پادماده

PositronDiscovery.jpg
نابودی

در فیزیک نوین پادماده (به انگلیسی: Antimatter) ماده ای است که ذرات بنیادین و زیراتمی سازنده آن، از ذراتی به نام پادذره (یا جفت کوانتومی ذرات عادی) تشکیل شده است. پادذره‌ها در مدل استاندارد، به مفهومی مخالف ذرات زیراتمی تشکیل دهنده مواد قلمداد می‌شوند. و در برابر ذرات معمولی قرار می‌گیرند. میزان بسیار اندکی از ذرات پاد ماده به شکل روزانه در آزمایشگاه‌های شتاب‌دهنده ذرات تولید می‌شود. میزان پادماده تولید شده توسط این سامانه‌ها یا در موارد طبیعی مانند برخورد اشعه‌های کیهانی با جو زمین، یا واپاشی هسته‌ای از چند نانوگرم بیشتر نمی‌شود.[۱] و در روش‌های آزمایشگاهی از تمامی این تکنیک‌ها برای ایجاد پاداتم‌ها استفاده شده‌است. تاکنون به دلیل هزینه بسیار بالا، پیچیدگی تکنولوژیکی فراوان، و ناپایداری پادماده در مجاورت ماده، امکان ایجاد پادماده در اندازه‌های ماکروسکوپیکی فراهم نیامده است.

مدل استاندارد ذرات بنیادین شامل ذرات و پادذرات
Particles and antiparticles.svg

به لحاظ تئوری، یک ذره و پادذره مقابل آن (به عنوان مثال پروتون و پادپروتون) جرم یکسانی دارند، اما بار الکتریکی آنها مخالف یکدیگر است، همچنین دیگر اعداد و ویژگی‌های کوانتومی آنها نیز با یکدیگر متفاوت است. به عنوان نمونه، یک پروتون بار مثبت دارد درحالی که پادپروتون دارای بار منفی است.

برخورد هر ذره با پادذره متقابلش (جفت کوانتومی اش) (به عنوان مثال میون با پادمیون) به نابودی هر دو ذره منجر می‌شود و نتیجه این واکنش کوانتومی، افزایش سطح فوتون‌های پر انرژی(پرتو گاما) یا نوترینوها و در موارد معدودی ظهور جفتهای ذره-پادذره با جرم کمتر از ذرات اولیه در فیلد کوانتومی می‌شود. بیشترین میزان انرژی آزاد شده بر اثر نابودی ذرات، به شکل پرتوهای یونیزه کننده مانند گاما و ایکس نمود پیدا می‌کند. در صورت حضور مواد عادی در مجاورت این واکنش، حجم انرژی این تابش‌های پر انرژی به شکل گرما یا نور تغییر یافته و جذب می‌شوند. میزان انرژی آزاد شده در اغلب موارد با جرم کلی نابود شده (جرم ماده و پادماده) نسبت مستقیم دارد و بر اساس رابطه هم‌ارزی جرم و انرژی () قابل اندازه‌گیری است.[۲]

همان‌طور که از کنار هم قرار گرفتن ذرات زیر اتمی عادی اتم‌ها و در نتیجه اش مواد عادی شکل می‌گیرند، ذرات زیر اتمی پادماده نیز با هم دیگر ترکیب شده و منجر به ظهور پادماده می‌شوند. به عنوان مثال پوزیترون که پاد ذره الکترون در خانواده لپتونها محسوب می‌شود، می‌تواند در مجاورت یک پادپروتون تشکیل اتم پادهیدروژن را بدهند. تاکنون شرایط آزمایشگاهی امکان ایجاد هسته اتم پادهیلیوم را فراهم کرده‌است، که علاوه بر سختی فراوان این عمل، هسته این پادماده یکی از پیچیده‌ترین پاد هسته‌هایی بوده‌است که تاکنون مشاهده شده‌است.[۳] قوانین فیزیک تبیین می‌کنند که هسته‌های اتمی پادماده با پیچیدگی‌های بسیار بالاتر که می‌توانند به ایجاد جدول تناوبی پادماده‌ها (نقطه مقابل جدول تناوبی عناصر مواد عادی) منجر شود، امکان‌پذیر است.

شواهد بسیاری دال بر این هستند که کاینات قابل مشاهده تقریباً به شکل کامل از ماده عادی تشکیل شده‌است و این فرض که جهان از ترکیب یکسان ماده و پادماده تشکیل شده‌است اشتباه است.[۴] مسئله عدم برابری میزان ماده و پادماده در جهان قابل مشاهده یکی از مسایل بزرگ حل نشده علم فیزیک است.

تعاریف

از آنجایی که ماده «عادی» (یا ماده ای که پادماده نیست) دارای اعداد باریونی و لپتونی مثبت است، می‌توان به این تعریف دست یافت که پادماده ماده ای است که دارای اعداد باریونی و لپتونی منفی باشد.[۵][۶] ذرات بر اساس این روش طبقه‌بندی جفتهای پاد یکدیگر محسوب می‌شوند. به عنوان مثال، پوزیترون در برابر الکترون به عنوان جفت «پاد» آن قرار می‌گیرد.[۷]

تاریخچه ادراکی

در تئوری‌های مواد قدیمی تر ایده ماده منفی یا ماده خارق‌العاده مطرح شده بود اما امروزه دیگر کنار گذاشته شده‌اند. ویلیام هیکس در دهه ۱۸۸۰ با تکیه بر دیدگاه توصیف مکانیکی گرانش که در آن دوران مطرح بود، امکان وجود مواد با گرانش منفی را مورد بحث قرار داده بود. در بین سالهای ۱۸۸۰ تا ۱۸۹۰ کارل پیرسون ایده وجود «اسکورت» ها و همچنین سینک‌های جریان کیهانی اتر را مطرح کرد. بر مبانی این تئوری او، اسکورت‌ها نماینده ماده عادی، و سینک‌ها نماینده ماده منفی بودند. تئوری پیرسون نیاز به یک بعد چهارم برای گذار اتر داشت.

واژه پادماده یا «antimatter» برای اولین بار توسط آرتور شوستر در دو نامه غیررسمی به نیچر در سال ۱۸۹۸ مطرح شد. در این نامه‌ها او احتمال وجود پاداتم‌ها، و همچنین منظومه‌های ستاره ای که کاملاً از پاد ماده تشکیل شده‌اند، و نیز در مورد اینکه ماده و پاد ماده می‌توانند یکدیگر را کاملاً نابود کنند بحث می‌کرد. در آن زمان بیانات شوستر یک بیانیه علمی تئوری نبود، بلکه بیشتر جنبه کنجکاوی داشت و مانند ایده‌های پیشین، و از آنجایی که در مورد گرانش منفی صحبت می‌کرد با تئوری‌های پادماده مدرن و امروزی تفاوت داشت. دیراک فیزیکدان معروف در ۱۹۲۸ چنین استنباط کرد که همهٔ مواد می‌توانند در دو حالت وجود داشته باشند. وی در آغاز نظریهٔ خود را در مورد الکترون بیان کرد و اظهار داشت که باید ذراتی به نام ضد الکترون هم وجود داشته باشد. این گفته تحقق یافت و فیزیکدان آمریکایی کارل اندرسون در ۱۹۳۲ ضد الکترون یا پوزیترون را کشف کرد. پس از اکتشاف دیراک و اندرسون، سرانجام در اکتبر ۱۹۵۵ ایی لوگسلر، فیزیکدان اهل ایتالیا توانست در شتاب‌دهنده بیوترون در آزمایشگاهی در کالیفرنیا، پاد پروتون و یک سال بعد ۱۹۵۶ پاد نوترون را آشکار کند. اما دانشمندان پا را فراتر گذاشته و در پی ساخت پاد اتم و پاد مولکول برآمدند.

محل یافت پادماده

پاد ماده به‌طور طبیعی در زمین یافت نمی‌شود، به غیر از موارد بسیار نادر و با عمر بسیار کوتاهی که از نتیجه تباهی هسته‌ای و پرتوهای کیهانی به وجود می‌آیند؛ زیرا پاد ماده‌هایی که در زمین و خارج از آزمایشگاه‌های خاصی موجود می‌باشند با برخورد با مواد معمولی، متلاشی می‌شوند. پاد ذره‌ها و بعضی از پاد ماده‌های پایدار (مانند ضد هیدروژن)، می‌توانند به مقدار بسیار اندکی تولید شوند، ولی نه به اندازه‌ای که تمام خواص فیزیک-نظری آن‌ها را مورد آزمایش بتوان قرار داد. پادماده در تماس با هر نوع ماده‌ای از بین می‌رود و محققان برای نگهداری و به دام‌اندازی آن از یک قفس میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی به نام دام پنینگ استفاده می‌کنند.[۸]

واقعیت این است که کاربردهای عملی پادماده کماکان در محدوده علمی-تخیلی قراردارد. در حال حاضر نابودی پوزیترون توسط الکترون، کلید روشن تشخیص پزشکی است که تحت عنوان پرتونگاری تابش پوزیترون یا به اختصار PET شناخته می‌شود.

هزینه

با بهای تخمینی ۳۰ میلیارد دلار برای هر گرم پوزیترون و ۶۲٫۵ تریلیون دلار برای هر گرم پادهیدروژن، گفته می‌شود که پادماده پرهزینه‌ترین ماهیت شناخته شده‌است (قابل ارزش گذاری) که حتی از چندین ترلیون کیلوگرم الماس هم بیشتر ارزش دارد.

پادماده در فرهنگ مردمی

به عنوان نمونه در فیلم‌های:به سوی ستارگان یا فرشتگان و شیاطین و کتاب آن وفلش و کراس اور بحران در زمین‌های بینهایت به موضوع پادماده اشاره شده‌است.

منابع

  1. "Ten things you might not know about antimatter". symmetry magazine. Retrieved 2018-11-08.
  2. "Smidgen of Antimatter Surrounds Earth". 11 August 2011. Archived from the original on 26 September 2011.
  3. Agakishiev, H.; et al. (STAR Collaboration) (2011). "Observation of the antimatter helium-4 nucleus". Nature. 473 (7347): 353–356. arXiv:1103.3312. Bibcode:2011Natur.473..353S. doi:10.1038/nature10079. PMID 21516103. S2CID 118484566.
  4. Canetti, L.; et al. (2012). "Matter and Antimatter in the Universe". New J. Phys. 14 (9): 095012. arXiv:1204.4186. Bibcode:2012NJPh...14i5012C. doi:10.1088/1367-2630/14/9/095012. S2CID 119233888.
  5. Tsan, Ung Chan (2013). "Mass, Matter, Materialization, Mattergenesis and Conservation of Charge". International Journal of Modern Physics E. 22 (5): 1350027. Bibcode:2013IJMPE..2250027T. doi:10.1142/S0218301313500274. Matter conservation means conservation of baryonic number A and leptonic number L, A and L being algebraic numbers. Positive A and L are associated to matter particles, negative A and L are associated to antimatter particles. All known interactions do conserve matter.
  6. Tsan, U. C. (2012). "Negative Numbers And Antimatter Particles". International Journal of Modern Physics E. 21 (1): 1250005الگو:Hyphen1–1250005الگو:Hyphen23. Bibcode:2012IJMPE..2150005T. doi:10.1142/S021830131250005X. Antimatter particles are characterized by negative baryonic number A or/and negative leptonic number L. Materialization and annihilation obey conservation of A and L (associated to all known interactions).
  7. Dirac, Paul A. M. (1965). Physics Nobel Lectures (PDF). 12. Amsterdam-London-New York: Elsevier. pp. 320–325.
  8. Blaum, K.; Raizen, M. G.; Quint, W. (2014). "An experimental test of the weak equivalence principle for antihydrogen at the future FLAIR facility". International Journal of Modern Physics: Conference Series. 30: 1460264. Bibcode:2014IJMPS..3060264B. doi:10.1142/S2010194514602646. hdl:11858/00-001M-0000-001A-152D-1.
  • Tipler, Paul; Ralph Llewellyn (2002). Modern Physics, 4th ed. , W. H. Freeman. ISBN 0-7167-4345-0.
  • Dieter B. Herrmann: Antimaterie. Auf der Suche nach der Gegenwelt. 2. Auflage. Beck, München 2004, ISBN 3-406-44504-7