فیزیکدانان یک ذره پادماده را به مدت بیش از یک ماه به دام انداختند
به گزارش ابرار صنعتی، فیزیکدانان در آزمایشی در سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای (CERN)، موفق شدند ۹۲ پادپروتون را در یک تله مخصوص ذخیره کنند، آن‌ها را با کامیون در محوطه این مرکز جابه‌جا کنند و پس از انتقال نیز نگه دارند. این ذرات در مجموع بیش از یک ماه تحت کنترل پژوهشگران باقی ماندند. نتایج این پژوهش در سال ۲۰۲۶ در مجله علمی Nature منتشر شد.
این آزمایش در مارس ۲۰۲۶ انجام شد و بخشی از پروژه BASE-STEP بود. پژوهشگران برای انتقال پادماده از محفظه‌ای قابل‌حمل استفاده کردند که برای نگهداری پادپروتون‌ها در شرایط خلأ بسیار بالا طراحی شده است. گروه تحقیقاتی توانست محفظه را از تأسیسات تولید پادماده خارج کند، روی کامیون قرار دهد و پس از طی مسافتی حدود ۸ کیلومتر در محوطه سرن، آن را تخلیه کند. در جریان جابه‌جایی، هیچ‌کدام از ۹۲ پادپروتون ذخیره‌شده از دست نرفتند.
پادپروتون چیست و چرا نگهداری آن دشوار است؟
پادپروتون (Antiproton) پادذره پروتون است؛ ذره‌ای که در هسته اتم‌های معمولی وجود دارد. پادپروتون از نظر بار الکتریکی با پروتون تفاوت دارد و بار آن منفی است. هنگامی که پادماده با ماده معمولی تماس پیدا می‌کند، ذرات می‌توانند نابود شوند و انرژی آزاد کنند؛ فرایندی که در فیزیک با نام نابودی ماده و پادماده شناخته می‌شود.
به همین دلیل، دانشمندان نمی‌توانند پادپروتون را در یک ظرف معمولی نگهداری کنند. این ذرات باید با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در فضایی بدون تماس با دیواره‌های محفظه معلق بمانند. در آزمایش BASE-STEP، تله پنینگ (Penning trap) و سامانه خلأ فوق‌العاده بالا برای نگهداری و کنترل ذرات به کار رفتند.
دستاورد فنی آزمایش، نگهداری و کنترل پادپروتون‌ها در یک تله قابل‌حمل برای بیش از یک ماه بود. پژوهشگران در طول این دوره توانستند ذرات را در شرایط کنترل‌شده حفظ کنند و آزمایش‌های لازم را روی سامانه انجام دهند.
خلأ فوق‌العاده بالا در محفظه پادماده
طبق گزارش دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف آلمان، فشار خلأ در محفظه قابل‌حمل طی دوره نگهداری بهتر از ۲٫۲ در ۱۰ به توان منفی ۱۸ میلی‌بار بود. این مقدار از هدف طراحی اولیه گروه، یعنی ۱۰ به توان منفی ۱۶ میلی‌بار، پایین‌تر بود. ایجاد چنین خلأیی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا برخورد پادپروتون‌ها با ذرات باقی‌مانده در محفظه می‌تواند باعث از دست رفتن آن‌ها شود.
در روز بیست‌وهفتم آزمایش، هنگام انجام آزمون استخراج ذرات، یک پادپروتون نابود شد. با این حال، تیم تحقیقاتی توانست انتقال اولیه را بدون از دست دادن ذرات ذخیره‌شده در مسیر جابه‌جایی به پایان برساند و فرایند نگهداری را ادامه دهد.
هدف پژوهش؛ مقایسه دقیق ماده و پادماده
همکاری علمی BASE در سرن، ویژگی‌های بنیادی پروتون و پادپروتون را بررسی می‌کند. جرم و گشتاور مغناطیسی این دو ذره از جمله مشخصاتی هستند که دانشمندان برای مقایسه ماده و پادماده اندازه‌گیری می‌کنند. بر اساس مدل استاندارد فیزیک ذرات، این دو ذره باید در ویژگی‌های بنیادی خود مطابق تقارن‌های پیش‌بینی‌شده رفتار کنند.
پژوهشگران پیش‌تر اندازه‌گیری‌هایی با دقت بالا روی گشتاور مغناطیسی پروتون و پادپروتون انجام داده‌اند، اما در محدوده دقت اندازه‌گیری‌های موجود، تفاوتی میان نتایج مشاهده نشده است. فعالیت‌های معمول تأسیسات سرن نیز نوسان‌هایی در میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که بر دقت اندازه‌گیری‌ها اثر می‌گذارد.
به همین دلیل، گروه BASE قصد دارد پادپروتون‌ها را به آزمایشگاهی با شرایط مناسب‌تر در دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف منتقل کند. هدف اعلام‌شده پژوهشگران، دستیابی به اندازه‌گیری‌هایی با دقت دست‌کم ۱۰۰ برابر بیشتر است. انتقال هشت کیلومتری در محوطه سرن مرحله آزمایشی این برنامه بود و تیم تحقیقاتی در ادامه باید سامانه را برای سفر حدود ۱۰ ساعته از ژنو به دوسلدورف آماده کند.
نکات اصلی آزمایش نگهداری پادماده
- نوع ذره: پادپروتون، پادذره پروتون
- تعداد ذرات در زمان انتقال: ۹۲ پادپروتون
- محل آزمایش: سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای، ژنو
- زمان جابه‌جایی: مارس ۲۰۲۶
- مسافت طی‌شده: حدود ۸ کیلومتر در محوطه سرن
- مدت نگهداری: بیش از یک ماه
- هدف پژوهش: بهبود دقت مقایسه ویژگی‌های پروتون و پادپروتون
«توانایی نگهداری و کنترل پادپروتون‌ها برای بیش از یک ماه در یک تله قابل‌حمل، امکان انتقال این ذرات به آزمایشگاه‌های دیگر را فراهم می‌کند؛ جایی که شرایط مناسب‌تری برای اندازه‌گیری‌های دقیق فراهم است.»
گزارش این آزمایش و جزئیات فنی آن در مقاله پژوهشی Road Transport of Trapped Antiprotons در مجله Nature منتشر شده است. دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف نیز جزئیات آزمایش را در گزارش رسمی پروژه منتشر کرده است. ابرار صنعتی این دستاورد را در چارچوب پژوهش‌های مربوط به نگهداری پادماده و اندازه‌گیری دقیق ویژگی‌های بنیادی ذرات گزارش می‌کند.
