پادماده کیهانی

● سفیر پادجهان ها یا میراث برخوردها
در ،۱۹۲۸ فیزیكدان انگلیسی پل آدریان موریس دیراك (P.AM.Dirac) وجود ضدماده را پیش بینی كرد. دیراك مدعی شد كه برای هر ذره مادی، ضدذره ای به همان جرم ولی با بار مخالف وجود دارد. از پیوند این ضدذره ها، ضداتم پدید می آید و ضداتم ها می توانند ضدماده هایی متناظر با اجسام دنیای مادی بسازند. یعنی مثلاً ضدستاره ها، ضدكهكشان ها و حتی ضدانسان ها. ماجرا به همین جا ختم نمی شود. اگر یك ذره مادی با ذره ای از ضدماده برخورد كند، هر دو ناپدید می شوند و در مقابل یك پرتو پرانرژی گاما تولید می شود. به زبان تراژیك تر، اگر یك انسان و ضدانسان با هم دست بدهند، انرژی حاصل از انفجار و ناپدید شدنشان چیزی معادل هزار انفجار هسته ای یك مگاتنی خواهد بود. هر كدام از این بمب ها، برای نابودی كامل یك شهر كوچك كفایت می كند.
ادعای دیراك حرف غریبی بود، اما اثباتش فقط ۴ سال طول كشید. یعنی وقتی كه در ۱۹۳۲ كارل دی اندرسون (Carl D. Anderson) فیزیكدان كلتك، اولین پادذره را شناسایی كرد. وقتی اندرسون از یك اتاقك ابر برای بررسی پرتوهای كیهانی (ذرات بسیار پرانرژی كه به طور پیوسته از فضا زمین را بمباران می كنند) استفاده می كرد، مسیری را دید كه به وسیله ذره ای با جرم الكترون اما بار مخالف آن (یعنی مثبت) ایجاد شده بود. این موجود را (كه در واقع متناظر پادذره ای الكترون بود) پوزیترون نام گذاشتند. پیدا كردن پادپروتون ها سخت تر بود و بالاخره در ،۱۹۵۵ فیزیكدان های آزمایشگاه لارنس بركلی از یك شتاب دهنده برای تولید آنها استفاده كردند. در ۱۹۹۵ هم پژوهشگران سرن (آزمایشگاه و شتاب دهنده عظیم اروپا واقع در نزدیكی ژنو) توانستند با كنار هم گذاشتن پوزیترون ها و پادپروتون ها در یك شتاب دهنده برای مدت زمان بسیار كوتاهی پادهیدروژن بسازند.
دانشمندان در سال های اخیر آشكارسازهای پیچیده ای برای جست وجوی پادماده لابه لای پرتوهای كیهانی ساخته اند. از آنجا كه این پرتوها بعد از برخورد با هسته مولكول های هوا نابود و تجزیه می شوند محققان مجبورند آشكارسازهایشان را به رقیق ترین مناطق در دسترس جو زمین بفرستند. ما هم درگیر یكی از همین آزمایش ها هستیم، یعنی تلسكوپ پادماده پرانرژی (HEAT) كه سوار بر بالون های مستقر در ارتفاع زیاد دنبال پادپروتون های احتمالی موجود بین پرتوهای كیهانی می گردد. آشكارسازهای مهم دیگری هم هست كه بعضی با چرخش در فضا به جست وجویشان ادامه می دهند.
نتایج این آزمایش ها می تواند كلیدهایی به سوی فهم منشاء پادماده باشد یا حتی معلوم كند كه پادستاره ها و پادكهكشان ها واقعاً وجود دارند یا خیر.
اخترفیزیكدانان فكر می كنند كه بیشتر پادذره های مشاهده شده در اتمسفر بالایی نتیجه برخوردهای شدید ذرات زیراتمی در فضای بین ستاره ای هستند. ماجرا وقتی آغاز می شود كه میدان مغناطیسی موج ضربه ای ناشی از یك انفجار ابرنواختری پروتون یا یك هسته اتمی سنگین تر را در فضای بین ستاره ای تا سرعت های بسیار زیاد شتاب می دهد. اگر این هسته (كه حالا یك پرتو كیهانی پرانرژی به حساب می آید) با یك ذره بین ستاره ای دیگر برخورد كند، بخشی از انرژی پرتو كیهانی می تواند به یك زوج ذره- پادذره تبدیل شود.
● یك سطل پرتو كیهانی
بعضی از این برخوردها، به تولید زوج های پیون می انجامد. پیون ها ذرات ناپایداری هستند كه به سرعت واپاشی می كنند و به پوزیترون، الكترون، نوترینو و آنتی نوترینو تبدیل می شوند. پرانرژی ترین برخوردها، یعنی آنها كه شامل ذراتی با سرعت نزدیك به نور هستند، زوج های پروتون- پادپروتون به وجود می آورند. این فرآیند، عكس فرآیند نابودی ماده- پادماده است: به جای تبدیل ماده به انرژی، انرژی به شكل ماده درمی آید.
با این حال تعداد پادذره های خلق شده در برخوردهای بین ستاره ای نسبتاً اندك است و مثلاً در پرتوهای كیهانی كه به وسیله HEAT مشاهده شده است، تعداد ذرات بسیار بیشتر از پادذرات است. برای اینكه درك بهتری از دشواری آشكارسازی پادماده به دست بیاورید، سطلی پر از پیچ های فولادی در نظر بگیرید كه در آن ۱۰۰ پیچ عادی راست گرد (الكترون های موجود در پرتوكیهانی) و ۱۰ پیچ چپ گرد (پوزیترون های پرتوكیهانی) وجود دارد.
پرتوهای كیهانی، غیر از این، حاوی پروتون هم هستند كه بار الكتریكی مشابه پوزیترون ها دارد اما بسیار سنگین تر است. اینها را می توان با اضافه كردن ده هزار پیچ چپ گرد بزرگ به سطل خیالی بالا نشان داد. حالا تك تك پیچ های چپ گرد را باید وزن كرد تا پروتون یا پوزیترون بودنش مشخص شود و وزن كشی را هم باید بسیار به دقت انجام داد. چون اگر در هر هزار پروتون، فقط یكی با پوزیترون اشتباه گرفته شود، تعداد پوزیترون های مشاهده شده، دو برابر خواهد شد.
تلسكوپ HEAT (كه خطایی كمتر از یك در صدهزار دارد) از یك آهنربای ابررسانا و آرایه ای از آشكارسازها برای تشخیص پوزیترون بهره می گیرد. بعد از اینكه پرتوهای كیهانی از درون یك دریچه جمع كننده عبور كردند میدان مغناطیسی آهنربایی ابررسانا، الكترون های منفی را به یك سو و پروتون ها و پوزیترون های مثبت را به سوی دیگر منحرف می كند.
آشكارسازها، بار و جهت هر ذره ورودی را به همراه مقدار انحرافی از مسیر مستقیم كه در میدان مغناطیسی ایجاد می شود، اندازه می گیرند كه این آخری (مقدار انحراف) برای تشخیص پروتون از پوزیترون به كار می رود: از آنجایی كه پروتون ها سنگین ترند، تحت تاثیر نیروی میدان (كه به بار و سرعت وابسته است)، كمتر از پوزیترونی با همان سرعت منحرف می شوند.
تلسكوپ و ابزارهای HEAT را برای اولین بار، بالن علمی تحقیقاتی سازمان هوانوردی و فضانوردی آمریكا (ناسا) در ۱۹۹۴ از پایگاهی در نیومكزیكو به هوا فرستاد. با وجود اینكه كل ابزار چیزی حدود ۲۳۰۰ كیلوگرم وزن دارد، یك بالن غول پیكر هلیومی توانست آن را تا ارتفاع ۳۷ كیلومتری سطح زمین (یعنی بالاتر از ۵/۹۹ درصد اتمسفر) بالا ببرد. HEAT طی ۳۲ ساعت به اندازه گیری و سنجش پرتوهای كیهانی پرداخت و سپس به كمك چتر در پانهاندل تگزاس فرود آمد. ناسا یك بار دیگر در سال ۱۹۹۵ HEAT را از مكانی در مانیتوبای كانادا به هوا برد و در این پرواز دوم آشكارساز توانست پوزیترون های كم انرژی تر را هم یعنی پوزیترون هایی كه فقط در نزدیكی قطب های شمال و جنوب مغناطیسی زمین می توانند به درون میدان مغناطیسی نفوذ كنند، مشاهده كند.
نتایج حاصل از این دو پرواز، كاملاً امیدواركننده از كار درآمد. تعداد پوزیترون های كم انرژی كه HEAT موفق به ثبت شان شد، به عدد مورد انتظار بسیار نزدیك بود. با این حال آشكارسازها در قسمت پرانرژی، پوزیترون بیشتری نسبت به آن چه پیش بینی می شد، ثبت كردند. این مازاد البته خیلی زیاد نیست و می تواند ناشی از خطاهای احتمالی باشد. اما اگر آن را واقعی تصور كنیم، نشان دهنده وجود منبع ناشناخته ای از پوزیترون های پرانرژی در كیهان است كه ذره سنگین درگیر در برهم كنش های ضعیف (WIMP) یكی از نامزدهای احتمالی آن به حساب می آید.
این ذره فرضی، یكی از راه حل های مسئله بغرنج ماده تاریك هم هست. اخترفیزیكدان ها برای توضیح آهنگ مشاهده شده چرخش های كهكشانی، این فرضیه را مطرح می كنند كه هر كهكشان در هاله عظیمی از ماده تاریك قرار گرفته كه با ابزارهای معمولی نمی توان آنها را رصد كرد. WIMP فرضی می تواند نامزد مناسبی برای این ماده تاریك باشد، چون هیچ نور یا گونه دیگری از امواج الكترومغناطیسی از خودش گسیل نمی كند. اگر WIMPها با چگالی پیش بینی شده وجود داشته باشند، برخوردهای بین آنها تعداد قابل توجهی پوزیترون پرانرژی تولید می كند و این فرآیند می تواند توجیهی برای مازاد مشاهده شده به وسیله HEAT باشد. اما پیش از همه اندازه گیری های آینده HEAT یا گروه های دیگر، باید این مازاد را با دقت بیشتری تایید كند.
وقتی پرتوهای كیهانی را به دنبال پوزیترون زیرورو می كردیم، دانشمندان دیگر به كار دشوارتری مشغول بودند: شكار پادپروتون. پادپروتون ها از پوزیترون ها كمیاب ترند چون جرم شان حدود دو هزار برابر آنها است و بنابراین مقدار انرژی بسیار بیشتری برای تولیدشان لازم است. مثلاً پروتون های بین ستاره ای باید با سرعت های بالاتر از ۹۹درصد سرعت نور به هم برخورد كنند تا یك زوج پروتون- پادپروتون تولید شود.
آشكارسازهای پادماده، مثل IMAX (آزمایش ایزوتوپی ماده- پادماده) یا BESS (آزمایش بالنی با طیف سنج سولنوئیدی ابررسانا)، حداكثر یك پادپروتون به ازای هر ده هزار پروتون موجود در باران پرتوهای كیهانی پیدا كرده اند. كمیابی این پادذره ها، دانشمندان جست وجوگر را مجبور می كنند تا برای اجتناب از شمارش های نادرست، دقت فوق العاده ای به كار برند. آشكارسازهای استفاده شده برای این كار باید خطایی كمتر از یك قسمت در میلیون داشته باشد.
● به دنبال پادجهان ها
اولین جست وجوی گسترده برای پیدا كردن مقادیر بیشتری از پادماده كیهانی را فیزیكدانی به نام لوئیس و. آلوارز (Luis W. Alvarez) در دهه ۱۹۶۰ آغاز كرد. آلوارز در پرتوهای كیهانی دنبال پادذره های سنگین مثل هسته پادهلیوم یا پادكربن یا پاداكسیژن گشت. برخلاف پوزیترون ها و پادپروتون ها، این پادذره های سنگین پرجرم تر از آنند كه از برخوردهای ذرات بین ستاره ای حاصل شوند. بنابراین كشف یك هسته پادهلیوم ثابت می كند كه مقداری پادماده از انفجار بزرگ باقی مانده است. همین طور، پیدا شدن یك پادكربن یا پاداكسیژن دلیلی است بر وجود پادستاره ها، چون كربن و همه عناصر سنگین تر فقط در ستاره ها به وجود می آیند.
بیشتر اخترفیزیكدانان بخت چندانی برای وجود پادستاره ها قائل نیستند. هر چند كه نور یك پادستاره هیچ تفاوتی با نور یك ستاره معمولی ندارد. اما پادستاره خواه ناخواه با ذرات مادی معمولی كه از فضای بین ستاره ای به طرفش روانه می شوند، برخورد می كند و نابودی ماده- پادماده حاصل به تولید شار عظیمی از پرتوهای گاما می انجامد. آشكارسازهای مداری (واقع در مدار زمین)، پرتوهای گامای كم انرژی را ثبت كرده اند كه نشان دهنده نابودی مقدار زیادی از پوزیترون در حوالی مركز كهكشان ما است.
با این حال، دانشمندان هنوز معتقد نیستند كه این پوزیترون ها متعلق به یك پادستاره اند، چون در این صورت تابش حاصل به صورت چشمه موضعی پرقدرتی از پرتوهای گامای بسیار پرانرژی تر مشاهده می شد. این واقعیت كه هیچ آشكارسازی تا به حال چنین چشمه ای را ثبت نكرده است، یعنی هیچ پادستاره ای در كهكشان وجود ندارد و به همین ترتیب از پادكهكشان ها هم در خوشه كهكشانی محلی ما خبری نیست.دورتر چطور؟ شاید جهان ما شامل پادكهكشان های منزوی باشد كه فاصله های خالی بزرگ، آنها را از كهكشان های مادی معمولی جدا كرده است. در دهه گذشته، ستاره شناسان نقشه های بزرگ و مفصلی از توزیع كهكشان ها تا فاصله چند میلیارد سال نوری تهیه كرده اند و در این نقشه ها هیچ منطقه منزوی و جداگانه ای كه بتواند ساخته پادماده ها باشد، دیده نمی شود. اگر مناطق بزرگی از جهان، ساخته پادماده بود، آنجا كه ماده و پادماده كنار هم قرار می گرفت مقادیر عظیمی پرتو گاما در روزهای اولیه تاریخ جهان آزاد می كرد. اما ستاره شناسان تا به حال چنین تابش قدرتمندی را در پس زمینه مشاهده نكرده اند. پادكهكشان ها (اگر وجود داشته باشند) باید جایی فراتر از برد بهترین تلسكوپ های ما (یعنی حداقل چند میلیارد سال نوری) باشند.
غیر از این، كیهانشناسی جدید، دلیلی هم برای اینكه چرا جهان می تواند تقریباً به كل ساخته ماده معمولی باشد، ارائه می كند. طبق پذیرفته شده ترین نظریه ها، انفجار بزرگ در اولین لحظه آفرینش مقدار ماده ای كه تولید كرد، كمی بیشتر از پادماده بود. این پدیده نتیجه ای بود از یك بی تقارنی كوچك در قوانین فیزیك كه با نام «نقضCP» شناخته می شود و در آزمایشگاه هم مشاهده شده است.
به این ترتیب به ازای هر ۳۰ میلیارد ذره پادماده خلق شده در جریان انفجار بزرگ، ۳۰ میلیارد و یك ذره مادی به وجود آمد. حدود یك میلیونیم ثانیه بعد از انفجار بزرگ، ذرات شروع به نابودی پادذرات كردند تا جایی كه تنها ماده معمولی باقی ماند. این مازاد اندك (یك قسمت در ۳۰ میلیارد) البته همچنان آن قدر زیاد بود كه بتواند جهان كنونی ما را بسازد.
هرچند كه این نظریه وسوسه كننده به نظر می آید اما بعضی از دانشمندان به جست وجو برای پادذرات سنگین ادامه داده اند. آنها همچنان معتقدند كه مناطق بزرگی از پادماده وجود دارد و هسته های پاد ماده سنگین كه با سرعتی نزدیك به سرعت نور حركت می كنند می توانند فاصله های عظیم را طی كنند و به كهكشان ما برسند. در دهه های ۱۹۶۰ و ،۱۹۷۰ آلوارز و دانشمندان دیگر با استفاده از آشكارساز ها، ده ها هزار ذره كیهانی را به دنبال یك پادذره سنگین جست وجو كردند. آزمایش های جدید تر، همین كار را با میلیون ها ذره انجام دادند. اما با همه این تلاش ها، هیچ پاد ذره ای سنگین تر از پاد پروتون مشاهده نشد.
البته می شود فرض كرد كه پادكهكشان های دور، پاد ذره های سنگین تابش می كنند اما میدان های مغناطیسی موجود در فضای بین كهكشانی، جلوی رسیدن آنها به زمین را می گیرد. اندازه گیری های اخیر تابش سینكروترون عبوری از خوشه های كهكشانی نشان داده است كه شدت میدان مغناطیسی درون چنین خوشه هایی حدود یك میلیونیم شدت میدان مغناطیسی روی سطح زمین است. از آنجایی كه این میدان ها احتمالاً ضمن پیدایش خوشه ها تا هزار بار تقویت شده اند، اختر فیزیكدان ها احتمال می دهند كه میدان بین كهكشان های دور از هم، فقط یك میلیاردیم میدان زمین است.
هرچند كه چنین میدانی به مراتب ضعیف تر از آن است كه حتی سوزن قطب نما را بلرزاند. اما در طول زمان می تواند اثر قابل توجهی بر پاد ذره ای كه فاصله بسیار طولانی فضای میان كهكشانی را می پیماید، داشته باشد. مسیر پادذره به صورت مارپیچی با قطر چند سال نوری حول یكی از خطوط میدان مغناطیسی درمی آید. اخترفیزیكدان ها بر سر جهت میدان های مغناطیسی در فضای میان كهكشانی توافق ندارند. بعضی معتقدند كه این میدان ها، مثل میدان حول یك آهن ربای میله ای معمولی، همدوس هستند، اما بقیه ادعا می كنند كه خط های میدان اتفاقاً پیچیده و درهم برهم است كه اگر این طور باشد پادذره ها نمی توانند در یك راستا زیاد جابه جا شوند و به طور تصادفی در بی نظمی خطوط میدان را دنبال می كنند. حركتی كه می شود آن را به راه رفتن مردی مست از بار تا خانه تشبیه كرد. مرد هوشیار راه مستقیم را انتخاب می كند و چند ساعته به خانه می رسد. اما مرد مست قدم هایش را در راستاهای تصادفی برمی دارد و بنابراین پیشرفت اندكی نصیبش می شود و شاید بعد از یك سال هم به خانه نرسد. از طرف دیگر اگر میدان های مغناطیسی بین كهكشانی همدوس باشد خطوط میدان می تواند تقریباً مستقیم از یك كهكشان به كهكشان دیگر برسد. در این وضعیت پادذره ها فاصله بین كهكشان های مجاور را از طریق بزرگراه های مغناطیسی كیهانی به طول چند میلیون سال نوری می پیمایند. البته مسیرشان همچنان مسیر مستقیم مرد هوشیار نیست، بلكه از كهكشانی به كهكشان دیگر می پرند. درست مثل اینكه كسی ولگرد مست داستان ما را از یك پیچ تا پیچ بعدی هدایت كند اما چون در تقاطع ها، به طور تصادفی می پیچد همچنان پیشرفت كمی دارد. در این وضعیت، پادذره ها فقط می توانند چندصد میلیون سال نوری از نقطه شروعشان دور شوند. حتی اگر به اندازه تمام عمر جهان برای سفر وقت داشته باشند و این فاصله بسیار كمتر از میلیاردها سال نوری فاصله احتمالی تا نزدیك ترین پاد كهكشان ممكن است.حتی اگر چنین پادذره ای با یك معجزه به كهكشان ما نزدیك شود ممكن است به زمین نرسد. چون میدان مغناطیسی درون كهكشان به مراتب شدید تر از میدان بیرونی است و اكثر پاد ذره هایی را كه به سوی داخل كهكشان می روند منحرف می كند. مرد مست بداقبال داستان ما بالاخره به خانه رسیده است اما كلید در را پیدا نمی كند.
● پرواز های آینده
هرچند كه پیدا شدن پاد ذره های سنگین در كهكشان ما، بسیار بعید به نظر می رسد، اما جست وجو همچنان ادامه دارد. وزارت انرژی آمریكا از طرحی برای قرار دادن یك آشكارساز پاد ماده در مدار زمین حمایت می كند. این ابزار كه طیف سنج مغناطیسی آلفا (AMS) نام دارد، در درجه اول به دنبال هسته پادماده های سنگین می گردد.AMS از پایگاه فضایی بین المللی پرتاب شد و كارش را از سال ۲۰۰۲ آغاز كرد و حدود ۳ سال طول كشید.با توجه به چنین زمان طولانی تابش دهی، AMS اساساً حساسیتی حدود صدبرابر حساسیت آشكار سازهای پادماده قبلی دارد.
ادامه در صفحه ۲۰مشكل واقعی تضمینی وجود سطح برابری برای دقت در تشخیص ذره و پادذره است. آشكارساز برای تشخیص یك پادذره سنگین از صدمیلیون ذره پس زمینه ای باید انحراف هر ذره در میدان مغناطیسی را به دقت اندازه بگیرد. دقیق ترین تجهیزات مستقر بر بالن ها ۱۵ یا تعداد بیشتری اندازه گیری انجام می دهد تا انحراف ذره های پرسرعت را تعیین كند. AMS برای این كار فقط شش اندازه گیری انجام می دهد. ابزار دیگری كه پادماده كیهانی را از مدار مشاهده كرد، پاملا (PAMELA) نام دارد كه در سال ۲۰۰۰ از مركز فضایی روسیه در بایكونور به فضا پرتاب شد. پاملا با استفاده از یك سیستم كه بسیار پیچیده تر از AMS است به جست وجوی پوزیترون ها و پادپروتون ها و همچنین پادهسته های سنگین پرداخت. تجهیزات بالنی دیگری نیز برای جست وجوی پادماده كیهانی در شرف ساخت است. برای مثال نسخه تازه ای از آشكارساز HEAT ساخته می شود كه به جست وجوی پادپروتون های با انرژی زیاد می پردازد. امیدواریم كه با افزایش زمان استقرار آشكارساز در ارتفاع، اندازه گیری مان را بهبود بخشیم. ناسا بالن هایی ساخته است كه در ارتفاع بالا پرواز می كند و می تواند ۱۰ تا ۲۰ روز در مسیری دایره ای بر فراز قطب جنوب حركت كند. گروه زیرمداری جزیره والوپس ناسا نیز در حال ساخت بالن های سبك وزنی است كه می تواند بیش از صد روز پرواز كند.جست وجو به دنبال پادماده در كیهان، پیچ و خم های زیادی را پشت سر گذاشته است. انگیزه اولین آزمایش ها، تقارن بود یعنی اثبات اینكه مقدار ماده و پادماده در جهان برابر است. البته نتایج، از یك بی تقارنی عظیم خبر داد. آشكارسازهای پادذره، فقط تعداد كمی پوزیترون و پادپروتون در پرتوهای كیهانی مشاهده كردند و هیچ اثری هم از پادذره های سنگین تر پیدا نشد. ممكن است پادستاره ها و پادكهكشان ها همچنان جایی، میلیاردها سال نوری آن طرف تر از كهكشان ما در انتظار كشف باشند. اما پادذره های سنگین این مناطق دوردست، تقریباً بختی برای رسیدن به زمین ندارند و بنابر این جست وجو برای یافتن آنها احتمالاً كار عبثی به نظر می آید. با این حال، كاویدن پرتوهای كیهانی برای یافتن پوزیترون و پادپروتون، ممكن است به كشف ماهیت ماده تاریك (یكی از رازهای بزرگ اختر فیزیك) كمك کند. لااقل فیزیكدان ها امیدوارند كه این اتفاق بیفتد.

Scientific American,Apr. ۱۹۹۸
ترجمه: احسان لطفی
جورج تارله- سیمون اسوردی

منبع : روزنامه شرق