بیگ بنگ: یکی از بزرگترین سوال‌های علم فیزیک این است که چرا در جهان، ماده بیشتر از پادماده است؟ البته مقدار ماده و پادماده موجود در کیهان با هم برابر است اما پاد ماده بار هسته منفی و بار ذرات مداری مثبت دارد و به همین خاطر کمتر محسوب می‌شود، برای پیدا کردن پاسخ این پرسش باید کیهان نخستین را خوب بشناسیم و بتوانیم شرایط آن را شبیه سازی کنیم.

به گزارش بیگ بنگ، یک تیم تحقیقاتی این شبیه سازی را با ساخت یک پلاسما که حاوی مقادیر یکسانی از ماده و پادماده است، انجام داد؛ این شرایط مشابه شرایطی است که کیهان نخستین در آن شکل گرفته است. همانطور که می‌دانید ماده در چهار حالت مختلف دیده می‌شود : جامد، مایع، گاز و پلاسما. پلاسما گاز بسیار داغی است که در آن اتم‌ها از الکترون‌هایشان جدا می‌شوند. با این حال حالت پنجمی‌ هم وجود دارد : پلاسمای ماده – پادماده که در آن تقارن کاملی بین ذرات منفی (الکترون‌ها) و ذرات مثبت (پوزیترون‌ها) برقرار است.

کیهان شناسان می‌گویند این حالت خاص ماده در اطراف اجرامی نظیر سیاهچاله‌ها و تپ اخترها وجود دارد. در مراحل ابتدایی شکل گیری جهان اولیه این حالت ماده نقش بسیار مهمی‌ داشته است و نقش آن حدود یک ثانیه بعد از بیگ بنگ آغاز شده است. یکی از مهمترین چالش‌های ساخت ذرات ماده و پادماده با یکدیگر واکنش شدید آنها به یکدیگر است. این دو ذره وقتی بهم می‌رسند در یک انفجار نور ناپدید می‌شوند. با این حال این اتفاق فوراً رخ نمی‌دهد و دانشمندان کسری از ثانیه فرصت دارند رفتار پلاسمایی که ماده و پادماده در آن قرار دارد را مطالعه کنند.

اگر بخواهیم شناخت درستی از تکامل کیهان داشته باشیم باید درک درستی از رفتار ماده در این حالت پنجم داشته باشیم. یکی دیگر از فواید بررسی رفتار ماده در این حالت پیدا کردن جواب سوالی است که ابتدای بحث مطرح کردیم؛ چرا کیهان ما بیشتر از ماده تشکیل شده است؟ نظریه ی مکانیک کوانتومی نسبیتی می‌گوید باید مقدار ماده و پادماده با هم یکسان باشد اما اینطور نیست، در واقع تاکنون هیچ مدلی در علم فیزیک نتوانسته این تناقض را توضیح بدهد.

علیرغم نقش کلیدی درک این حالت در شناخت کیهان، این اولین بار است که پلاسمای الکترون – پوزیترون در آزمایشگاه ساخته می‌شود. حتی در شتاب دهنده‌های ذرات بزرگ نظیر سرن هم این حالت ساخته نشده است. این تیم بین المللی که متشکل از دانشمندانی از کشورهای انگلستان، ایتالیا، پرتغال و آلمان است با تغییر نگرش به این ذرات موفق به ساخت این حالت در آزمایشگاه شدند.

محققان در این پژوهش بجای تمرکز روی شتاب دهنده‌های بسیار بزرگ از لیزرهایی با قدرت بسیار بالا استفاده کردند. ابتدا یک محفظه خلاء با ارتفاع بالا که فشار هوای آن برابر یک صدم یک میلیونیم فشار اتمسفر است، آماده شد و با کمک آن یک پالس لیزر بسیار کوتاه و قوی (چند صد میلیارد برابر نور خورشیدی که به زمین می‌رسد) به داخل گاز نیتروژن فرستاده شد. به این ترتیب الکترون‌های گاز هیدروژن از آن جدا شد و سرعت این ذرات به سرعت نور بسیار نزدیک شد.

بعد از اتمام این مرحله از آزمایش پرتوی لیزر با یک سد سربی برخورد میکند و سرعت آن دوباره کاهش می‌یابد. کاهش سرعت پرتوهای لیزر منجر به ساطع شدن ذرات نور همان فوتون – می‌شود که با الکترون‌ها جفت می‌شوند و بعد از برخورد با نمونه سربی ضد ماده آنها یعنی پوزیترون را می‌سازند. با تکرار زنجیره ای این واکنش پلاسمایی که برای بررسی جهان اولیه لازم است، ساخته می‌شود.

این آزمایش در تئوری بسیار ساده به نظر می‌رسد اما عملی کردن آن خالی از زحمت نبوده است. پرتوی لیزر باید با دقت میکرومتری هدایت و کنترل می شدند و آشکارسازها هم باید بخوبی کالیبره و محافظت می‌شدند تا بتوانند پاسخگوی آزمایش‌های متعدد باشند. شبیه سازی کیهان اولیه و ساخت پلاسمای الکترونی – پوزیترونی می‌تواند سرآغاز شاخه جدیدی در علم فیزیک باشد و به بسیاری از سوال‌های بی جواب فیزیک پاسخ بدهد. به غیر از بررسی عدم تقارن بسیار مهم ماده و پادماده در جهان هستی، مشاهده نحوه تعامل پلاسما با پرتوهای لیزر امکان مطالعه انتشار پلاسما در خلاء و محیط‌هایی با چگالی کم را فراهم میکند. علاوه بر این، با استفاده از این آزمایش می‌توان شرایطی شبیه به تولد انفجارهای اشعه گاما را بازسازی کرد که بستر برخی از رویدادهای بسیار مهم و درخشان در جهان هستی هستند.

سایت علمی بیگ بنگ / منبع: iflscience