پاد ماده کیهانی

در ,۱۹۲۸ فیزیکدان انگلیسی پل آدریان موریس دیراک P AM Dirac وجود پاد ماده را پیش بینی کرد دیراک مدعی شد که برای هر ذره مادی, ضدذره ای به همان جرم ولی با بار مخالف وجود دارد

در ،۱۹۲۸ فیزیکدان انگلیسی پل آدریان موریس دیراک (P.AM.Dirac) وجود پاد ماده را پیش بینی کرد. دیراک مدعی شد که برای هر ذره مادی، ضدذره ای به همان جرم ولی با بار مخالف وجود دارد. از پیوند این ضدذره ها، ضداتم پدید می آید و ضداتم ها می توانند ضدماده هایی متناظر با اجسام دنیای مادی بسازند. یعنی مثلاً ضدستاره ها، ضدکهکشان ها و حتی ضدانسان ها. ماجرا به همین جا ختم نمی شود. اگر یک ذره مادی با ذره ای از ضدماده برخورد کند، هر دو ناپدید می شوند و در مقابل یک پرتو پرانرژی گاما تولید می شود. به زبان تراژیک تر، اگر یک انسان و ضدانسان با هم دست بدهند، انرژی حاصل از انفجار و ناپدید شدنشان چیزی معادل هزار انفجار هسته ای یک مگاتنی خواهد بود. هر کدام از این بمب ها، برای نابودی کامل یک شهر کوچک کفایت می کند.

ادعای دیراک حرف غریبی بود، اما اثباتش فقط ۴ سال طول کشید. یعنی وقتی که در ۱۹۳۲ کارل دی اندرسون (Carl D. Anderson) فیزیکدان کلتک، اولین پادذره را شناسایی کرد. وقتی اندرسون از یک اتاقک ابر برای بررسی پرتوهای کیهانی (ذرات بسیار پرانرژی که به طور پیوسته از فضا زمین را بمباران می کنند) استفاده می کرد، مسیری را دید که به وسیله ذره ای با جرم الکترون اما بار مخالف آن (یعنی مثبت) ایجاد شده بود. این موجود را (که در واقع متناظر پادذره ای الکترون بود) پوزیترون نام گذاشتند. پیدا کردن پادپروتون ها سخت تر بود و بالاخره در ،۱۹۵۵ فیزیکدان های آزمایشگاه لارنس برکلی از یک شتاب دهنده برای تولید آنها استفاده کردند. در ۱۹۹۵ هم پژوهشگران سرن (آزمایشگاه و شتاب دهنده عظیم اروپا واقع در نزدیکی ژنو) توانستند با کنار هم گذاشتن پوزیترون ها و پادپروتون ها در یک شتاب دهنده برای مدت زمان بسیار کوتاهی پادهیدروژن بسازند

دانشمندان در سال های اخیر آشکارسازهای پیچیده ای برای جست وجوی پادماده لابه لای پرتوهای کیهانی ساخته اند. از آنجا که این پرتوها بعد از برخورد با هسته مولکول های هوا نابود و تجزیه می شوند محققان مجبورند آشکارسازهایشان را به رقیق ترین مناطق در دسترس جو زمین بفرستند. ما هم درگیر یکی از همین آزمایش ها هستیم، یعنی تلسکوپ پادماده پرانرژی (HEAT) که سوار بر بالون های مستقر در ارتفاع زیاد دنبال پادپروتون های احتمالی موجود بین پرتوهای کیهانی می گردد. آشکارسازهای مهم دیگری هم هست که بعضی با چرخش در فضا به جست وجویشان ادامه می دهند.

نتایج این آزمایش ها می تواند کلیدهایی به سوی فهم منشاء پادماده باشد یا حتی معلوم کند که پادستاره ها و پادکهکشان ها واقعاً وجود دارند یا خیر. اخترفیزیکدانان فکر می کنند که بیشتر پادذره های مشاهده شده در اتمسفر بالایی نتیجه برخوردهای شدید ذرات زیراتمی در فضای بین ستاره ای هستند. ماجرا وقتی آغاز می شود که میدان مغناطیسی موج ضربه ای ناشی از یک انفجار ابرنواختری پروتون یا یک هسته اتمی سنگین تر را در فضای بین ستاره ای تا سرعت های بسیار زیاد شتاب می دهد. اگر این هسته (که حالا یک پرتو کیهانی پرانرژی به حساب می آید) با یک ذره بین ستاره ای دیگر برخورد کند، بخشی از انرژی پرتو کیهانی می تواند به یک زوج ذره- پادذره تبدیل شود.

● یک سطل پرتو کیهانی

بعضی از این برخوردها، به تولید زوج های پیون می انجامد. پیون ها ذرات ناپایداری هستند که به سرعت واپاشی می کنند و به پوزیترون، الکترون، نوترینو و آنتی نوترینو تبدیل می شوند. پرانرژی ترین برخوردها، یعنی آنها که شامل ذراتی با سرعت نزدیک به نور هستند، زوج های پروتون- پادپروتون به وجود می آورند. این فرآیند، عکس فرآیند نابودی ماده- پادماده است: به جای تبدیل ماده به انرژی، انرژی به شکل ماده درمی آید.

با این حال تعداد پادذره های خلق شده در برخوردهای بین ستاره ای نسبتاً اندک است و مثلاً در پرتوهای کیهانی که به وسیله HEAT مشاهده شده است، تعداد ذرات بسیار بیشتر از پادذرات است. برای اینکه درک بهتری از دشواری آشکارسازی پادماده به دست بیاورید، سطلی پر از پیچ های فولادی در نظر بگیرید که در آن ۱۰۰ پیچ عادی راست گرد (الکترون های موجود در پرتوکیهانی) و ۱۰ پیچ چپ گرد (پوزیترون های پرتوکیهانی) وجود دارد.

پرتوهای کیهانی، غیر از این، حاوی پروتون هم هستند که بار الکتریکی مشابه پوزیترون ها دارد اما بسیار سنگین تر است. اینها را می توان با اضافه کردن ده هزار پیچ چپ گرد بزرگ به سطل خیالی بالا نشان داد. حالا تک تک پیچ های چپ گرد را باید وزن کرد تا پروتون یا پوزیترون بودنش مشخص شود و وزن کشی را هم باید بسیار به دقت انجام داد. چون اگر در هر هزار پروتون، فقط یکی با پوزیترون اشتباه گرفته شود، تعداد پوزیترون های مشاهده شده، دو برابر خواهد شد

● تلسکوپ

HEAT (که خطایی کمتر از یک در صدهزار دارد) از یک آهنربای ابررسانا و آرایه ای از آشکارسازها برای تشخیص پوزیترون بهره می گیرد. بعد از اینکه پرتوهای کیهانی از درون یک دریچه جمع کننده عبور کردند میدان مغناطیسی آهنربایی ابررسانا، الکترون های منفی را به یک سو و پروتون ها و پوزیترون های مثبت را به سوی دیگر منحرف می کند.

آشکارسازها، بار و جهت هر ذره ورودی را به همراه مقدار انحرافی از مسیر مستقیم که در میدان مغناطیسی ایجاد می شود، اندازه می گیرند که این آخری (مقدار انحراف) برای تشخیص پروتون از پوزیترون به کار می رود: از آنجایی که پروتون ها سنگین ترند، تحت تاثیر نیروی میدان (که به بار و سرعت وابسته است)، کمتر از پوزیترونی با همان سرعت منحرف می شوند.

تلسکوپ و ابزارهای HEAT را برای اولین بار، بالن علمی تحقیقاتی سازمان هوانوردی و فضانوردی آمریکا (ناسا) در ۱۹۹۴ از پایگاهی در نیومکزیکو به هوا فرستاد. با وجود اینکه کل ابزار چیزی حدود ۲۳۰۰ کیلوگرم وزن دارد، یک بالن غول پیکر هلیومی توانست آن را تا ارتفاع ۳۷ کیلومتری سطح زمین (یعنی بالاتر از ۹۹/۵ درصد اتمسفر) بالا ببرد. HEAT طی ۳۲ ساعت به اندازه گیری و سنجش پرتوهای کیهانی پرداخت و سپس به کمک چتر در پانهاندل تگزاس فرود آمد. ناسا یک بار دیگر در سال ۱۹۹۵ HEAT را از مکانی در مانیتوبای کانادا به هوا برد و در این پرواز دوم آشکارساز توانست پوزیترون های کم انرژی تر را هم یعنی پوزیترون هایی که فقط در نزدیکی قطب های شمال و جنوب مغناطیسی زمین می توانند به درون میدان مغناطیسی نفوذ کنند، مشاهده کند.

نتایج حاصل از این دو پرواز، کاملاً امیدوارکننده از کار درآمد. تعداد پوزیترون های کم انرژی که HEAT موفق به ثبت شان شد، به عدد مورد انتظار بسیار نزدیک بود. با این حال آشکارسازها در قسمت پرانرژی، پوزیترون بیشتری نسبت به آن چه پیش بینی می شد، ثبت کردند. این مازاد البته خیلی زیاد نیست و می تواند ناشی از خطاهای احتمالی باشد. اما اگر آن را واقعی تصور کنیم، نشان دهنده وجود منبع ناشناخته ای از پوزیترون های پرانرژی در کیهان است که ذره سنگین درگیر در برهم کنش های ضعیف (WIMP) یکی از نامزدهای احتمالی آن به حساب می آید.

این ذره فرضی، یکی از راه حل های مسئله بغرنج ماده تاریک هم هست. اخترفیزیکدان ها برای توضیح آهنگ مشاهده شده چرخش های کهکشانی، این فرضیه را مطرح می کنند که هر کهکشان در هاله عظیمی از ماده تاریک قرار گرفته که با ابزارهای معمولی نمی توان آنها را رصد کرد. WIMP فرضی می تواند نامزد مناسبی برای این ماده تاریک باشد، چون هیچ نور یا گونه دیگری از امواج الکترومغناطیسی از خودش گسیل نمی کند. اگر WIMP ها با چگالی پیش بینی شده وجود داشته باشند، برخوردهای بین آنها تعداد قابل توجهی پوزیترون پرانرژی تولید می کند و این فرآیند می تواند توجیهی برای مازاد مشاهده شده به وسیله HEAT باشد. اما پیش از همه اندازه گیری های آینده HEAT یا گروه های دیگر، باید این مازاد را با دقت بیشتری تایید کند.

وقتی پرتوهای کیهانی را به دنبال پوزیترون زیرورو می کردیم، دانشمندان دیگر به کار دشوارتری مشغول بودند: شکار پادپروتون. پادپروتون ها از پوزیترون ها کمیاب ترند چون جرم شان حدود دو هزار برابر آنها است و بنابراین مقدار انرژی بسیار بیشتری برای تولیدشان لازم است. مثلاً پروتون های بین ستاره ای باید با سرعت های بالاتر از ۹۹درصد سرعت نور به هم برخورد کنند تا یک زوج پروتون- پادپروتون تولید شود. آشکارسازهای پادماده مثل IMAX ( آزمایش ایزوتوپی ماده- پادماده) یا BESS (آزمایش بالنی با طیف سنج سولنوئیدی ابررسانا)، حداکثر یک پادپروتون به ازای هر ده هزار پروتون موجود در باران پرتوهای کیهانی پیدا کرده اند. کمیابی این پادذره ها، دانشمندان جست وجوگر را مجبور می کنند تا برای اجتناب از شمارش های نادرست، دقت فوق العاده ای به کار برند. آشکارسازهای استفاده شده برای این کار باید خطایی کمتر از یک قسمت در میلیون داشته باشد.

● به دنبال پادجهان ها

اولین جست وجوی گسترده برای پیدا کردن مقادیر بیشتری از پادماده کیهانی را فیزیکدانی به نام لوئیس و. آلوارز (Luis W. Alvarez) در دهه ۱۹۶۰ آغاز کرد. آلوارز در پرتوهای کیهانی دنبال پادذره های سنگین مثل هسته پادهلیوم یا پادکربن یا پاداکسیژن گشت. برخلاف پوزیترون ها و پادپروتون ها، این پادذره های سنگین پرجرم تر از آنند که از برخوردهای ذرات بین ستاره ای حاصل شوند. بنابراین کشف یک هسته پادهلیوم ثابت می کند که مقداری پادماده از انفجار بزرگ باقی مانده است. همین طور، پیدا شدن یک پادکربن یا پاداکسیژن دلیلی است بر وجود پادستاره ها، چون کربن و همه عناصر سنگین تر فقط در ستاره ها به وجود می آیند.

بیشتر اخترفیزیکدانان بخت چندانی برای وجود پادستاره ها قائل نیستند. هر چند که نور یک پادستاره هیچ تفاوتی با نور یک ستاره معمولی ندارد. اما پادستاره خواه ناخواه با ذرات مادی معمولی که از فضای بین ستاره ای به طرفش روانه می شوند، برخورد

می کند و نابودی ماده- پادماده حاصل به تولید شار عظیمی از پرتوهای گاما می انجامد. آشکارسازهای مداری (واقع در مدار زمین)، پرتوهای گامای کم انرژی را ثبت کرده اند که نشان دهنده نابودی مقدار زیادی از پوزیترون در حوالی مرکز کهکشان ما است.

با این حال، دانشمندان هنوز معتقد نیستند که این پوزیترون ها متعلق به یک پادستاره اند، چون در این صورت تابش حاصل به صورت چشمه موضعی پرقدرتی از پرتوهای گامای بسیار پرانرژی تر مشاهده می شد. این واقعیت که هیچ آشکارسازی تا به حال چنین چشمه ای را ثبت نکرده است، یعنی هیچ پادستاره ای در کهکشان وجود ندارد و به همین ترتیب از پادکهکشان ها هم در خوشه کهکشانی محلی ما خبری نیست.

دورتر چطور؟ شاید جهان ما شامل پادکهکشان های منزوی باشد که فاصله های خالی بزرگ، آنها را از کهکشان های مادی معمولی جدا کرده است. در دهه گذشته، ستاره شناسان نقشه های بزرگ و مفصلی از توزیع کهکشان ها تا فاصله چند میلیارد سال نوری تهیه کرده اند و در این نقشه ها هیچ منطقه منزوی و جداگانه ای که بتواند ساخته پادماده ها باشد، دیده نمی شود. اگر مناطق بزرگی از جهان، ساخته پادماده بود، آنجا که ماده و پادماده کنار هم قرار می گرفت مقادیر عظیمی پرتو گاما در روزهای اولیه تاریخ جهان آزاد می کرد. اما ستاره شناسان تا به حال چنین تابش قدرتمندی را در پس زمینه مشاهده نکرده اند. پادکهکشان ها (اگر وجود داشته باشند) باید جایی فراتر از برد بهترین تلسکوپ های ما (یعنی حداقل چند میلیارد سال نوری) باشند.

غیر از این، کیهانشناسی جدید، دلیلی هم برای اینکه چرا جهان می تواند تقریباً به کل ساخته ماده معمولی باشد، ارائه می کند. طبق پذیرفته شده ترین نظریه ها، انفجار بزرگ در اولین لحظه آفرینش مقدار ماده ای که تولید کرد، کمی بیشتر از پادماده بود. این پدیده نتیجه ای بود از یک بی تقارنی کوچک در قوانین فیزیک که با نام «نقضCP شناخته می شود و در آزمایشگاه هم مشاهده شده است.

به این ترتیب به ازای هر ۳۰ میلیارد ذره پادماده خلق شده در جریان انفجار بزرگ، ۳۰ میلیارد و یک ذره مادی به وجود آمد. حدود یک میلیونیم ثانیه بعد از انفجار بزرگ، ذرات شروع به نابودی پادذرات کردند تا جایی که تنها ماده معمولی باقی ماند. این مازاد اندک (یک قسمت در ۳۰ میلیارد) البته همچنان آن قدر زیاد بود که بتواند جهان کنونی ما را بسازد.

هرچند که این نظریه وسوسه کننده به نظر می آید اما بعضی از دانشمندان به جست وجو برای پادذرات سنگین ادامه داده اند. آنها همچنان معتقدند که مناطق بزرگی از پادماده وجود دارد و هسته های پاد ماده سنگین که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند می توانند فاصله های عظیم را طی کنند و به کهکشان ما برسند. در دهه های ۱۹۶۰ و ،۱۹۷۰ آلوارز و دانشمندان دیگر با استفاده از آشکارساز ها، ده ها هزار ذره کیهانی را به دنبال یک پادذره سنگین جست وجو کردند. آزمایش های جدید تر، همین کار را با میلیون ها ذره انجام دادند. اما با همه این تلاش ها، هیچ پاد ذره ای سنگین تر از پاد پروتون مشاهده نشد.

البته می شود فرض کرد که پادکهکشان های دور، پاد ذره های سنگین تابش می کنند اما میدان های مغناطیسی موجود در فضای بین کهکشانی، جلوی رسیدن آنها به زمین را می گیرد. اندازه گیری های اخیر تابش سینکروترون عبوری از خوشه های کهکشانی نشان داده است که شدت میدان مغناطیسی درون چنین خوشه هایی حدود یک میلیونیم شدت میدان مغناطیسی روی سطح زمین است. از آنجایی که این میدان ها احتمالاً ضمن پیدایش خوشه ها تا هزار بار تقویت شده اند، اختر فیزیکدان ها احتمال می دهند که میدان بین کهکشان های دور از هم، فقط یک میلیاردیم میدان زمین است.

هرچند که چنین میدانی به مراتب ضعیف تر از آن است که حتی سوزن قطب نما را بلرزاند. اما در طول زمان می تواند اثر قابل توجهی بر پاد ذره ای که فاصله بسیار طولانی فضای میان کهکشانی را می پیماید، داشته باشد. مسیر پادذره به صورت مارپیچی با قطر چند سال نوری حول یکی از خطوط میدان مغناطیسی درمی آید. اخترفیزیکدان ها بر سر جهت میدان های مغناطیسی در فضای میان کهکشانی توافق ندارند. بعضی معتقدند که این میدان ها، مثل میدان حول یک آهن ربای میله ای معمولی، همدوس هستند، اما بقیه ادعا می کنند که خط های میدان اتفاقاً پیچیده و درهم برهم است که اگر این طور باشد پادذره ها نمی توانند در یک راستا زیاد جابه جا شوند و به طور تصادفی در بی نظمی خطوط میدان را دنبال می کنند. حرکتی که می شود آن را به راه رفتن مردی مست از بار تا خانه تشبیه کرد. مرد هوشیار راه مستقیم را انتخاب می کند و چند ساعته به خانه می رسد. اما مرد مست قدم هایش را در راستاهای تصادفی برمی دارد و بنابراین پیشرفت اندکی نصیبش می شود و شاید بعد از یک سال هم به خانه نرسد. از طرف دیگر اگر میدان های مغناطیسی بین کهکشانی همدوس باشد خطوط میدان می تواند تقریباً مستقیم از یک کهکشان به کهکشان دیگر برسد. در این وضعیت پادذره ها فاصله بین کهکشان های مجاور را از طریق بزرگراه های مغناطیسی کیهانی به طول چند میلیون سال نوری می پیمایند. البته مسیرشان همچنان مسیر مستقیم مرد هوشیار نیست، بلکه از کهکشانی به کهکشان دیگر می پرند. درست مثل اینکه کسی ولگرد مست داستان ما را از یک پیچ تا پیچ بعدی هدایت کند اما چون در تقاطع ها، به طور تصادفی می پیچد همچنان پیشرفت کمی دارد. در این وضعیت، پادذره ها فقط می توانند چندصد میلیون سال نوری از نقطه شروعشان دور شوند. حتی اگر به اندازه تمام عمر جهان برای سفر وقت داشته باشند و این فاصله بسیار کمتر از میلیاردها سال نوری فاصله احتمالی تا نزدیک ترین پاد کهکشان ممکن است.حتی اگر چنین پادذره ای با یک معجزه به کهکشان ما نزدیک شود ممکن است به زمین نرسد. چون میدان مغناطیسی درون کهکشان به مراتب شدید تر از میدان بیرونی است و اکثر پاد ذره هایی را که به سوی داخل کهکشان می روند منحرف می کند. مرد مست بداقبال داستان ما بالاخره به خانه رسیده است اما کلید در را پیدا نمی کند.

● پرواز های آینده

هرچند که پیدا شدن پاد ذره های سنگین در کهکشان ما، بسیار بعید به نظر می رسد، اما جست وجو همچنان ادامه دارد. وزارت انرژی آمریکا از طرحی برای قرار دادن یک آشکارساز پاد ماده در مدار زمین حمایت می کند. این ابزار که طیف سنج مغناطیسی آلفا (AMS) نام دارد، در درجه اول به دنبال هسته پادماده های سنگین می گردد.

AMS از پایگاه فضایی بین المللی پرتاب شد و کارش را از سال ۲۰۰۲ آغاز کرد و حدود ۳ سال طول کشید. با توجه به چنین زمان طولانی تابش دهی، AMS اساساً حساسیتی حدود صدبرابر حساسیت آشکار سازهای پادماده قبلی دارد. مشکل واقعی تضمینی وجود سطح برابری برای دقت در تشخیص ذره و پادذره است. آشکارساز برای تشخیص یک پادذره سنگین از صدمیلیون ذره پس زمینه ای باید انحراف هر ذره در میدان مغناطیسی را به دقت اندازه بگیرد. دقیق ترین تجهیزات مستقر بر بالن ها ۱۵ یا تعداد بیشتری اندازه گیری انجام می دهد تا انحراف ذره های پرسرعت را تعیین کند.

AMS برای این کار فقط شش اندازه گیری انجام می دهد. ابزار دیگری که پادماده کیهانی را از مدار مشاهده کرد، پاملا (PAMELA) نام دارد که در سال ۲۰۰۰ از مرکز فضایی روسیه در بایکونور به فضا پرتاب شد. پاملا با استفاده از یک سیستم که بسیار پیچیده تر از AMS است به جست وجوی پوزیترون ها و پادپروتون ها و همچنین پادهسته های سنگین پرداخت. تجهیزات بالنی دیگری نیز برای جست وجوی پادماده کیهانی در شرف ساخت است. برای مثال نسخه تازه ای از آشکارساز HEAT ساخته می شود که به جست وجوی پادپروتون های با انرژی زیاد می پردازد. امیدواریم که با افزایش زمان استقرار آشکارساز در ارتفاع، اندازه گیری مان را بهبود بخشیم. ناسا بالن هایی ساخته است که در ارتفاع بالا پرواز می کند و می تواند ۱۰ تا ۲۰ روز در مسیری دایره ای بر فراز قطب جنوب حرکت کند. گروه زیرمداری جزیره والوپس ناسا نیز در حال ساخت بالن های سبک وزنی است که می تواند بیش از صد روز پرواز کند.جست وجو به دنبال پادماده در کیهان، پیچ و خم های زیادی را پشت سر گذاشته است. انگیزه اولین آزمایش ها، تقارن بود یعنی اثبات اینکه مقدار ماده و پادماده در جهان برابر است. البته نتایج، از یک بی تقارنی عظیم خبر داد. آشکارسازهای پادذره، فقط تعداد کمی پوزیترون و پادپروتون در پرتوهای کیهانی مشاهده کردند و هیچ اثری هم از پادذره های سنگین تر پیدا نشد. ممکن است پادستاره ها و پادکهکشان ها همچنان جایی، میلیاردها سال نوری آن طرف تر از کهکشان ما در انتظار کشف باشند. اما پادذره های سنگین این مناطق دوردست، تقریباً بختی برای رسیدن به زمین ندارند و بنابر این جست وجو برای یافتن آنها احتمالاً کار عبثی به نظر می آید. با این حال، کاویدن پرتوهای کیهانی برای یافتن پوزیترون و پادپروتون، ممکن است به کشف ماهیت ماده تاریک (یکی از رازهای بزرگ اختر فیزیک) کمک کند. لااقل فیزیکدان ها امیدوارند که این اتفاق بیفتد.

جستجو گر علم

http://www.andromeda.blogfa.com