یک ذره ضد ماده برای ماه ها در یک تله نگه داشته شد

برخی از تجهیزات مورد استفاده برای به دام انداختن یک پوزیترون منفرد

گروه گابریلز/دانشگاه نورث وسترن

در آزمایشگاهی در ایلینوی، فیزیکدانان ذره کوچکی از پادماده را در تله ای با دیواره های نامرئی ضبط و رام کردند. با مطالعه نحوه رفتار پوزیترون با گذشت زمان، محققان ممکن است به زودی فرصتی برای شکستن بهترین مدل ریاضی واقعیت فیزیکی ما داشته باشند.

پوزیترون همتای پادماده الکترون است، به این معنی که دو ذره دارای جرم یکسان اما بار الکتریکی مخالف هستند. با این حال، برخلاف الکترون‌ها، پوزیترون‌ها نادر هستند و معمولا برای کسری از ثانیه وجود دارند، زیرا لحظه‌ای که فرد با یکی از الکترون‌های بسیار فراوان در جهان ما، یعنی جفت نابود می‌شود، ملاقات می‌کند. این امر مطالعه پوزیترون ها را دشوار می کند.

جرالد گابریلز از دانشگاه نورث وسترن در ایلینوی و همکارانش اکنون راهی برای به دام انداختن یک پوزیترون و نگه داشتن آن برای ماه‌ها در اطراف پیدا کرده‌اند. با تجزیه و تحلیل داده‌های جمع‌آوری‌شده در حین به دام افتادن پوزیترون، آن‌ها قصد دارند به طور دقیق خواص پادذره را اندازه‌گیری کنند و در نتیجه یکی از بزرگترین مشکلات مدل استاندارد فیزیک ذرات را بررسی کنند.

تبلیغات

ادامه مطلب LHC سرنخ های جدید جالبی در مورد رمز و راز ضد ماده جهان ما پیدا می کند

محققان پوزیترون را از یک ایزوتوپ رادیواکتیو سدیم به دست آوردند که هر زمان که تجزیه می شود، یکی از آنها را ساطع می کند. کنترل چنین پوزیترون‌هایی بسیار سریع و سخت است، بنابراین سدیم را در یخچال مخصوصی قرار می‌دهند تا دما و انرژی آن را کاهش داده و سرعت پادذرات را کاهش دهد.

آنها با هدایت پوزیترون ها از طریق کریستال تنگستن آنها را بیشتر کند کردند. در حالی که برخی از پوزیترون ها هنگام عبور از کریستال از بین رفتند، برخی از آنها آسیب ندیدند. سپس آنها را به یک محفظه یخچالی که خالی از تمام ذرات دیگر بود هدایت کردند. در اینجا، اجزای الکترونیکی میدان‌های الکترومغناطیسی تولید کردند که یک پوزیترون ورودی را محدود می‌کرد و به عنوان دیواره‌های نامرئی عمل می‌کرد که ذره را به دام می‌اندازد.

محققان سپس پوزیترون را به پایین‌ترین حالت انرژی ممکن هل دادند، که گابریلز می‌گوید به آن‌ها این امکان را می‌دهد تا این پادذره گریزان را برای ماه‌ها در دام نگه دارند. آنها همچنین می توانند آن را با انفجارهای کنترل شده امواج مایکروویو به پایین ترین حالت انرژی بعدی برسانند.

خبرنامه فقط برای مشترکین

در نکات برجسته ویرایشگر ثبت نام کنید

در خبرنامه ثبت نام کنید

"این یک ضربه واقعی است که در آزمایشگاه من بایستم و یک پوزیترون را تماشا کنم که در حال گذار - که ما آنها را "پرش های کوانتومی" می نامیم - بین پایین ترین حالت های انرژی اش. چقدر اساسی تر، چقدر می تواند تمیزتر شود؟" او می گوید.

استفان اولمر در مؤسسه علمی ژاپنی RIKEN می‌گوید: «به دام انداختن یک پادذره بسیار دشوار است، به ویژه از آنجایی که هر ذره سرگردان، انفجار نور یا لرزش کوچک می‌تواند آن را مختل کند و تله باید تنها ده‌ها درجه گرم‌تر از سردترین دمای ممکن نگه داشته شود.

بازده به دام انداختن و کنترل پوزیترون با وجود این چالش های تجربی می تواند قابل توجه باشد. اولمر می گوید: «این پتانسیل را دارد که به یکی از دقیق ترین اندازه گیری های یک ثابت بنیادی در فیزیک تبدیل شود.

شش راه که در نهایت توانستیم فیزیک جدیدی فراتر از مدل استاندارد پیدا کنیم

فیزیکدانان برجسته توضیح می دهند که چگونه فکر می کنند ما ذرات یا نیروهای جدیدی را کشف خواهیم کرد که یکی از بزرگترین شاهکارهای ناتمام علم را تکمیل می کنند.

به طور خاص، گابریلز و همکارانش می‌خواهند گشتاور مغناطیسی پوزیترون را اندازه‌گیری کنند، عددی که پاسخ آن به میدان‌های مغناطیسی را کمیت می‌کند. محققان پیش از این دقیق‌ترین اندازه‌گیری را از گشتاور مغناطیسی الکترون انجام داده‌اند و مقایسه این رقم با اندازه‌گیری پادذره، آنها را قادر می‌سازد تا خواص ماده و پادماده را با دقت بی‌سابقه‌ای مقایسه کنند.

مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند که آنها باید گشتاورهای مغناطیسی یکسانی داشته باشند، اما این پیش‌بینی بر کاستی قابل توجه این نظریه تأکید می‌کند. مشکل این است که اگر ماده و پادماده تا این حد شبیه هم هستند، پس باید به مقدار مساوی ایجاد می‌شدند و با شروع جهان کاملا نابود می‌شدند و چیزی باقی نمی‌گذاشتند. گابریلز می‌گوید: «به نظر می‌رسد مدل استاندارد با ویژگی‌های اساسی جهان ناسازگار یا حداقل به‌طور قابل توجهی ناقص است، مانند اینکه چرا ما اصلا جهان داریم.

کشف تفاوت بین الکترون و پوزیترون می‌تواند به مکانیسمی ناشناخته در حال حاضر اشاره کند که منجر به جهان پر از ماده ما شده است. اگر همه چیز طبق برنامه پیش برود، هدف محققان بدست آوردن داده هایی است که در طول سال این موضوع را روشن می کند.

مرجع مجله:

نامه های بررسی فیزیکی DOI: 10.1103/gbkc-6nlj