نظریه سی پی اچ بر اساس تعمیم سرعت نور از انرژی به ماده بنا شده است.
سی پی اچ در ژورنالها
|
پادماده كيهانى
|
||||||||||||
|
ترجمه: احسان لطفى جورج تارله- سيمون اسوردى
در ،۱۹۲۸ فيزيكدان انگليسى پل آدريان موريس ديراك (P.AM.Dirac) وجود ضدماده را پيش بينى كرد. ديراك مدعى شد كه براى هر ذره مادى، ضدذره اى به همان جرم ولى با بار مخالف وجود دارد. از پيوند اين ضدذره ها، ضداتم پديد مى آيد و ضداتم ها مى توانند ضدماده هايى متناظر با اجسام دنياى مادى بسازند. يعنى مثلاً ضدستاره ها، ضدكهكشان ها و حتى ضدانسان ها. ماجرا به همين جا ختم نمى شود. اگر يك ذره مادى با ذره اى از ضدماده برخورد كند، هر دو ناپديد مى شوند و در مقابل يك پرتو پرانرژى گاما توليد مى شود. به زبان تراژيك تر، اگر يك انسان و ضدانسان با هم دست بدهند، انرژى حاصل از انفجار و ناپديد شدنشان چيزى معادل هزار انفجار هسته اى يك مگاتنى خواهد بود. هر كدام از اين بمب ها، براى نابودى كامل يك شهر كوچك كفايت مى كند. ادعاى ديراك حرف غريبى بود، اما اثباتش فقط ۴ سال طول كشيد. يعنى وقتى كه در ۱۹۳۲ كارل دى اندرسون (Carl D. Anderson) فيزيكدان كلتك، اولين پادذره را شناسايى كرد. وقتى اندرسون از يك اتاقك ابر براى بررسى پرتوهاى كيهانى (ذرات بسيار پرانرژى كه به طور پيوسته از فضا زمين را بمباران مى كنند) استفاده مى كرد، مسيرى را ديد كه به وسيله ذره اى با جرم الكترون اما بار مخالف آن (يعنى مثبت) ايجاد شده بود. اين موجود را (كه در واقع متناظر پادذره اى الكترون بود) پوزيترون نام گذاشتند. پيدا كردن پادپروتون ها سخت تر بود و بالاخره در ،۱۹۵۵ فيزيكدان هاى آزمايشگاه لارنس بركلى از يك شتاب دهنده براى توليد آنها استفاده كردند. در ۱۹۹۵ هم پژوهشگران سرن (آزمايشگاه و شتاب دهنده عظيم اروپا واقع در نزديكى ژنو) توانستند با كنار هم گذاشتن پوزيترون ها و پادپروتون ها در يك شتاب دهنده براى مدت زمان بسيار كوتاهى پادهيدروژن بسازند.
دانشمندان در سال هاى اخير آشكارسازهاى پيچيده اى براى جست وجوى پادماده لابه لاى پرتوهاى كيهانى ساخته اند. از آنجا كه اين پرتوها بعد از برخورد با هسته مولكول هاى هوا نابود و تجزيه مى شوند محققان مجبورند آشكارسازهايشان را به رقيق ترين مناطق در دسترس جو زمين بفرستند. ما هم درگير يكى از همين آزمايش ها هستيم، يعنى تلسكوپ پادماده پرانرژى (HEAT) كه سوار بر بالون هاى مستقر در ارتفاع زياد دنبال پادپروتون هاى احتمالى موجود بين پرتوهاى كيهانى مى گردد. آشكارسازهاى مهم ديگرى هم هست كه بعضى با چرخش در فضا به جست وجويشان ادامه مى دهند. نتايج اين آزمايش ها مى تواند كليدهايى به سوى فهم منشاء پادماده باشد يا حتى معلوم كند كه پادستاره ها و پادكهكشان ها واقعاً وجود دارند يا خير. اخترفيزيكدانان فكر مى كنند كه بيشتر پادذره هاى مشاهده شده در اتمسفر بالايى نتيجه برخوردهاى شديد ذرات زيراتمى در فضاى بين ستاره اى هستند. ماجرا وقتى آغاز مى شود كه ميدان مغناطيسى موج ضربه اى ناشى از يك انفجار ابرنواخترى پروتون يا يك هسته اتمى سنگين تر را در فضاى بين ستاره اى تا سرعت هاى بسيار زياد شتاب مى دهد. اگر اين هسته (كه حالا يك پرتو كيهانى پرانرژى به حساب مى آيد) با يك ذره بين ستاره اى ديگر برخورد كند، بخشى از انرژى پرتو كيهانى مى تواند به يك زوج ذره- پادذره تبديل شود.
• يك سطل پرتو كيهانى بعضى از اين برخوردها، به توليد زوج هاى پيون مى انجامد. پيون ها ذرات ناپايدارى هستند كه به سرعت واپاشى مى كنند و به پوزيترون، الكترون، نوترينو و آنتى نوترينو تبديل مى شوند. پرانرژى ترين برخوردها، يعنى آنها كه شامل ذراتى با سرعت نزديك به نور هستند، زوج هاى پروتون- پادپروتون به وجود مى آورند. اين فرآيند، عكس فرآيند نابودى ماده- پادماده است: به جاى تبديل ماده به انرژى، انرژى به شكل ماده درمى آيد. با اين حال تعداد پادذره هاى خلق شده در برخوردهاى بين ستاره اى نسبتاً اندك است و مثلاً در پرتوهاى كيهانى كه به وسيله HEAT مشاهده شده است، تعداد ذرات بسيار بيشتر از پادذرات است. براى اينكه درك بهترى از دشوارى آشكارسازى پادماده به دست بياوريد، سطلى پر از پيچ هاى فولادى در نظر بگيريد كه در آن ۱۰۰ پيچ عادى راست گرد (الكترون هاى موجود در پرتوكيهانى) و ۱۰ پيچ چپ گرد (پوزيترون هاى پرتوكيهانى) وجود دارد. پرتوهاى كيهانى، غير از اين، حاوى پروتون هم هستند كه بار الكتريكى مشابه پوزيترون ها دارد اما بسيار سنگين تر است. اينها را مى توان با اضافه كردن ده هزار پيچ چپ گرد بزرگ به سطل خيالى بالا نشان داد. حالا تك تك پيچ هاى چپ گرد را بايد وزن كرد تا پروتون يا پوزيترون بودنش مشخص شود و وزن كشى را هم بايد بسيار به دقت انجام داد. چون اگر در هر هزار پروتون، فقط يكى با پوزيترون اشتباه گرفته شود، تعداد پوزيترون هاى مشاهده شده، دو برابر خواهد شد.
تلسكوپ
HEAT
كه خطايى كمتر از يك در صدهزار دارد) از يك آهنرباى ابررسانا و
آرايه اى از آشكارسازها براى تشخيص پوزيترون بهره مى گيرد. بعد از
اينكه پرتوهاى كيهانى از درون يك دريچه جمع كننده عبور كردند ميدان
مغناطيسى آهنربايى ابررسانا، الكترون هاى منفى را به يك سو و
پروتون ها و پوزيترون هاى مثبت را به سوى ديگر منحرف مى كند. تلسكوپ و ابزارهاى HEAT را براى اولين بار، بالن علمى تحقيقاتى سازمان هوانوردى و فضانوردى آمريكا (ناسا) در ۱۹۹۴ از پايگاهى در نيومكزيكو به هوا فرستاد. با وجود اينكه كل ابزار چيزى حدود ۲۳۰۰ كيلوگرم وزن دارد، يك بالن غول پيكر هليومى توانست آن را تا ارتفاع ۳۷ كيلومترى سطح زمين (يعنى بالاتر از 99/5 درصد اتمسفر) بالا ببرد. HEAT طى ۳۲ ساعت به اندازه گيرى و سنجش پرتوهاى كيهانى پرداخت و سپس به كمك چتر در پانهاندل تگزاس فرود آمد. ناسا يك بار ديگر در سال ۱۹۹۵ HEAT را از مكانى در مانيتوباى كانادا به هوا برد و در اين پرواز دوم آشكارساز توانست پوزيترون هاى كم انرژى تر را هم يعنى پوزيترون هايى كه فقط در نزديكى قطب هاى شمال و جنوب مغناطيسى زمين مى توانند به درون ميدان مغناطيسى نفوذ كنند، مشاهده كند.
نتايج حاصل از اين دو پرواز، كاملاً اميدواركننده از كار درآمد. تعداد پوزيترون هاى كم انرژى كه HEAT موفق به ثبت شان شد، به عدد مورد انتظار بسيار نزديك بود. با اين حال آشكارسازها در قسمت پرانرژى، پوزيترون بيشترى نسبت به آن چه پيش بينى مى شد، ثبت كردند. اين مازاد البته خيلى زياد نيست و مى تواند ناشى از خطاهاى احتمالى باشد. اما اگر آن را واقعى تصور كنيم، نشان دهنده وجود منبع ناشناخته اى از پوزيترون هاى پرانرژى در كيهان است كه ذره سنگين درگير در برهم كنش هاى ضعيف (WIMP) يكى از نامزدهاى احتمالى آن به حساب مى آيد. اين ذره فرضى، يكى از راه حل هاى مسئله بغرنج ماده تاريك هم هست. اخترفيزيكدان ها براى توضيح آهنگ مشاهده شده چرخش هاى كهكشانى، اين فرضيه را مطرح مى كنند كه هر كهكشان در هاله عظيمى از ماده تاريك قرار گرفته كه با ابزارهاى معمولى نمى توان آنها را رصد كرد. WIMP فرضى مى تواند نامزد مناسبى براى اين ماده تاريك باشد، چون هيچ نور يا گونه ديگرى از امواج الكترومغناطيسى از خودش گسيل نمى كند. اگر WIMP ها با چگالى پيش بينى شده وجود داشته باشند، برخوردهاى بين آنها تعداد قابل توجهى پوزيترون پرانرژى توليد مى كند و اين فرآيند مى تواند توجيهى براى مازاد مشاهده شده به وسيله HEAT باشد. اما پيش از همه اندازه گيرى هاى آينده HEAT يا گروه هاى ديگر، بايد اين مازاد را با دقت بيشترى تاييد كند. وقتى پرتوهاى كيهانى را به دنبال پوزيترون زيرورو مى كرديم، دانشمندان ديگر به كار دشوارترى مشغول بودند: شكار پادپروتون. پادپروتون ها از پوزيترون ها كمياب ترند چون جرم شان حدود دو هزار برابر آنها است و بنابراين مقدار انرژى بسيار بيشترى براى توليدشان لازم است. مثلاً پروتون هاى بين ستاره اى بايد با سرعت هاى بالاتر از ۹۹درصد سرعت نور به هم برخورد كنند تا يك زوج پروتون- پادپروتون توليد شود. آشكارسازهاى پادماده، مثل IMAX آزمايش ايزوتوپى ماده- پادماده) يا BESS آزمايش بالنى با طيف سنج سولنوئيدى ابررسانا)، حداكثر يك پادپروتون به ازاى هر ده هزار پروتون موجود در باران پرتوهاى كيهانى پيدا كرده اند. كميابى اين پادذره ها، دانشمندان جست وجوگر را مجبور مى كنند تا براى اجتناب از شمارش هاى نادرست، دقت فوق العاده اى به كار برند. آشكارسازهاى استفاده شده براى اين كار بايد خطايى كمتر از يك قسمت در ميليون داشته باشد.
• به دنبال پادجهان ها اولين جست وجوى گسترده براى پيدا كردن مقادير بيشترى از پادماده كيهانى را فيزيكدانى به نام لوئيس و. آلوارز (Luis W. Alvarez) در دهه ۱۹۶۰ آغاز كرد. آلوارز در پرتوهاى كيهانى دنبال پادذره هاى سنگين مثل هسته پادهليوم يا پادكربن يا پاداكسيژن گشت. برخلاف پوزيترون ها و پادپروتون ها، اين پادذره هاى سنگين پرجرم تر از آنند كه از برخوردهاى ذرات بين ستاره اى حاصل شوند. بنابراين كشف يك هسته پادهليوم ثابت مى كند كه مقدارى پادماده از انفجار بزرگ باقى مانده است. همين طور، پيدا شدن يك پادكربن يا پاداكسيژن دليلى است بر وجود پادستاره ها، چون كربن و همه عناصر سنگين تر فقط در ستاره ها به وجود مى آيند.
بيشتر اخترفيزيكدانان بخت چندانى براى وجود پادستاره ها قائل نيستند. هر چند كه نور يك پادستاره هيچ تفاوتى با نور يك ستاره معمولى ندارد. اما پادستاره خواه ناخواه با ذرات مادى معمولى كه از فضاى بين ستاره اى به طرفش روانه مى شوند، برخورد مى كند و نابودى ماده- پادماده حاصل به توليد شار عظيمى از پرتوهاى گاما مى انجامد. آشكارسازهاى مدارى (واقع در مدار زمين)، پرتوهاى گاماى كم انرژى را ثبت كرده اند كه نشان دهنده نابودى مقدار زيادى از پوزيترون در حوالى مركز كهكشان ما است. با اين حال، دانشمندان هنوز معتقد نيستند كه اين پوزيترون ها متعلق به يك پادستاره اند، چون در اين صورت تابش حاصل به صورت چشمه موضعى پرقدرتى از پرتوهاى گاماى بسيار پرانرژى تر مشاهده مى شد. اين واقعيت كه هيچ آشكارسازى تا به حال چنين چشمه اى را ثبت نكرده است، يعنى هيچ پادستاره اى در كهكشان وجود ندارد و به همين ترتيب از پادكهكشان ها هم در خوشه كهكشانى محلى ما خبرى نيست. دورتر چطور؟ شايد جهان ما شامل پادكهكشان هاى منزوى باشد كه فاصله هاى خالى بزرگ، آنها را از كهكشان هاى مادى معمولى جدا كرده است. در دهه گذشته، ستاره شناسان نقشه هاى بزرگ و مفصلى از توزيع كهكشان ها تا فاصله چند ميليارد سال نورى تهيه كرده اند و در اين نقشه ها هيچ منطقه منزوى و جداگانه اى كه بتواند ساخته پادماده ها باشد، ديده نمى شود. اگر مناطق بزرگى از جهان، ساخته پادماده بود، آنجا كه ماده و پادماده كنار هم قرار مى گرفت مقادير عظيمى پرتو گاما در روزهاى اوليه تاريخ جهان آزاد مى كرد. اما ستاره شناسان تا به حال چنين تابش قدرتمندى را در پس زمينه مشاهده نكرده اند. پادكهكشان ها (اگر وجود داشته باشند) بايد جايى فراتر از برد بهترين تلسكوپ هاى ما (يعنى حداقل چند ميليارد سال نورى) باشند. غير از اين، كيهانشناسى جديد، دليلى هم براى اينكه چرا جهان مى تواند تقريباً به كل ساخته ماده معمولى باشد، ارائه مى كند. طبق پذيرفته شده ترين نظريه ها، انفجار بزرگ در اولين لحظه آفرينش مقدار ماده اى كه توليد كرد، كمى بيشتر از پادماده بود. اين پديده نتيجه اى بود از يك بى تقارنى كوچك در قوانين فيزيك كه با نام «نقضCP شناخته مى شود و در آزمايشگاه هم مشاهده شده است. به اين ترتيب به ازاى هر ۳۰ ميليارد ذره پادماده خلق شده در جريان انفجار بزرگ، ۳۰ ميليارد و يك ذره مادى به وجود آمد. حدود يك ميليونيم ثانيه بعد از انفجار بزرگ، ذرات شروع به نابودى پادذرات كردند تا جايى كه تنها ماده معمولى باقى ماند. اين مازاد اندك (يك قسمت در ۳۰ ميليارد) البته همچنان آن قدر زياد بود كه بتواند جهان كنونى ما را بسازد. هرچند كه اين نظريه وسوسه كننده به نظر مى آيد اما بعضى از دانشمندان به جست وجو براى پادذرات سنگين ادامه داده اند. آنها همچنان معتقدند كه مناطق بزرگى از پادماده وجود دارد و هسته هاى پاد ماده سنگين كه با سرعتى نزديك به سرعت نور حركت مى كنند مى توانند فاصله هاى عظيم را طى كنند و به كهكشان ما برسند. در دهه هاى ۱۹۶۰ و ،۱۹۷۰ آلوارز و دانشمندان ديگر با استفاده از آشكارساز ها، ده ها هزار ذره كيهانى را به دنبال يك پادذره سنگين جست وجو كردند. آزمايش هاى جديد تر، همين كار را با ميليون ها ذره انجام دادند. اما با همه اين تلاش ها، هيچ پاد ذره اى سنگين تر از پاد پروتون مشاهده نشد.
البته مى شود فرض كرد كه پادكهكشان هاى دور، پاد ذره هاى سنگين
تابش مى كنند اما ميدان هاى مغناطيسى موجود در فضاى بين كهكشانى،
جلوى رسيدن آنها به زمين را مى گيرد. اندازه گيرى هاى اخير تابش
سينكروترون عبورى از خوشه هاى كهكشانى نشان داده است كه شدت ميدان
مغناطيسى درون چنين خوشه هايى حدود يك ميليونيم شدت ميدان مغناطيسى
روى سطح زمين است. از آنجايى كه اين ميدان ها احتمالاً ضمن پيدايش
خوشه ها تا هزار بار تقويت شده اند، اختر فيزيكدان ها احتمال
مى دهند كه ميدان بين كهكشان هاى دور از هم، فقط يك ميليارديم
ميدان زمين است. اما مرد مست قدم هايش را در راستاهاى تصادفى برمى دارد و بنابراين پيشرفت اندكى نصيبش مى شود و شايد بعد از يك سال هم به خانه نرسد. از طرف ديگر اگر ميدان هاى مغناطيسى بين كهكشانى همدوس باشد خطوط ميدان مى تواند تقريباً مستقيم از يك كهكشان به كهكشان ديگر برسد. در اين وضعيت پادذره ها فاصله بين كهكشان هاى مجاور را از طريق بزرگراه هاى مغناطيسى كيهانى به طول چند ميليون سال نورى مى پيمايند. البته مسيرشان همچنان مسير مستقيم مرد هوشيار نيست، بلكه از كهكشانى به كهكشان ديگر مى پرند. درست مثل اينكه كسى ولگرد مست داستان ما را از يك پيچ تا پيچ بعدى هدايت كند اما چون در تقاطع ها، به طور تصادفى مى پيچد همچنان پيشرفت كمى دارد. در اين وضعيت، پادذره ها فقط مى توانند چندصد ميليون سال نورى از نقطه شروعشان دور شوند. حتى اگر به اندازه تمام عمر جهان براى سفر وقت داشته باشند و اين فاصله بسيار كمتر از ميلياردها سال نورى فاصله احتمالى تا نزديك ترين پاد كهكشان ممكن است.حتى اگر چنين پادذره اى با يك معجزه به كهكشان ما نزديك شود ممكن است به زمين نرسد. چون ميدان مغناطيسى درون كهكشان به مراتب شديد تر از ميدان بيرونى است و اكثر پاد ذره هايى را كه به سوى داخل كهكشان مى روند منحرف مى كند. مرد مست بداقبال داستان ما بالاخره به خانه رسيده است اما كليد در را پيدا نمى كند.
• پرواز هاى آينده هرچند كه پيدا شدن پاد ذره هاى سنگين در كهكشان ما، بسيار بعيد به نظر مى رسد، اما جست وجو همچنان ادامه دارد. وزارت انرژى آمريكا از طرحى براى قرار دادن يك آشكارساز پاد ماده در مدار زمين حمايت مى كند. اين ابزار كه طيف سنج مغناطيسى آلفا (AMS) نام دارد، در درجه اول به دنبال هسته پادماده هاى سنگين مى گردد. AMS از پايگاه فضايى بين المللى پرتاب شد و كارش را از سال ۲۰۰۲ آغاز كرد و حدود ۳ سال طول كشيد. با توجه به چنين زمان طولانى تابش دهى، AMS اساساً حساسيتى حدود صدبرابر حساسيت آشكار سازهاى پادماده قبلى دارد. مشكل واقعى تضمينى وجود سطح برابرى براى دقت در تشخيص ذره و پادذره است. آشكارساز براى تشخيص يك پادذره سنگين از صدميليون ذره پس زمينه اى بايد انحراف هر ذره در ميدان مغناطيسى را به دقت اندازه بگيرد. دقيق ترين تجهيزات مستقر بر بالن ها ۱۵ يا تعداد بيشترى اندازه گيرى انجام مى دهد تا انحراف ذره هاى پرسرعت را تعيين كند. AMS براى اين كار فقط شش اندازه گيرى انجام مى دهد. ابزار ديگرى كه پادماده كيهانى را از مدار مشاهده كرد، پاملا (PAMELA) نام دارد كه در سال ۲۰۰۰ از مركز فضايى روسيه در بايكونور به فضا پرتاب شد. پاملا با استفاده از يك سيستم كه بسيار پيچيده تر از AMS است به جست وجوى پوزيترون ها و پادپروتون ها و همچنين پادهسته هاى سنگين پرداخت. تجهيزات بالنى ديگرى نيز براى جست وجوى پادماده كيهانى در شرف ساخت است. براى مثال نسخه تازه اى از آشكارساز HEAT ساخته مى شود كه به جست وجوى پادپروتون هاى با انرژى زياد مى پردازد. اميدواريم كه با افزايش زمان استقرار آشكارساز در ارتفاع، اندازه گيرى مان را بهبود بخشيم. ناسا بالن هايى ساخته است كه در ارتفاع بالا پرواز مى كند و مى تواند ۱۰ تا ۲۰ روز در مسيرى دايره اى بر فراز قطب جنوب حركت كند. گروه زيرمدارى جزيره والوپس ناسا نيز در حال ساخت بالن هاى سبك وزنى است كه مى تواند بيش از صد روز پرواز كند.جست وجو به دنبال پادماده در كيهان، پيچ و خم هاى زيادى را پشت سر گذاشته است. انگيزه اولين آزمايش ها، تقارن بود يعنى اثبات اينكه مقدار ماده و پادماده در جهان برابر است. البته نتايج، از يك بى تقارنى عظيم خبر داد. آشكارسازهاى پادذره، فقط تعداد كمى پوزيترون و پادپروتون در پرتوهاى كيهانى مشاهده كردند و هيچ اثرى هم از پادذره هاى سنگين تر پيدا نشد. ممكن است پادستاره ها و پادكهكشان ها همچنان جايى، ميلياردها سال نورى آن طرف تر از كهكشان ما در انتظار كشف باشند. اما پادذره هاى سنگين اين مناطق دوردست، تقريباً بختى براى رسيدن به زمين ندارند و بنابر اين جست وجو براى يافتن آنها احتمالاً كار عبثى به نظر مى آيد. با اين حال، كاويدن پرتوهاى كيهانى براى يافتن پوزيترون و پادپروتون، ممكن است به كشف ماهيت ماده تاريك (يكى از رازهاى بزرگ اختر فيزيك) كمك كند. لااقل فيزيكدان ها اميدوارند كه اين اتفاق بيفتد.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 |
|
Sub quantum space and interactions from photon to fermions and bosons |
|
نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی |
آرشیو موضوعی
|
|
از آغاز کودکی به پدیده های فیزیکی و قوانین حاکم بر جهان هستی کنجکاو بودم. از همان زمان دو کمیت زمان و انرژی بیش از همه برایم مبهم بود. می خواستم بدانم ماهیت زمان چیست و ماهیت انرژی چیست؟