فیزیکدان ها با ضد ماده قوز می کنند


تصویر سیم پیچ فلزی با رنگ مسی.
بزرگنمایی / یکی از آهن ربا هایی که برای پشتیبانی از محتوای ضد ماده استفاده می شود.

روز چهارشنبه ، دانشمندان از خنک سازی موفقیت آمیز اتم های ضد ماده با استفاده از لیزر ماوراio بنفش خبر دادند. روند خنک سازی در اینجا بر روی ماده طبیعی کار می کند ، بنابراین انتظار می رود که با آنتی هیدروژن مورد استفاده در این آزمایشات نیز به خوبی کار کند. به جای تأیید بیشتر که به نظر می رسد ماده و پاد ماده به طور یکسان رفتار می کنند ، آزمایش مهم است زیرا احتمال ما را برای شناسایی تفاوتهای ظریف بین دو نوع ماده مهم می کند.

عجیب و غریب ، اما کاملاً طبیعی است

ماده عادی و پاد ماده با توانایی تخریب یکدیگر در هنگام برخورد با یکدیگر متمایز می شوند. اما در غیر این صورت ، درک ما از فیزیک ضد ذرات نشان می دهد که آنها باید یکسان رفتار کنند – آنتی پروتون می تواند با یک ضد الکترون جفت شود و ضد هیدروژن تشکیل دهد ، که پس از آن تحت نیروهایی مانند جاذبه و الکترومغناطیس قرار خواهد گرفت. همانطور که برای بیشتر فیزیک ها ، ضد ماده به سادگی ماده ای است که در آینه منعکس می شود: چندین چیز معکوس اما در غیر این صورت یکسان هستند.

با این حال ، آزمایش این یک چالش است. تمام پادماده هایی که به طور طبیعی روی زمین تولید می شوند از فرآیندهای انرژی مانند پوسیدگی رادیواکتیو و اثرات پرتوهای کیهانی حاصل می شوند. در نتیجه ، ضد ماده خود انرژی زیادی را حمل می کند و بسیار سریع حرکت می کند. موارد مشابهی در مورد ماده ضد ماده تولید می شود. این کار معمولاً با برخورد ذرات انرژی با یک هدف ثابت انجام می شود و ضد ماده ای که از این برخوردها خارج می شود نیز بسیار پرانرژی است.

اندازه گیری های خشن این ضد ماده با وجود انرژی زیاد امکان پذیر است و این اندازه گیری ها تأیید کرد که رفتار آن مانند رفتار ماده است (به جز انرژی آن پس از تعامل با ماده). اما اگر تفاوت های دقیق تری وجود داشته باشد ، آنها را نمی بینیم. همانطور که ضد ماده در حال حرکت است ، اندازه گیری ها خطاهای قابل توجهی دارند که ظرافت ها را پنهان می کند.

فقط در دهه گذشته است که ما سخت افزار لازم را ایجاد کرده ایم که باعث می شود ضد ماده به اندازه کافی برای تشکیل اتم کند شود. اکنون CERN دارای سخت افزار ویژه ای است که سرعت پروپتونها را کاهش می دهد ، آنها را با ضد الکترون ترکیب کرده و سپس ماده ضد حاصله را برای آزمایش ذخیره می کند.

اما اتمهای گرفته شده توسط این سیستم در نهایت مقدار قابل توجهی انرژی دارند. اگر سعی کنید انرژی مربوط به حرکت آنتی الکترون را بین اوربیتال ها با استفاده از فوتون ها درک کنید ، اندازه گیری به جای اوج تیز منجر به یک منحنی گسترده می شود. دلیل این امر این است که برخی از اتم ها به سمت منبع فوتون حرکت می کنند ، در حالی که دیگران از آن دور می شوند و منجر به تغییر داپلر می شوند که طول موج های جذب شده را تغییر می دهند.

تغییر به خنک کننده

خوشبختانه ما در زمینه خنک سازی اتم ها تا جایی که انرژی بسیار کمی را حمل می کنند ، کمبود تجربه نداریم. یکی از موثرترین روش ها شامل استفاده از اثر داپلر است.

این رویکرد به این دلیل کار می کند که فوتون ها ، اگرچه فاقد جرم هستند ، حرکت حرکت می کنند. بنابراین وقتی آنها توسط یک اتم جذب می شوند ، اتم مقداری حرکت پیدا می کند. با این حال ، اگر لیزر را با طول موجی که اتم ها جذب می کنند ، روشن کنید ، به طور متوسط ​​، تمام تغییرات اینرسی از بین می روند. این به این دلیل است که شتاب اضافه شده باعث تسریع در برخی از اتم ها و کاهش سرعت برخی دیگر می شود.

ترفند استفاده از این روش خنک سازی موارد شامل انتخاب لیزر با طول موج است که کمی قرمزتر از آنهایی است که اتمها به طور معمول جذب می کنند. بیشتر فوتون ها به راحتی از طریق اتم ها عبور می کنند زیرا طول موج آنها اشتباه است. اما اتم هایی که به سمت منبع فوتون ها حرکت می کنند ، می بینند که طول موج کمی به سمت انتهای آبی طیف تغییر مکان می دهد. از آنجا که فوتون ها بیش از حد قرمز هستند ، این باعث می شود که آنها طول موج مناسبی داشته باشند.

در نتیجه ، فقط اتمهای در حال حرکت به سمت منبع فوتون کاهش می یابند. و در آخر هیچ یک از آنها شتاب نگرفتند. با گذشت زمان ، سرعت خالص اتم ها کاهش یافته و نمونه را خنک می کند.

طول موج مورد نیاز برای آنتی هیدروژن (همچنین روی هیدروژن نیز کار می کند) در اشعه ماورا بنفش ناخوشایند است. برای رسیدن به طول موج صحیح ، محققان باید با لیزر با طول موج بسیار طولانی تر شروع کرده و انرژی فوتون ها را از طریق دو فرایند جداگانه افزایش دهند. هر یک از این فرایندها انرژی خود را از دست می دهند ، بنابراین لیزر حاصل کاملاً ضعیف است.

این یک مشکل است زیرا هر یک از اتم های آنتی هیدروژن باید فوتون های زیادی را جذب کنند. هر اتم با سرعت معمولی حدود 90 متر بر ثانیه شروع می شود و فوتون فقط 3.3 متر بر ثانیه دفع می کند. در این حالت ، محققان بهره وری نسبتاً کم با گذشت زمان را جبران می کنند. تأسیسات CERN با انفجارهای کوتاه منابع ضد هسته ای فضای ذخیره سازی خود را برای ساعت ها پر می کند. بین هر یک از این انفجارها ، لیزر قادر به خنک کردن اتم های موجود در آن است.

سرده

خوشبختانه ، تنظیمات CERN در ذخیره مواد ضد ماده بسیار خوب است به طوری که محققان بیش از 17 ساعت توانسته اند آزمایشاتی را روی آن انجام دهند. و در این مدت خنک سازی باعث کاهش سیگنال حاصل از تخریب ضد ماده در محیط می شود. این تأیید می کند که خنک کننده لیزری انرژی کل را کاهش می دهد و بنابراین تعداد آنتی اتم ها را با انرژی کافی برای فرار از احتباس کاهش می دهد.

و این اتفاق افتاد محققان از لیزر بسیار آبی رنگ به عنوان کنترل استفاده کردند و سپس آنتی الکتروژن ضد هیدروژن را به مدار جدید تحریک کردند. این آزمایش قله وسیعی را که از جمعیت اتمهای متحرک انتظار دارید ایجاد کرد. با استفاده از لیزر با طول موج صحیح ، کمی قرمزتر ، مشاهده شد که اوج به طور قابل توجهی باریک می شود ، این نشان دهنده جمعیتی از اتم ها است که به همین سرعت حرکت نمی کنند.

داده ها شامل یک شگفتی کوچک است. با توجه به تمام آهنرباها و سایر تجهیزات مورد نیاز برای گرفتن ضد ماده بدون افتادن آن در ماده واقعی ، لیزر خنک کننده فقط در یک جهت وارد دام شد. این فقط باید منجر به تأخیر ضد اتمها در طول این محور شود. اما به نظر می رسید که اتم ها از همه جهات کند می شوند. محققان دلیل این امر را میدانهای مغناطیسی پیچیده مورد نیاز محتوای ضد ماده می دانند که حرکتها را از هر جهت به هر جهت دیگر جفت می کند.

اما این کار در واقع تولید شگفتی نیست. در عوض ، هدف آن این است که انواع کارهایی را که ممکن است در آنها غافلگیر شود ، امکان پذیر کند. با استفاده از آنتی هیدروژن خنک شده ، محققان اکنون می توانند اندازه گیری های بسیار دقیق تری را انجام دهند ، به این ترتیب اجازه می دهد تفاوت دقیق تری بین ماده و ضد ماده آشکار شود. داشتن فیزیک به درستی امکان پذیر است و این تفاوت ها وجود ندارد. اما اگر تفاوتی وجود داشته باشد که ما آن را بررسی نکردیم واقعاً آزار دهنده خواهد بود.

Nature ، 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03289-6 (برای DOI).


منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*