در مرز میان دو کشور سوییس و فرانسه، «آزمایشگاه بین‌المللی فیزیک ذرات بنیادی» (سِرن) واقع است.
این آزمایشگاه عظیم، انواع و اقسام دستگاه‌های پیچیده نظیر شتاب‌دهنده‌ها و آشکارسازها و ازجمله، برخورددهنده‌ی بزرگ هادرون (LHC) را در خود جای داده است که در سال ۲۰۱۲ (۱۳۹۱)، کشف ذره‌ی هیگز را برای فیزیکدان‌ها میسر کرد.
شتاب‌دهنده‌های آزمایشگاه سِرن، برای مطالعه‌ی کوچک‌ترین ذرات تشکیل‌دهنده‌ی ماده ساخته شده‌اند، ذراتی که همه چیز در جهان -از ستاره‌ها و سیارات گرفته تا فنجان چای شما- از آن‌ها تشکیل شده‌اند.
فیزیکدان‌ها ماده‌ی متعارف تشکیل‌دهنده‌ی ساختارهای جهان را اصطلاحا ماده‌ی باریونی می‌نامند. ماده‌ی باریونی، ماده‌ای است که از پروتون و نوترون تشکیل شده است.
درواقع، تمام ماده‌ی معمولی‌ای که در کیهان مشاهده می‌شود از نوع ماده‌ی باریونی است.
اما ماده‌ی باریونی صرفا به ذرات ماده محدود نمی‌شود، بلکه ذرات پادماده را هم در بر می‌گیرد. بررسی رفتار پادماده، یکی از هیجان‌انگیزترین شاخه‌های فیزیک نوین را تشکیل می‌دهد و این احتمال می‌رود که بتوان از طریق آن به کشفیات محیرالعقولی مانند «نیروی ضدجاذبه» دست یافت.
می‌پرسید چگونه؟ با ما همراه شوید تا از آخرین دستاوردهای فیزیکدانان در این حوزه‌ی تحقیقاتی آگاه شویدوجود پادماده را نخستین بار فیزیکدان انگلیسی، «پُل دیراک» در اواخر دهه‌ی ۱۹۲۰ (۱۳۰۰) پیش‌بینی کرد.
طولي نكشيد كه فیزیکدان‌ها با انجام آزمایش‌هایی موفق شدند ذرات اسرارآمیز پادماده را کشف کنند.
این ذرات اسرارآمیز، با ذرات ماده‌ی متناظر خود هم‌جرمند، اما دیگر ویژگی‌هایشان (مانند بار الکتریکی، اسپین و اعداد کوانتومی) قرینه‌ی ویژگی‌های ذرات ماده‌ی متناظر آن‌هاست. مثلا الکترون بار الکتریکی 1- دارد، درحالی‌که پادذره‌ی آن، پوزیترون، بار الکتریکی 1+ دارد.
با توجه به آن‌که ویژگی‌های کوانتومی ماده و پادماده مخالف یکدیگرند، ذرات ماده و پادماده همواره با همدیگر و به صورت یک زوج متولد می‌شوند
اما باید توجه داشت که این زوج با یکدیگر سر سازگاری ندارند و اگر پس از تولد با همدیگر مواجه شوند، یکدیگر را نابود می‌کنند و با فورانی از انرژی، محو می‌شوند.
ذرات ماده و پادماده همواره به مقدار مساوی ایجاد می‌شوند، بنابراین قاعدتا باید در زمان تولد عالم (مهبانگ) هم مقدار برابری از ذرات ماده و پادماده در عالم به وجود آمده باشند.
پس از آن هم تمام این ذرات ماده و پادماده باید با گذشت زمان، به یکدیگر برخورد و همدیگر را نابود کرده باشند؛ در نتیجه باید اکنون جهانی تهی از ماده و پادماده بر جای مانده باشد.
اما برخلاف انتظار، می‌بینیم که جهان ما مملو از ماده و عملا تهی از پادماده است (ذرات پادماده به میزان فوق‌العاده اندک و آن هم به صورت گذرا و با طول عمرهای بسیار کوتاه، به واسطه‌ی پدیده‌هایی مانند فرایندهای پرتوزای طبیعی (رادیواکتیویته) و برهم‌کنش‌های پرتوهای کیهانی با جو زمین ایجاد می‌شوند).
این مسئله می‌تواند نشانه‌ای از نبود تقارن کامل بین فرایندهای حاکم بر ذرات ماده و پادماده باشد؛ به عبارت دیگر، ممکن است قوانین حاکم بر رفتار ذرات ماده و پادماده کاملا یکسان نباشند.
- تقارن یا عدم تقارن؟
«کریس پارکز» (Chris Parkes)، فیزیکدان «دانشگاه منچستر» انگلستان و رهبر گروه پژوهشی این دانشگاه در آزمایش LHCb (یکی از آشکارسازهای LHC در سرن)، در این باره می‌گوید: «علت تفاوت بین رفتار ذرات ماده و پادماده تا حدودی در مدل متعارف فیزیک ذرات بنیادی، توضیح داده شده است.»
بنا بر گفته‌ی پارکز، «جایزه‌ی نوبل فیزیک سال ۲۰۰۸ (۱۳۸۷) اساسا به پاس تبیین نظری وجود عدم تقارن بین رفتار ذرات ماده و پادماده در چهارچوب مدل متعارف ذرات بنیادی، به فیزیکدانان درگیر در این کار نظری اهدا شد.»
برای بررسی و کاوش این عدم تقارن، ابتدا باید نیروهای بنیادین حاکم بر ذرات را بهتر بشناسیم. احتمالا می‌دانید که چهار نیروی بنیادین هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف، الکترومغناطیسی و گرانش بر دنیای ذرات بنیادی حاکمند.
نیروی هسته‌ای قوی، همان نیرویی است که اجزای هسته‌های اتمی را کنار همدیگر نگاه می‌دارد. گرانش، نوعی نیروی جاذبه بین تمامی ذرات جرم‌دار است. نیروی الکترومغناطیسی هم نیروی حاکم بر ذرات دارای بار الکتریکی است و سرانجام، نیروی هسته‌ای ضعیف، نیرویی است که منجر به وقوع برخی از واپاشی‌های رادیواکتیو می‌شود.
این نیروی آخری یعنی نیروی ضعیف، در واقع همان نیرویی است که در عدم تقارن بین برهم‌کنش‌های ماده و پادماده هم نقش ایفا می‌کند.
به بیان دقیق‌تر باید گفت که برهم‌کنش ضعیف در برخی مواقع، تقارن ترکیبی مربوط به بار الکتریکی و پاریته‌ی ذرات را -که اصطلاحا تقارن CP نامیده می‌شود- نقض می‌کند و درنتیجه، سبب می‌شود که ذرات و پادذرات در مواجهه با برهم‌کنش ضعیف، به شکلی کاملا یکسان رفتار نکنند.
همین امر، موجب می‌شود که تعداد ذرات ماده و پادماده با گذر زمان، به تدریج از حالت تساوی خارج شوند. فیزیکدان‌ها معتقدند که همین پدیده احتمالا می‌تواند علت فزونی ماده را بر پادماده در جهان امروز توضیح دهد.
- تقابل نسبیت و کوانتوم
اما گذشته از معمای فزونی ماده بر پادماده، معماهای دیگری هم در مورد رفتار پادماده وجود دارند که فیزیکدان‌ها در تلاش برای حل آن‌ها هستند.
یکی از این معماها درباره‌ی نحوه‌ی تأثیر گرانش بر پادماده است. آن‌طور که «دَنیل کاپلان» فیزیکدان در «انستیتو فناوری ایلینوی» ایالات‌متحده‌ی آمریکا می‌گوید تا پیش از این، هیچ‌گاه تأثیر گرانش بر پادماده به‌طور دقیق بررسی نشده بود
به همین دلیل هم حتی این احتمال از سوی برخی فیزیکدان‌ها مطرح شده است که ممکن است نیروی گرانش، پادماده را دفع کند و به بیان دیگر، نوعی دافعه‌ی گرانشی بین ماده و پادماده وجود داشته باشد.
منبع: همشهري دانستنيها
نظر شما