رمزگشایی ماده خیالیِ پاد ماده توسط دانشمندان علم فیزیک

/در , , , , , , , , , , , , /توسط

دانشمندان مرکز تحقیقاتی سرن برای اولین بار درون پاد ماده را رمز گشایی کردند. پاد ماده چیزی بیش از یک مفهوم علمی تخیلی است که دانشمندان را در مسیر علم می راند. در واقع این ماده یک عضو واقعی و بسیار کوچک در عالم هستی است. در حالی که پاد ماده بسیار نادر است اما در شرایط مناسب می تواند وجود داشته باشد. اطلاعات در خصوص نحوه رفتار پاد ماده ابزار قدرتمندی در خصوص آزمایش مدل استاندارد در فیزیک ذرات که ما هم اکنون از آن برای درک بهتر نیرو هایی که در نحوه رفتار ذرات موثر هستند استفاده می کنیم، ارائه می کند.

پاد ماده نخستین بار در سال ۱۹۲۸ توسط فیزیکدان انگلیسی پاول دیراک پیش بینی شد. او پیشنهاد کرد که هر یک از ذرات ماده می بایست که پاد ماده مرتبط با خود داشته باشند. این پاد ماده ها در همه جوانب کاملا مشابه با  همتای ذره ای شان هستند به غیر از بار شان. به عنوان مثال، پاد ماده ی الکترون دارای بار منفی، آنتی الکترون بار مثبت که پازیترون نیز نام دارد می باشد. هنگامی که ماده و پاده رو به روی یکدیگر قرار می گیرند آن ها یک دیگر را نابود کرده و تنها یک انرژی را باقی می گذراند. انفجار بزرگ ( بیگ بنگ) می بایست تعداد برابری از ماده و ضد ماده به جای گذاشته باشد اما امروزه جهان ما توسط ماده احاطه شده است و مقدار بسیار کمی از پاد ماده باقی مانده است. درک این موضوع قدمی عظیم در درک بهتر منشا و تکامل جهان هستی می باشد. با این حال، پاد ماده ای که به صورت طبیعی به وجود می آید  اغلب به سرعت پس از رویارویی با ماده جهان از بین می رود. هم اینک، فیزیک دان های ذره ای هر از گاهی می توانند در مرکز کاهنده ضد پروتونی سرن به صورت موقت پاد ماده را برای تحقیقات تولید کنند، که همین موضوع منجر به رسیدن به دستاورد های نوینی در خصوص رفتار و مشخصه های پاد ماده شده است.

پادماده

در مقاله ای که اخیرا توسط Nature  منتشر شده است، بخش ALPHA مرکز سرن اخیران اعلام کرده است که موفق شده است خط طیفی اتم پاد هیدروژن را اندازه گیری کند. این نتیجه بدست آمده در اثر ۲۰ سال تحقیق و تلاش است و از طریق لیزری برای مشاهده انتقال اتمی ۱S-2S در پاد هیدروژن بدست آمده است. در محدودیت های آزمایش، نتایج بدست آمده توسط ALPHA این انتقال در هیدروژن و پادهیدروژن کاملا مشابه است، این شرایط در مدل استاندارد ذکر شده است. اگر این انتقال ها با یکدیگر متفاوت بودند، درک فعلی ما از علم فیزیک بهم میریخت.

انتقال ۱S-2S یکی از انتقال هاییست که در طیف هیدروژنی وجود دارد. هنگامی که الکترون ها توسط تابشی به نام “ریزش” از سوی درجات بالاتر انرژی در اتم به سمت درجات پایین تر انرژی ساتع می شود یک طیف ایجاد می شود. این پروسه در طول موج های دقیقی تولید انرژی می کند. هر یک از عناصر طیفی منحصر به خود تولید می کند که مانند اثر انگشتی برای هرکدام است. منجمان اغلب از این طیف ها برای تعیین ترکیب یک شی بر اساس نوری که تولید می کند استفاده می کنند.

برای دیدن انتقال ۱S-2S در پاد هیدروژن، تیم ALPHA نخست می بایست آنتی اتم تولید کرده و آن ها را پایدار نگه دارد که به هیچ وجه کار آسانی نبود. دستور العمل ALPHA برای ساخت پاد هیدروژن شامل ترکیب پلاسما های شامل پاد پروتون و پوزیترون ها بوده است که منجر به ساخت پاد هیدروژن شوند.  پاد اتم های حاصله  به صورت مغناطیسی به دام می افتند تا برای آزمایش استفاده شوند. از تعداد اولیه ۹۰ هزار پاد پروتون، محققان موفق شدند  ۲۵ هزار اتم آنتی هیدروژن تولید کنند و از میان  آن ها در هر مرحله تنها ۱۴ آنتی اتم به دام افتادند. با تاباندن نور به اتم های پاد هیدروژن توسط لیزر تا دقیقا همان مقدار انرژی لازم به آن منتقل شود تا انتقال صورت گیرد، محققان توانستند انتشار بدست آمده را مشاهده کنند تا در آن به دنبال تفاوت در قیاس با هیدروژن معمولی بگردند.

نتایج بدست آمده به همراه نتایجی که از دیگر آزمایش های انجام شده توسط ASACUSA و BASE انجام گرفتند نشان دهنده پیش رفت چشمگیر سرن در زمینه تحقیقات پاد ماده هستند.

آیا تا پیش از این، با مفهوم پاد ماده آشنا بوده اید؟ نظر خود را در باره این مطلب علمی با گویا آی تی در میان بگذارید و این مقاله را برای علاقمندان علم فیزیک و اختر فیزیک بر روی شبکه اجتماعی نشر دهید.

منبع:astronomy.com

یک ابرکامپیوتر وزن اسرارآمیز ترین ماده جهان را مشخص کرد

/در , , , , , , , , , , , , , , /توسط

به تازگی یک ابرکامپیوتر موفق شده تا وزن نخستین کاندیدای اسرار آمیز ترین ماده جهان را مشخص کند. این ماده ۱۰ میلیارد مرتبه سبک تر از یک الکترون است.

گویا آی تی – تقریباً ۹۵ درصد از هستی و هر چیز درون آن از ماده تاریک و انرژی تاریک ساخته شده اند – چیزهایی که باید در حالت استاندارد فیزیکی باشند تا قابل درک باشند، اما هیچ کس نمی داند آنها واقعاً چه هستند.
اما یک ابرکامپیوتر شاید بداند، زیرا دانشمندان به تازگی از یکی از این ابرکامپیوترها استفاده کرده اند تا یک طرح کلی از ذراتی که می توانند ماده تاریک را شکل دهند ترسیم کنند و برای اولین بار این ابرکامپیوتر توانست وزن یک اکسیون (axion) را پیش بینی کند – اکسیون یک ذره فرضی است که کاندیدای نخست ماده گمشده در جهان محسوب می شود.
در نهایت دانشمندان از وزن تخمین زده شده اخیر یک اکسیون – ۱۰ میلیارد بار سبک تر از یک الکترون – می توانند در جستجوی یک کاندیدا برای ماده تاریک استفاده کنند و پژوهشگران می گویند آن حتی می تواند به ما کمک کند تا شواهد آشکاری از آن را شناسایی کنیم.
آندرآس رینگ والد، یکی از اعضای تیم تحقیق از مرکز ملی پژوهش (DESY) در آلمان می گوید، ” دانستن این که ما در جستجوی چه نوع جسمی هستیم، می تواند برای یافتن این نوع شواهد بسیار مفید باشد. در غیر این صورت این جستجو می تواند دها سال طول بکشد، زیرا مجبور هستیم تا گستره بسیار وسیعی را بررسی کنیم. ”
رینگ والد و همکارانش تصمیم گرفتند تا بر روی اکسیون ها متمرکز شوند، زیرا آنها یکی از کاندیداهای نخست ماده تاریک هستند که هنوز باید از اسرار آنها پرده گشایی شود.
تصور بر این است که شکل ناشناخته ماده در هستی می تواند یا از چند ذره بسیار سنگین ساخته شده باشد و یا از ذرات بسیار سبک فراوان تشکیل شده باشد و اکسیون ها در دسته دوم قرار می گیرند.
فرض بر این است که اکسیون ها ذراتی با جرم پایین و با حرکت آرام باشند که هیچ باری ندارند و تعامل ضعیفی با ماده های دیگر برقرار می کنند.
این مسئله شناسایی آنها را دشوار می کند، اما با در نظر گرفتن این حقیقت که آنها ممکن است با ماده دیگری تعامل داشته باشند مسلماً باید ما را قادر سازد تا با استفاده از تجهیزات مناسب آنها را شناسایی کنیم – اگر بدانیم که باید به کجا نگاه کنیم.
اکسیون ها به عنوان کاندیدای نخست ماده تاریک شناخته می شوند به لطف گسترش کرومودینامیک کوانتومی، که یک تئوری کوانتومی است و تصور می شود نیروی قدرتمند اتمی را کنترل می کند – که یکی از چهار نیروی بنیادین جهان هستی است.
کرومودینامیک کوانتومی وجود یک ذره با تعامل بسیار پایین را پیش بینی کرده است که جرم آن به قدرت نوسانات کوانتومی در ساختار فضا – زمان بستگی دارد. اگر شما فکر می کنید که این مبهم به نظر می رسد و همانند یافتن سوزن در انبار کاه در مقیاس کوانتومی است، کاملاً درست فکر می کنید.
در این جا است که ابرکامپیوتر JUQUEEN (BlueGene/Q) در آلمان وارد بازی می شود. تیم تحقیقی نیازمند چیزی بود که بتواند تعداد متغیرهای بی شمار و دیوانه کننده مورد نیاز برای تشریح یک اکسیون را مدیریت کند.
این کامپیوتر پیش بینی کرد که اگر اکسیون ها واقعاً حجم عمده ماده تاریک را تشکیل داده باشند، آنها باید حجمی برابر با ۵۰ تا ۱۵۰۰ میکروالکترون ولت داشته باشند، که آنها را ۱۰ میلیارد مرتبه سبک تر از یک الکترون می کند.
این بدین معناست که اگر ماده به طور مساوی در هستی پراکنده شده بود، هر سانتیمتر مکعب از هستی به طور میانگین حاوی ۱۰ میلیون اکسیون می بود.
اما به نظر نمی رسد که ماده تاریک به طور مساوی در هستی پراکنده شده باشد – آن به صورت توده ای وجود دارد، مانند این کهکشان، که دارای ۹۹٫۹۹ درصد ماده تاریک است. این یعنی این که کهکشان راه شیری ما محتوی رقم بسیار بزرگ یک تریلیون اکسیون در هر سانتیمتر مکعب است.
پژوهشگران امیدوارند اکنون که محدوده جستجو را کم کرده اند علم فیزیک بتواند وجود یا عدم وجود اکسیون ها را یک بار برای همیشه اثبات کند.
زولتان فودور، یکی از اعضای گروه تحقیقاتی از دانشگاه Wuppertal آلمان می گوید، ” نتایجی که ما ارائه می کنیم احتمالاً به رقابت برای کشف این ذرات منجر خواهد شد. ”

این پژوهش در سایت Nature منتشر شده است.

یک ابرکامپیوتر وزن اسرارآمیز ترین ماده جهان را مشخص کرد

/در , , , , , , , , , , , , , , /توسط

به تازگی یک ابرکامپیوتر موفق شده تا وزن نخستین کاندیدای اسرار آمیز ترین ماده جهان را مشخص کند. این ماده ۱۰ میلیارد مرتبه سبک تر از یک الکترون است.

گویا آی تی – تقریباً ۹۵ درصد از هستی و هر چیز درون آن از ماده تاریک و انرژی تاریک ساخته شده اند – چیزهایی که باید در حالت استاندارد فیزیکی باشند تا قابل درک باشند، اما هیچ کس نمی داند آنها واقعاً چه هستند.
اما یک ابرکامپیوتر شاید بداند، زیرا دانشمندان به تازگی از یکی از این ابرکامپیوترها استفاده کرده اند تا یک طرح کلی از ذراتی که می توانند ماده تاریک را شکل دهند ترسیم کنند و برای اولین بار این ابرکامپیوتر توانست وزن یک اکسیون (axion) را پیش بینی کند – اکسیون یک ذره فرضی است که کاندیدای نخست ماده گمشده در جهان محسوب می شود.
در نهایت دانشمندان از وزن تخمین زده شده اخیر یک اکسیون – ۱۰ میلیارد بار سبک تر از یک الکترون – می توانند در جستجوی یک کاندیدا برای ماده تاریک استفاده کنند و پژوهشگران می گویند آن حتی می تواند به ما کمک کند تا شواهد آشکاری از آن را شناسایی کنیم.
آندرآس رینگ والد، یکی از اعضای تیم تحقیق از مرکز ملی پژوهش (DESY) در آلمان می گوید، ” دانستن این که ما در جستجوی چه نوع جسمی هستیم، می تواند برای یافتن این نوع شواهد بسیار مفید باشد. در غیر این صورت این جستجو می تواند دها سال طول بکشد، زیرا مجبور هستیم تا گستره بسیار وسیعی را بررسی کنیم. ”
رینگ والد و همکارانش تصمیم گرفتند تا بر روی اکسیون ها متمرکز شوند، زیرا آنها یکی از کاندیداهای نخست ماده تاریک هستند که هنوز باید از اسرار آنها پرده گشایی شود.
تصور بر این است که شکل ناشناخته ماده در هستی می تواند یا از چند ذره بسیار سنگین ساخته شده باشد و یا از ذرات بسیار سبک فراوان تشکیل شده باشد و اکسیون ها در دسته دوم قرار می گیرند.
فرض بر این است که اکسیون ها ذراتی با جرم پایین و با حرکت آرام باشند که هیچ باری ندارند و تعامل ضعیفی با ماده های دیگر برقرار می کنند.
این مسئله شناسایی آنها را دشوار می کند، اما با در نظر گرفتن این حقیقت که آنها ممکن است با ماده دیگری تعامل داشته باشند مسلماً باید ما را قادر سازد تا با استفاده از تجهیزات مناسب آنها را شناسایی کنیم – اگر بدانیم که باید به کجا نگاه کنیم.
اکسیون ها به عنوان کاندیدای نخست ماده تاریک شناخته می شوند به لطف گسترش کرومودینامیک کوانتومی، که یک تئوری کوانتومی است و تصور می شود نیروی قدرتمند اتمی را کنترل می کند – که یکی از چهار نیروی بنیادین جهان هستی است.
کرومودینامیک کوانتومی وجود یک ذره با تعامل بسیار پایین را پیش بینی کرده است که جرم آن به قدرت نوسانات کوانتومی در ساختار فضا – زمان بستگی دارد. اگر شما فکر می کنید که این مبهم به نظر می رسد و همانند یافتن سوزن در انبار کاه در مقیاس کوانتومی است، کاملاً درست فکر می کنید.
در این جا است که ابرکامپیوتر JUQUEEN (BlueGene/Q) در آلمان وارد بازی می شود. تیم تحقیقی نیازمند چیزی بود که بتواند تعداد متغیرهای بی شمار و دیوانه کننده مورد نیاز برای تشریح یک اکسیون را مدیریت کند.
این کامپیوتر پیش بینی کرد که اگر اکسیون ها واقعاً حجم عمده ماده تاریک را تشکیل داده باشند، آنها باید حجمی برابر با ۵۰ تا ۱۵۰۰ میکروالکترون ولت داشته باشند، که آنها را ۱۰ میلیارد مرتبه سبک تر از یک الکترون می کند.
این بدین معناست که اگر ماده به طور مساوی در هستی پراکنده شده بود، هر سانتیمتر مکعب از هستی به طور میانگین حاوی ۱۰ میلیون اکسیون می بود.
اما به نظر نمی رسد که ماده تاریک به طور مساوی در هستی پراکنده شده باشد – آن به صورت توده ای وجود دارد، مانند این کهکشان، که دارای ۹۹٫۹۹ درصد ماده تاریک است. این یعنی این که کهکشان راه شیری ما محتوی رقم بسیار بزرگ یک تریلیون اکسیون در هر سانتیمتر مکعب است.
پژوهشگران امیدوارند اکنون که محدوده جستجو را کم کرده اند علم فیزیک بتواند وجود یا عدم وجود اکسیون ها را یک بار برای همیشه اثبات کند.
زولتان فودور، یکی از اعضای گروه تحقیقاتی از دانشگاه Wuppertal آلمان می گوید، ” نتایجی که ما ارائه می کنیم احتمالاً به رقابت برای کشف این ذرات منجر خواهد شد. ”

این پژوهش در سایت Nature منتشر شده است.