فیزیکدانان یک ذره پادماده را ماه ها به دام می اندازند و رام می کنند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

برای اولین بار، فیزیکدانان دانشگاه نورث وسترن، یک پوزیترون منفرد - همتای پادماده یک الکترون - را به یک حالت کوانتومی کاملا کنترل شده جذب کردند.

دانشمندان پس از گرفتن ذره سریع در حال حرکت از واپاشی رادیواکتیو، آن را تا نزدیک به صفر مطلق خنک کردند. سپس، آنها ذره را در خلاء تقریبا کامل معلق کردند و از تماس آن با ماده معمولی جلوگیری کردند - برخوردی که باعث ناپدید شدن آن می شد.

با به دام انداختن و سرد کردن یک پوزیترون از این طریق، دانشمندان چیزی را ایجاد کردند که آن را "سیکلوترون کوانتومی یک پوزیترونی" می نامند. در این حالت، پوزیترون اساسا مانند یک اتم مصنوعی با سطوح انرژی کوانتومی که دانشمندان می توانند دقیقا کنترل و مشاهده کنند، رفتار می کند.

این پیشرفت در نهایت می‌تواند دقیق‌ترین آزمایش را برای تقارن اساسی بین الکترون‌ها و همتایان پادماده آنها انجام دهد.

طبق مدل استاندارد فیزیک ذرات، الکترون‌ها و پوزیترون‌ها باید تصاویر آینه‌ای تقریبا کاملی از یکدیگر باشند. با اندازه‌گیری خواص مغناطیسی پوزیترون با دقت بی‌سابقه و مقایسه آن‌ها با خواص الکترون، فیزیکدانان می‌توانند این تقارن بنیادی را در سخت‌ترین آزمایش خود قرار دهند.

اگر اندازه‌گیری‌ها مطابق انتظار نباشد، شکافی را در مدل استاندارد نشان می‌دهد که سرنخ‌های جدیدی از اسرار پایدار ارائه می‌کند، از جمله اینکه چرا ماده معمولی، به جای پادماده، بر جهان تسلط دارد.

جرالد گابریلز از نورث وسترن، که رهبری مطالعه منتشر شده در Physical Review Letters را بر عهده داشت، گفت: «ضد ماده جذابیت محبوب خود را از داستان های علمی تخیلی می گیرد. "اگر شما یک الکترون و یک پادالکترون (یا پوزیترون) را بگیرید و آنها را با هم برخورد کنید، هر دو ناپدید می شوند.

راز بزرگ جهان این است که انفجار بزرگ باید مقادیر مساوی از ماده و پادماده را ایجاد می‌کرد. اما، اگر این درست بود، نابود می‌شد و ما با هیچ چیز باقی نمی‌ماندیم. واضح است که در این نظریه مشکلی وجود دارد، و این چیزی است که ما سعی می‌کنیم کشف کنیم.»

گابریلس، استاد هیئت امنای فیزیک در کالج هنر و علوم واینبرگ نورث وسترن است، جایی که او مرکز فیزیک بنیادی را مدیریت می کند. توماس مایرز، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه گابریلز، اولین نویسنده مقاله است.

یک نظریه قدیمی، مدل استاندارد، ذرات بنیادی و سه نیروی از چهار نیروی اساسی (الکترومغناطیسی، هسته ای قوی و نیروهای هسته ای ضعیف) را در جهان توصیف می کند. آزمایش پشت سر هم پیش بینی های مدل را با دقت فوق العاده ای تایید کرده است.

با این حال فیزیکدانان می دانند که این مدل ناقص است. در میان کاستی‌های آن، نمی‌توان توضیح داد که چرا جهان قابل مشاهده دارای ماده بسیار بیشتری نسبت به پادماده است.

گابریلز گفت: "ما می دانیم که مدل استاندارد باید در جایی اشتباه باشد یا حداقل ناقص باشد." به عنوان مثال، نمی‌تواند پیش‌بینی کند که چرا جهان وجود دارد، بنابراین این یک شکاف بسیار بزرگ است. ما در حال بررسی دقیق‌ترین و ساده‌ترین سیستم‌ها برای یافتن محل شکست این نظریه هستیم. امیدواریم پاسخ روشنی پیدا کنیم.»

گابریلز دهه ها زندگی حرفه ای خود را صرف جستجوی این پاسخ کرده است. تیم او قبلا تکنیک‌هایی را برای جداسازی یک الکترون و اندازه‌گیری خواص مغناطیسی آن با دقت فوق‌العاده توسعه داده بودند. او همچنین پیشگام روش‌هایی برای کند کردن، گرفتن و سرد کردن پادپروتون‌ها بود که به راه‌اندازی زمینه تحقیقات ضد ماده با انرژی کم کمک کرد.

اکنون، کار جدید این دو خط تحقیق را با هم ترکیب می‌کند: اعمال کنترل کوانتومی به دست آمده با الکترون‌ها بر روی یک ذره از پادماده.

تقریبا همه چیز روی زمین فقط از سه ذره آشنا ساخته شده است: الکترون، پروتون و نوترون. در عوض، می‌توان یک جهان پادماده از همتایان پادماده آن‌ها ساخت: پوزیترون‌ها، پادپروتون‌ها و پادنوترون‌ها. در واقع، اگر همه چیز روی زمین ضد ماده بود، گابریلز می‌گوید تشخیص تفاوت فوق‌العاده دشوار خواهد بود.

آتش بازی زمانی رخ می دهد که دو جهان به هم می رسند. هنگامی که یک الکترون با پوزیترون مواجه می شود، این جفت از بین می رود. این بدان معناست که دانشمندان نمی توانند به سادگی یک پوزیترون را در یک ظرف معمولی قرار دهند. دست زدن به خود ظرف قطعا باعث از بین رفتن ذره می شود.

گابریلز گفت: «اگر می‌خواهیم پادماده را مطالعه کنیم، باید با دقت با آن رفتار کنیم. "برای روشن شدن، خطرناک نیست. ما پاد ماده کافی برای ایجاد انفجار نداریم."

برای کنترل دقیق ذره، تیم Northwestern از یک تله پیشرفته استفاده کرد که میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی تخصصی را برای معلق کردن پوزیترون در فضای خالی ترکیب می‌کند. پوزیترون با نشستن در وسط ظرف، هرگز چیزی را لمس نمی کند. به دلیل این تنظیم، پوزیترون در آزمایشگاه گابریلز برای ماه‌ها به دام افتاده است.

گرفتن پوزیترون در وهله اول چالش خودش بود. پوزیترون ها می توانند در خلال واپاشی رادیواکتیو هسته های اتمی خاص تولید شوند. در این آزمایش، گابریلز از هسته‌های سدیم-22، ایزوتوپ نادر و رادیواکتیو سدیم استفاده کرد. هنگامی که ذرات از هسته خارج می شوند، مقادیر عظیمی انرژی را حمل می کنند.

تیم ابتدا سرعت پوزیترون را به طور چشمگیری کاهش داد و سپس آن را به خلاء تقریبا کامل تله هدایت کرد. فضای داخلی تله تا حدود 300 میلی‌کلوین یا فقط 0.3 درجه بالاتر از صفر مطلق خنک می‌شود.

گابریلز گفت: «ما آنقدر آن را خنک می کنیم که در حالت پایه کوانتومی خود قرار می گیرد. ما در واقع از این پوزیترون بسیار سریع ترغیب کردیم که ماه‌ها در آنجا بنشیند و رفتار کند.

گابریلز و تیمش همچنین نشان دادند که می‌توانند وضعیت‌های انرژی کوانتومی منفرد پوزیترون را دقیقا دستکاری و تشخیص دهند. این تیم با ارائه امواج مایکروویو با دقت تنظیم شده، مقادیر بسیار کوچک و دقیقی از انرژی به پوزیترون اضافه کرد و انتقال کوانتومی حاصل از آن را شناسایی کرد.

این سطح از کنترل برای هدف نهایی دانشمندان ضروری است: اندازه گیری خواص مغناطیسی پوزیترون با دقت فوق العاده و مقایسه آنها با خواص یک الکترون.

در کار قبلی، گابریلز و تیمش از یک سیکلوترون کوانتومی تک‌الکترونی برای اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی الکترون تا حدود یک قسمت در 10 تریلیون استفاده کردند، که یکی از دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌هایی است که تاکنون از یک ذره بنیادی انجام شده است. با ضد ماده به دام افتاده، گابریلس اکنون قصد دارد همان نوع اندازه‌گیری کوانتومی را با پوزیترون انجام دهد - سپس این دو نتیجه را در مقابل هم قرار خواهد داد.

گابریلز گفت: «نظریه‌های کنونی نشان می‌دهند که هیچ تفاوتی در این دو اندازه‌گیری وجود نخواهد داشت. "اگر معلوم شود که آنها برابر نیستند، این بزرگترین کشف در فیزیک در قرن گذشته خواهد بود."

سیکلوترون کوانتومی تک پوزیترونی، نامه های مروری فیزیکی (2026). در arXiv DOI: 10.48550/arxiv.2605.08147

اطلاعات مجله: Physical Review Letters , arXiv

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →