند.

پروسه ی کلی شامل کند کردن فوری، محصور کردن و سرد کردن هر دو گونه ی ذرات است. اما یک مشکل اساسی وجود دارد : وقتی پاد پروتون و پوزیترون باردار با هم ترکیب می شوند پاد هیدروژن خنثی در میدان های penning trap محصور نمی ماند و این پاد اتم با ارزش از بین می رود. آزمایش ATHENA موفق شد تولید پاد هیدروژن را نشان دهد چراکه توانست نابودی پاد اتم ها را زمانی که از حدود penning trap می گریختند و بر روی دیواره ها نابود می شدند، آشکار کند. برای مطالعه ی پاد هیدروژن به وسیله ی طیف نگاری لیزری، پاد اتم ها باید زمان بیشتری حفظ شوند. در گذار ۱s – ۲s که پیشتر ذکر شد، حالت برانگیخته (۲s) نیمه عمری در حدود یک هفتم ثانیه دارد در حالی که در ATHENA یک پاد اتم در عرض چند میکرو ثانیه پس از ساخته شدنش بر روی دیواره های penning trap نابود می شود. از این رو نسل بعدی آزمایش های پاد هیدروژن شامل تدارکاتی خواهند بود برای به دام انداختن پاد هیدروژن های خنثی ای که از ترکیب اجزاء باردار سازنده تولید می شوند.

شکل ۱. Penning trap متعلق به ALPHA که در AD برای به دام انداختن پاد پروتون ها استفاده می شود. دسته ی الکترودهای زر اندود که در یک سرماپا درون آهن ربای سیملوله ای ابر رسانشی قرار دارند میدانی تا ۳T ایجاد می کنند.
شکل ۱. Penning trap متعلق به ALPHA که در AD برای به دام انداختن پاد پروتون ها استفاده می شود. دسته ی الکترودهای زر اندود که در یک سرماپا درون آهن ربای سیملوله ای ابر رسانشی قرار دارند میدانی تا ۳T ایجاد می کنند.

اتم های خنثی- یا پاد اتم ها- می توانند به دام بیافتند چرا که گشتاور مغناطیسی ای دارند که می تواند با یک میدان مغناطیسی خارجی برهمکنش انجام دهد. اگر ما میدان را با پیکر بندی ای بسازیم که کمترین شدت میدان مغناطیسی را داشته باشد ( تا آن میدان در تمام جهات رشد کند) برخی از ویژه-حالت های اتم به میدان حداقلی جذب خواهند شد. این همان روشی است که در چگالش بوز- آینشتاین اتم های هیدروژن را برای مطالعه به دام می اندازند. هندسه ی معمول آن به نام تله ی لوف-پریچارد معروف است (شکل ۲). یک سیم پیچ چهار قطبی و دو پیچه ی سیملوله ای آینه ای میدانی تولید می کنند که به ترتیب درداشت عرضی و طولی را فراهم می کنند. همچنین تصویر ۲ الکترود هایی را نشان می دهد که در Penning trap برای پادپروتون ها و پوزیترون های باردار درداشت محوری فراهم می آورند. تصور این است که پاد هیدروژن تولید شده در Penning trap تنها زمانی محصور در تله ی لوف-پریچارد به وجود می آید که انرژی جنبشی اش از عمق پتانسیل محصور سازی تجاوز نکند.

شکل ۲.  تصویر تله ی لوف-پریچارد که پیرامون الکترودهای یک Penning trap را احاطه کرده است. پیکان ها مسیر جریان جاری در پیچه های آهن ربا را نشان می دهند.
شکل ۲. تصویر تله ی لوف-پریچارد که پیرامون الکترودهای یک Penning trap را احاطه کرده است. پیکان ها مسیر جریان جاری در پیچه های آهن ربا را نشان می دهند.

● آهنربا های خوش ساخت

مسئله مهم دیگری که هر دو گروه با آن مواجه هستند تاثیر اضافه کردن میدان به شدت نا متقارن لوف-پریچارد به Penning trap بر ذرات باردار است. Penning trap ها برای پایدار ماندن به تقارن دورانی میدان سیملوله ای وابسته اند. همانگونه که ژوئل فاژان از همکاران ALPHA در ابتدا اشاره کرد، اضافه کردن میدان مغناطیسی عرضی به Penning trap می تواند باعث فاجعه باشد، چه به از بین رفتن آنی ذرات بیانجامد چه به نابودی آرامتر- اما به همان اندازه مخرب- بر اثر پخش شدن. راه حل فاژان، که توسط گروه ALPHA اتخاذ شده، استفاده از میدان های مغناطیسی چند قطبی با مرتبه ی بالاتر برای محصور سازی عرضی است.یک میدان با مرتبه ی بالاتر می تواند عمق چاهی برابر یک چهار قطبی فراهم آورد در حالی که بر روی محور های تله، جایی که ذرات باردار محصور می شوند میدان به میزان قابل توجه ضعیف تری تولید می کند.

برای ساختن چنین آهنربایی، گروه ALPHA به دنبال افراد حرفه ای در تولید آهنربا های ابر رسانشی برای کاربرد های شتاب دهنده ها رفتند. معلوم شد بخش آهنربا های ابر رسانشی در BNL (لابراتوار ملی بروک هون) پیشتر تکنیکی را ابداع کرده اند که اساسا جوابگوی نیاز ماست. نکته ی کلیدی در اینجا استفاده از مواد خاص مناسب در ساخت آهنربا است. برای آشکار سازی نابودی های پاد پروتون تیم ALPHA یک آشکار ساز راس سیلیکونی سه لایه مشابه آنچه در آزمایشات انرژی بالا استفاده می شود را به کار گرفتند .(شکل ۳)

شکل ۳. مقطع عرضی دستگاه ALPHA، هرچند تولیدات این نابودی ها (پیون ها ) باید پیش از رسیدن به سیلیکون از میان آهنربا های تله ی اتم ها بگذرند.
شکل ۳. مقطع عرضی دستگاه ALPHA، هرچند تولیدات این نابودی ها (پیون ها ) باید پیش از رسیدن به سیلیکون از میان آهنربا های تله ی اتم ها بگذرند.

در بروک هون برای مقید کردن کابل های ابر رسانشی که اساس آهنربا ها را تشکیل می دهند از مواد کامپوزیتی استفاده می شود. با استفاده از یک دستگاه پیچشی سه بعدی که اختصاصا طراحی شده است، تیم BNL قادر بودند تا یک هشت قطبی

هشت لایه و پیچه های آینه ای را درست در بیرون اتاقک خلاء ALPHA بتابانند. مقاومت مکانیکی توسط فیبر های شیشه ای تنیده شده، در یک زیر لایه ی اپوکسیدی تامین می شود و تنها کابل ابر رسانشی فلزی است.

شکل ۴.  هشت قطبی ALPHA که در بروک هون تنیده شده است. کابل ابر رسانشی در یک لایه چسبنده با استفاده از انرژی فرا صوتی ثابت شده است.آهن را مانند آنچه اینجا نشان داده شده است هشت لایه دارد.
شکل ۴. هشت قطبی ALPHA که در بروک هون تنیده شده است. کابل ابر رسانشی در یک لایه چسبنده با استفاده از انرژی فرا صوتی ثابت شده است.آهن را مانند آنچه اینجا نشان داده شده است هشت لایه دارد.

در همین حال تیم ATRAP به سختی برای به کار گرفتن یک تله ی چهار قطبی جدید کار می کنند و موفق به ذخیره ی ابر های پاد پروتون و الکترون در دستگاه جدیدشان شده اند. آزمایشات یال ۲۰۰۷ در AD حاوی نتایج جالبی برای فیزیک پاد هیدروژن خواهد بود. هر دو گروه ALPHA و ATRAP باید دستگاه های موثر و قابل استفاده ای داشته باشند که قادر به محصور سازی- لااقل در تئوری- پاد ماده خنثی برای اولین بار باشند.

شکل ۵. دستگاه در حال کار ALPHA. لوله ای که دنده دنده است سیملوله ی ابر رسانشی Penning trap می باشد
شکل ۵. دستگاه در حال کار ALPHA. لوله ای که دنده دنده است سیملوله ی ابر رسانشی Penning trap می باشد

بیایید نگاهی به آنچه که در آزمایشات پاد ماده ی امروزی ممکن است بیاندازیم، بدون توجه به کشته مرده های داستان های علمی تخیلی و NASA . اگر بخواهید پاد ماده را به دفاتر آژانس سرمایه گذاری ملی تان ببرید،شاید فکر کنید مقداری پاد پروتون را حمل می کنید، چراکه قسمت اعظم انرژی-جرم اتم پاد هیدروژن در هسته ی آن است.

از آنجا که تله های ذره-باردار ما مشخصا از تله های ماده و پاد ماده خنثی عمیق تر هستند، شاید این موضوع بسیار تحریک کننده باشد. ATRAP و ALPHA نخست پاد پروتون را در تله هایی به عمق چند کیلو الکترون ولت و در ده ها میلیون درجه ی کلوین جمع می کنند.

اما مسئله چگالی است. یک تله ی خوب ذره-باردار برای پوزیترون سرد دارای چگالی ذره ای در حدود است. چگالی پاد پروتون به مراتب کمتر است، اما ما خوشبین خواهیم بود و این تعداد را استفاده خواهیم کرد. بنابراین برای انتقال یک میلی گرم پاد پروتون- در حدود ذره- شما تله ای به حجم یا نیاز دارید، یعنی مکعبی به ضلع ۱۰۰ متر، که در چمدان شما جا نخواهد شد! تصادفا نابودی یک میلیگرم پاد ماده با ماده انرژی ای معادل ۵۰ تن TNT آزاد می کند!

حالا اندازه تله به کاهش می یابد که بسیار کنترل پذیر تر است. توجه داشته باشید که انتقال BEC در این آزمایش در ۵۰۹۵۶;K انجام شده است، بسیار پایین از ۴.۲K ای که ما امیدواریم با پاد پروتون به آن برسیم.بدبختانه برای کاملا سرد و چگال کردن اتمی هیدروژن نیاز به سرمایش تبخیری است، اتم های داغ را بیرون می اندازیم تا اتم های باقی ماده در تله سرد شوند. این باعث آسیب دیدن آزمایشگاه شما قبل از اینکه شما پاد اتم های باقی مانده و محصور شده را به سرنوشت نهایی و عظیمشان برسانید می شود. و فراموش نکنید که تاریخ تولید پاد پروتون بر روی زمین محدود به چند ده نانو گرم در ۲۵ سال گذشته است. متاسفانه ظاهرا محتمل نیست که این شاخص تولید تغییر کند.

چه تعداد پاد اتم را می توانیم محصور کنیم؟ آزمایش ژاپنی ها- ASACUSA- با استفاده از یک مرحله ی اضافه ی پاد شتاب دهی پس از AD، می تواند در حدود یک میلیون از ۳۰ میلیون پاد پروتون کم شتاب شده را که AD هر سد ثانیه یا بیشتر تولید می کند، محصور کند. فرض کنید ما می توانیم تمام این ها را به پاد هیدروژن تبدیل کنیم( در مقام مقایسه، ATHENA در حدود ۱۵% موفق بوده.) در این حالت راندمان محصور سازی پاد هیدروژن خنثی برای هیچ کس قابل تصور نیست،ما به یک درصد هم قانع هستیم. به همین علت است که فکر داشتن یک ابر چگال از اتم های برهمکنش گر پاد هیدروژن لبخند خسته ای بر چهره ی تمام کسانی که در AD کار می کنند خواهد نشاند. با استفاده از روش های بالا ثانیه – در حدود ۳۰۰ میلیارد سال- طول می کشد تا بتوانیم فقط یک میلی گرم پاد هیدروژن تهیه کنیم.

بازگردیم به حقیقت عاقلانه مان در CERN، ما خوشحال خواهیم بود که فقط محصور سازی پاد هیدروژن را طبق قانون نشان دهیم. این یعنی در آغاز محصور ساختن تنها چند پاد اتم هدف است نه ساختن BEC یا یخ پاد هیدروژن. آینده ی میدان های آشکار سازی ظاهرا به این وابسته است، همچنین ASACUSA طرح جدیدی را گسترش می دهد تا پاد هیدروژن را طیف بینی پروازی کنند. زمان نشان خواهد داد که کدام روش امید بخش تر خواهد بود. اما دو چیز واضح است: تکنولوژی حقیقی تولید پاد ماده و محصور سازی بسیار عقب مانده از تخیلات دن براون است، و واتیکان قطعا از دست ما در امان خواهد بود.

نویسنده:Jeffrey Hangst

منبع: CERN Courier, Vol.۴۷, No.۶, August ۲۰۰۷

ترجمه: مانی رشتی پور www.pszine.com