چرا در جهان ماده از پادماده بیشتر است؛ تقابل ماده و پادماده

ما چرا وجود داریم؟؟؟؟

بدون شک این عمیق ترین سوالی است که در دوران زندگی بشر برای وی وجود داشته است و مساله ای که به نظر کاملا به دور از فیزیک ذرات است. اما آزمایش تازه ما در شتاب دهنده ی بزرگ هادرون یا LHC واقع در CERN یک قدم ما را به سوی جواب آن سوال نزدیکتر کرده است. برای درک چرایی آن، بیایید به ۱۳.۸ میلیارد سال پیش هنگام بیگ بنگ یا انفجار بزرگ برگردیم. این رخداد به همان مقدار که ماده یعنی چیزی که شما از آن تشکیل شده اید ایجاد کرد، باعث تولید ضد ماده (پادماده) نیز شد. این اعتقاد وجود دارد که هر ذره یک ضد ذره همراه خود دارد که مشابه خودش بوده با این تفاوت که بار مخالف دارد. هنگامی که یک ذره و ضد ذره آن یکدیگر را ملاقات می کنند، همدیگر را خنثی و نابود کرده و در جرقه ای از نور ناپدید می شوند.

این سوال که چرا جهانی که مشاهده می کنیم تماماً از ماده تشکیل شده است یکی از بزرگترین معماهای فیزیک مدرن است. اگر به میزان مساوی ضد ماده وجود داشت، همه چیز جهان نابوده شده بود. مطالعه ما پرده ای از چرایی این عدم تقارن میان ماده و ضد ماده بر می دارد.

پادماده، اولین بار توسط آرتور شوستر در ۱۸۹۶ مطرح گشت، و در سال ۱۹۲۸ توسط پاول دیراک جنبه نظری به خود گرفت، و در نهایت در سال ۱۹۳۲ در قالب ضد الکترون یا به عبارتی پوزیترون توسط کارل اندرسون کشف شد. پوزیترون ها در واکنش های رادیواکتیو طبیعی نظیر واپاشی پتاسیم-۴۰ یافت می شوند. این بدین معناست که یک موز متوسط در دستان شما که حاوی پتاسیم است، هر ۷۵ دقیقه یک پوزیترون از خود ساطع می کند. این پوزیترون ها بعد با ماده خود یعنی الکترون ها خنثی شده و تبدیل به نور می شوند.

تجهیزات پزشکی همچون اسکنر های PET نیز طی فرایند مشابه ای پادماده (پوزیترون) ساطع می کنند.

اجزای بنیادی سازنده ماده که اتم ها را می سازند، ذرات اولیه ای به نام کوارک ها و لپتون ها هستند. شش نوع کوارک وجود دارد؛ بالا(Up)، پایین(Down)، نوع استرنج (Strange)، نوع چارم (Charm)، تحتانی(Bottom) و فوقانی(Top). هم چنین شش نوع لپتون با اسامی الکترون، موؤن (Muon)، تاؤو (Tau) و سه نوع نوترینو وجود دارند.  از این ۱۲ ذره نام برده، ۱۲ نمونه ضد ذره مشابه وجود دارند که تنها در بار الکتریکی متفاوتند.

در اصل ذرات پادماده باید تصویر آینه ای دقیقی از ذرات ماده خود باشند. اما تحقیقات خلاف این را نشان می دهد واین همیشگی نیست. برای مثال ذره ای به نام مزون را در نظر بگیرید که از یک کوارک و یک ضد کوارک تشکیل شده است. مزون های خنثی یک ویژگی شگفت انگیز دارند، بدین گونه که آنها می توانند خودبخود به ذرات ضد خود تبدیل شوند و این اتفاق بر عکس نیز ممکن است. در این پروسه، ضد کوارک تبدیل به کوارک یا کوارک به ضد کوارک تبدیل میشوند. مطالعه نشان می دهد که در طول زمان این واکنش ها بیشتر در یک جهت اتفاق می افتد تا جهت مخالف آن و آن جهت به سوی تولید ماده ی بیشتراست تا تولید پادماده بیشتر.

در میان ذرات محتوی کوارک ها، تنها در آن هایی که کوارک استرنج و تحتانی وجود دارند این گونه عدم تقارن ها دیده شده است و نشان از یک کشف بسیار مهم داشتند. اولین مشاهدات عدم تقارن که در سال ۱۹۶۴ بر روی ذرات استرنج انجام شد به فیزیکدانان نظری این امکان را داد تا در دوره ای که فقط سه نوع کوارک شناخته شده بود، وجود شش نوع کوارک را پیش بینی کنند. کشف عدم تقارن در ذرات تحتانی در سال ۲۰۰۱، تایید نهایی مکانیسمی بود که منجر به تصویر امروزی از شش کوارک شد. هر دوی کشفیات نام برده جایزه نوبل را به همراه داشتند.

هر دوی کوارک های استرنج و تحتانی بار الکتریکی منفی حمل می کنند. تنها کوارک با بار الکتریکی مثبت که در محاسبات نظری می تواند ذراتی را تولید کند که دارای عدم تقارن ماده و پادماده هستند نوع چارم است. محاسبات نظری پیشنهاد می دهند در صورتی که در واقعیت نیز همینطور باشد، اثر این واکنش باید کوچک و مشکل در شناسایی باشد.

اما در حال حاضر برای اولین بار در آزمایش LHCb می توان چنین عدم تقارن هایی را در ذراتی به نام دی- مزون شناسایی نمود که شامل کوارک چارم می شوند. چنین واقعه ای با تولید بی سابقه ی ذرات چارم که در به طور مستقیم در برهمکنش های LHC به وجود آمدند میسر شد. نتایج نشان می دهند شانس این که این واقعه یک نوسان آماری بوده است در حدود ۵۰ در یک میلیارد است.

در صورتی که این عدم تقارن ناشی از مکانیسم مشابه ای که مسبب عدم تقارن در کوارک های استرنج و تحتانی هست نباشد، جا را برای دیگر منابع تفسیرگر این عدم تقارن ماده و پادماده باز می کند تا به این میزان کلی عدم تقارن در دنیای اولیه اضافه کند. این توضیح بسیار دارای اهمیت است، چرا که تعداد کمی از موارد عدم تقارن شناخته شده هنوز نمی توانند توضیح دهند که چرا این همه ماده در جهان وجود دارد.  کشف ذرات چارم به تنهایی قادر به پر کردن این جای خالی نیست، لیکن یک قطعه پازل بسیار حیاتی در فهم برهمکنش های میان ذرات بنیادی است.

گام های بعدی

کشف ما افزایش تعداد پروژه های نظری را در پی خواهد داشت که به تفسیر ما از نتایج کمک خواهد کرد. اما مهم تر از همه، آزمایش های بیشتری طرح ریخته خواهد شد تا فهم ما را از یافته هایمان عمیق تر کند و هم اکنون تعدادی از این گونه آزمایش ها در حال انجام هستند.

در دهه پیش رو، آزمایش LHCb ارتقا یافته و حساسیت اندازه گیری ها افزایش خواهد داشت. این پروژه با آزمایش Belle-2 واقع در پایگاه ژاپن که به تازگی شروع به کار کرده است تکمیل می شود. با وجود این آزمایش ها، چشم انداز های فوق العاده ای در زمینه عدم تقارن ماده و پادماده پیش رو خواهیم داشت.

پادماده هم چنین در مرکز تعداد دیگری از آزمایش ها قرار دارد. تمامی ذرات ضد اتم در کاهنده ضد پروتون واقع در CERN ساخته می شوند که  تعدادی ازمطالعات نیازمند اندازه گیری های دقیق را تغذیه می کند. آزمایش AMS-2 در ایستگاه بین المللی فضایی در جست و جوی پادماده منشأ گرفته از کیهان است. و هم چنین تعدادی آزمایش های در حال انجام یا در حال توسعه برای آینده این سوال را هدف قرار خواهند داد که آیا عدم تقارن ماده و پادماده در میان نوترینو ها نیز وجود دارد یا نه.

در حالیکه فعلا قادر به حل کامل معمای عدم تقارن ماده و پادماده در جهان نیستیم، کشف اخیر ما در را به سوی دوره ای از اندازه گیری های دقیق باز نموده است که پتانسیل پرده برداری از پدیده هم چنان ناشناخته را دارد. همه چیز به نفع این است تا خوش بین باشیم که فیزیک روزی قادر به توضیح این که اصلا چرا ما اینجاییم خواهد بود.