دستگاه نوآورانه CERN زمان خنک‌سازی پادماده را به طور بی‌سابقه‌ای ۹۹٪ کاهش می‌دهد
دانشمندان اطلاعات زیادی در مورد الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها و سایر ذرات زیراتمی که ماده را تشکیل می‌دهند، دارند، اما همچنین مهم است که ذراتی که منجر به پادماده می‌شوند را نیز بشناسیم، چراکه پادماده یکی از اقوام نادر اما واقعی ماده است که ده‌ها سال برای ما معما بوده است.
تفاوت اصلی بین ماده و پادماده در این است که آن‌ها بارهای الکتریکی مخالفی دارند. بنابراین ذرات بنیادی که پادماده را تشکیل می‌دهند نیز مخالف ذراتی هستند که ماده را تشکیل می‌دهند. برای مثال، پادماده از پادپروتون‌ها (بار منفی) و پوزیترون‌ها (بار مثبت) تشکیل شده است و این ذرات مشابه پروتون‌ها و الکترون‌ها هستند اما بارهای آن‌ها برخلاف هم می‌باشد.
مطالعه پادماده و ذرات بنیادی آن می‌تواند انواع جدیدی از منابع انرژی و جنبه‌های بسیاری از جهان که هنوز برای ما ناشناخته است را آشکار کند.
یک مطالعه پیشگامانه از محققان CERN (سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای) یک دستگاه انقلابی را نشان می‌دهد که قادر است پادپروتون‌ها را در کمتر از هشت دقیقه خنک کند. این یک جهش شگفت‌انگیز از فرایند خنک‌سازی قبلی است که ۱۵ ساعت طول می‌کشید.
نویسندگان مطالعه می‌گویند: «این بهبود قابل توجه ما را قادر می‌سازد تا خواص پادپروتون‌ها را با دقت بی‌نظیری اندازه‌گیری کنیم.»
چرا پادپروتون‌ها را خنک کنیم؟
برای مطالعه پادماده ، دانشمندان ذراتی مانند پادپروتون‌ها و پوزیترون‌ها را در شتاب‌دهنده ذرات مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) تولید و برخورد می‌دهند. با این حال، این ذرات باید هنگامی که در حال حرکت هستند خنک شوند.
این به این دلیل است که پادپروتون‌های خنک‌تر به آرامی حرکت می‌کنند و کنترل و مطالعه خواص آن‌ها با دقت بیشتر بدون تداخل از حرکات تصادفی سریع ممکن می‌سازد. این دقت برای آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌های دقیق ضروری است.
به عنوان مثال، اگر بخواهید لحظه مغناطیسی یک پادپروتون را پیدا کنید، ابتدا باید فرکانس انتقال چرخش کوانتمی، که به آن «چرخش‌های متوالی» نیز گفته می‌شود، اندازه‌گیری کنید.
با این حال، چرخش پادپروتون بین ½ و -½ در مواجه با یک میدان مغناطیسی تغییر می‌کند. بنابراین، تنها زمانی می‌توان فرکانس چرخش متوالی را اندازه‌گیری کرد که پادپروتون به آرامی حرکت کند.
باربارا لاتاز، نویسنده اصلی مطالعه و محقق در آزمایش BASE در CERN گفت: «برای اندازه‌گیری واضحی از انتقال چرخش‌های پادپروتون، ما نیاز داریم که ذره را به زیر ۲۰۰ میلی‌کلوین (-۴۵۹.۳ درجه فارنهایت یا -۲۷۲.۹۵ درجه سانتی‌گراد) خنک کنیم.»
محققان در آزمایش تقارن باریون-پادیباریون (BASE) لحظات مغناطیسی پروتون‌ها و پادپروتون‌ها را برای تشخیص تفاوت‌های بین ماده و پادماده مطالعه می‌کنند.
خنک‌سازی پادپروتون‌ها از طریق دستگاه جدید
تیم BASE قبلاً یک تنظیماتی را توسعه داده بودند که حدود ۱۵ ساعت طول می‌کشید تا پادپروتون‌ها را خنک کند. با این حال، «ما نیاز به انجام ۱۰۰۰ سیکل اندازه‌گیری داشتیم که به سه سال اندازه‌گیری بدون توقف نیاز داشت که این غیر واقعی بود»، لاتاچ گفت.
برای غلبه بر این چالش، محققان یک دستگاه جدید توسعه داده‌اند که یک تنظیمات خنک‌سازی مشابه دارد اما با برخی تغییرات.
در ابتدا، پادپروتون‌ها با استفاده از کندکننده پادپروتون (AD) و حلقه پادپروتون با انرژی خیلی کم (ELENA) کند می‌شوند. در مرحله بعد، تعداد زیادی پادپروتون‌ها در یک تله پنینگ، دستگاهی که ذرات باردار (مانند یون‌ها یا پادپروتون‌ها) را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی به دام می‌اندازد، نگه داشته می‌شوند.
نویسندگان مطالعه می‌گویند: «یک پادپروتون سپس به سیستمی متشکل از دو تله پنینگ استخراج می شود. تله اول دمای ذره را اندازه‌گیری می‌کند. اگر دما زیاد باشد، پادپروتون به تله دوم منتقل شده تا خنک شود. سپس ذره بین دو تله به جلو و عقب می‌رود تا دمای مطلوب برسد.
این تنظیمات می‌تواند یک پادپروتون را تنها در هشت دقیقه خنک کند، به این معنی که تیم BASE می‌تواند ۱۰۰۰ سیکل اندازه‌گیری را انجام دهد و نتایج با دقت در طی یک ماه دریافت کند. تغییر شدید در خنک‌سازی تحت تأثیر عواملی مشترک است.
به عنوان مثال، در مقایسه با تنظیمات خنک‌سازی قبلی، قطر تله پنینگ خنک‌سازی در دستگاه جدید نصف اندازه قبلی یعنی ۳.۸ میلی‌متر است. این دستگاه جدید همچنین با یک سیستم الکترودی پیشرفته و الکترونیک بهینه شده مجهز شده است.
همه این تغییرات منجر به مدیریت بهتر حرارت شده، نویز پس‌زمینه را کاهش داده و تنظیمات را کارآمدتر کرده است. به عنوان مثال، در تنظیمات قبلی، یک پادپروتون در هر سیکل اندازه‌گیری باید ۱۰ دقیقه در تله خنک‌سازی می‌ماند، اما در دستگاه جدید، ذره تنها باید پنج ثانیه بماند.
زمان خنک‌سازی کاهش یافته به معنی تحلیل بهبودیافته پادماده است
طبق اعلام ناسا، جهان ما عمدتاً از انرژی تاریک (~۶۹ درصد) و ماده تاریک (~۲۶ درصد) تشکیل شده است. بخش باقیمانده عمدتاً ماده (~۵ درصد) است و پادماده تنها بخش کوچکی از جهان تشکیل می‌دهد.
با این حال، این همیشه چنین نبوده است. «بیگ بنگ باید مقادیر برابر از ماده و پادماده در جهان اولیه ایجاد می‌کرد. اما امروز، پادماده زیادی پیدا نمی‌شود. چیزی باید رخ داده باشد تا این تعادل را به هم بزند»، گزارشی از CERN گزارش می‌کند .
درک عمیق پادماده می‌تواند کمک کند تا بفهمیم چرا آن قدر در جهان کمیاب است. اینجاست که دستگاه جدید می‌تواند تاثیر قابل توجهی بگذارد. توانایی آن در خنک‌سازی سریع پادپروتون‌ها برای مطالعه پادماده و ذرات بنیادی آن با دقت بیشتر بسیار حیاتی است.
به عنوان مثال، «تا اکنون، ما توانسته‌ایم لحظات مغناطیسی پادپروتون و پروتون را با دقت یک بخش در میلیارد مقایسه کنیم. دستگاه جدید ما به ما اجازه می‌دهد تا به دقت یک دهم یا حتی یک صدهم در میلیارد برسیم. کوچکترین تفاوت می‌تواند به حل معمای عدم تعادل بین ماده و پادماده در جهان کمک کند»، استفان اولمر، یکی از نویسندگان مطالعه گفت.
این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
