بیگ بنگ: نادر بودن و بی‌ثباتی “پادماده” به این معنی است که بررسی آن به شکل چشمگیری دشوار است. اما یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که چگونه می‌توان با استفاده از “نور” به “پادماده” دست یافت.

به گزارش بیگ بنگ، گروهی از فیزیکدانان نشان دادند که می‌توان از لیزرهای شدت بالا برای برخورد فوتون‌های گاما – پرانرژی‌ترین طول موج‌های نور – استفاده کرد تا جفت‌های الکترون-پوزیترون تولید شوند. این کار به ما کمک می‌کند تا محیط‌های پیرامون برخی از دورترین اجرام جهان یعنی ستاره‌های نوترونی را درک کنیم.

فرآیند ساخت یک جفت ذرات ماده-پادماده – یک الکترون و یک پوزیترون – از فوتون‌ها «فرآیند بریت-ویلر» نامیده می‌شود و از لحاظ تجربی دستیابی به این فرآیند به شدت دشوار است. احتمال رخداد این فرآیند وقتی دو فوتون با هم برخورد می‌کنند بسیار کم است. شما به تعداد زیادی از فوتون‌های بسیار پرانرژی یا پرتوهای گاما نیاز دارید تا شانس این مشاهده را به حداکثر برسانید.

ما هنوز قابلیت ساخت یک لیزر پرتو گاما را نداریم، بنابراین فرآیند فوتون-فوتون بریت-ویلر در حال حاضر به لحاظ تجربی قابل دستیابی نیست. اما تیمی از فیزیکدانان به سرپرستی یوتُنگ هی از دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو یک راه‌‎حل جدید را پیشنهاد دادند که بر اساس شبیه‌سازی‌های آنها، در واقعیت عملی است.

این راه‌حل شامل یک بلوک پلاستیکی است که با الگوی ضربدری در مقیاس میکرومتر حکاکی شده است. دو لیزر قدرتمند، هر کدام در یک طرف بلوک، پالس‌های قدرتمندی را به سوی هدف شلیک می‌کنند. فیزیکدان “توما تونکیان” از آزمایشگاه تحقیقاتی هلمولتز-زنتروم درسدن-روزندورف در آلمان گفت: «وقتی پالس‌های لیزر به درون نمونه نفوذ می‌کنند، هر یک از آنها یک ابر از الکترون‌های فوق سریع را تسریع می‌بخشند. سپس این دو ابر الکترونی با نیروی کامل به سمت یکدیگر حرکت می‌کنند و با لیزری که در مسیر مخالف منتشر می‌شود تعامل می‌کنند.»

برخورد حاصل به حدی پرانرژی است که یک ابر از فوتون‌های گاما تولید می‌کند. به گفته‌ی محققان، این فوتون‌های گاما باید با یکدیگر برخورد کنند تا جفت‌های الکترون-پوزیترون را مطابق با نظریه نسبیت عام اینشتین تولید کنند. حتی به طرز هیجان‌انگیزی، این فرآیند باید میدان‌های مغناطیسی قدرتمندی را تولید کند که پوزیترون‌ها (بجای الکترون‌ها) را با پرتوهای جت شکلِ تسریع یافته موازی (تعدیل) می‌کند. محققان دریافتند که در فاصله‌ی 50 میکرومتر، شتاب باید انرژی ذرات را تا یک گیگا الکتروولت افزایش دهد.

محققان با استفاده از یک شبیه‌سازی کامپیوتری پیچیده مدل خود را آزمایش کردند و دریافتند که حتی وقتی از لیزرهای کم قدرت‌تر استفاده می‌شود نیز باید کار کند. نه تنها موازی‌سازی و شتاب پرتو پوزیترون باعث بهبود سرعت تشخیص پرتو می‌شوند، بلکه شباهتی قوی با جت‌های ذره‌ی موازی شده‌ی قدرتمند دارند؛ این جت‌ها توسط ستارگان نوترونی قوی مغناطیسی و به سرعت در حال چرخش موسوم به تپ اختر تابش می‌شوند.

دانشمندان معتقدند فرآیندهایی که در نزدیکی این ستاره‌ها رخ می‌دهند می‌توانند منجر به ایجاد ابرهایی از پرتو گاما شبیه آزمایش پیشنهادی‌شان شوند. فیزیکدان “الکسی ارفیو” از دانشگاه سن دیگو گفت: «چنین فرآیندهایی احتمالاً در مگنتوسفر تپ اخترها رخ می‌دهند. با مفهوم جدید ما، چنین پدیده‌هایی می‌توانند در آزمایشگاه شبیه‌سازی شوند و حداقل تا حدی ما را قادر می‌سازند تا آنها را بهتر درک کنیم.»

تست اولیه در تسهیلات لیزر پرتو ایکس اروپایی XFEL باید نشان دهد که آیا یک میدان مغناطیسی طبق پیش‌بینی‌های انجام شده تولید می‌شود یا خیر. در نهایت، این تیم امیدوار است که آزمایشات آنها در تسهیلات فیزیک هسته‌ای با زیرساخت نوری شدیدِ فوق پیشرفته در رومانی که دارای دو لیزر پالس کوتاه قدرتمند و پرتوهای گاما است اجرا شود. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Communications Physics منتشر شده است.

پادماده به طور معمول در نزدیکی سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی تولید می‌شود، در حالی که روی زمین می‌توان آن را پس از برخورد صاعقه یا در تاسیساتی مانند برخورد دهنده بزرگ هادرونی مشاهده کرد. «پادماده» که از ذرات بار مخالف ماده معمولی تشکیل شده، در مقایسه با ماده به طرز شگفت‌آوری کمیاب است. این یافته‌های جدید به دانشمندان اجازه می‌دهد درک کلی بهتری از “پادماده” کسب کنند. پاد ماده به حدی کمیاب و گران است که هر گرم از آن، 62.5 تریلیون دلار قیمت دارد. شتاب دهنده هادرونی قادر است در هر سال حدود یک میلیاردم گرم پادماده تولید کند. یعنی یک میلیارد سال طول می‌کشد تا ۱ گرم یا ۱ مول پادماده تولید کند.

ترجمه: سحر الله‌وردی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: sciencealert.com