ناتقارنی در عالمی سراسر متقارن| چرا وجود داریم؟

خبرگزاری علم و فناوری آنا- هدا عربشاهی: مفهوم تقارن در فیزیک نقشی اساسی دارد، به‌ویژه در مکانیک کوانتومی که مسئول توصیف پدیده‌هایی است که در سطح بی‌نهایت کوچک، یعنی در سطح هسته‌ای و زیرهسته‌ای رخ می‌دهند. می‌توان گفت که تقارن در همه چیز وجود دارد و بیشتر شبیه شوخی به‌نظر می‌رسد اگر بگوییم در جهانی که همه قوانین حاکم بر آن نتیجه تقارن است، یک ناتقارنی اساسی می‌تواند وجود داشته باشد که میان بخشی از ماده و پادماده‌اش رخ می‌دهد. زیرا اگر میان کل ماده و پادماده تقارن وجود داشت، این دو همدیگر را خنثی می‌کردند و عالم مدت کوتاهی پس‌از شکل‌گیری ناپدید می‌شد؛ اما امروزه با مشاهده هرآنچه در عالم دیده می‌شود ازجمله خودمان نه‌فقط می‌دانیم که گیتی همچنان وجود دارد که می‌دانیم درحال انبساط است؛ بنابراین، هنوز مقدار قابل توجهی از ماده در عالم هست که با پادماده‌اش خنثی و نابود نشده است. کیهان‌شناسان برای توضیح علت حضور این ماده باقی‌مانده نشان داده‌اند که ناتقارنی میان بخشی از ماده و پادماده موجب می‌شود که مقداری از ماده باقی بماند.

***

زمانی که مِهبانگ رخ داد، به‌طرزی ضروری مقدار یکسانی از ماده و پادماده تولید شد. این موضوع را می‌توان امروزه در شتاب‌دهنده‌های ذرات تایید کرد. در بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌های ذرات برای مثال در برخورددهنده بزرگ هادرون (ال‌اچ‌سی) نابودی یک الکترون با پادذره‌اش، پوزیترون، حالتی نهایی را ایجاد می‌کند که از نظر کمیت ماده و پادماده کاملا متقارن‌اند.

اثبات متقارن‌بودن عالم، نخستین‌بار، با اصطلاح تابش زمینه کیهانی ارائه شد که تابشی الکترومغناطیسی است که کل عالم را پوشانده و طیف جسم سیاهی با دمای حدود ۳ درجه کلوین دارد و از فوتون‌ها تشکیل شده است. فوتون‌هایی که در تکامل اولیه عالم در اثر نابودی ذرات با پادذراتشان به‌وجود آمده‌اند. این فوتون‌ها در آن زمان بسیار پرانرژی بودند؛ اما مسیر طولانی‌ای که طی حدود ۱۴میلیارد سال زندگی پیموده‌اند، به‌دلیل انبساط عالم پس‌از مِهبانگ سبب شده این فوتون‌ها «سرد» و کم‌انرژی شوند. همچنین باید گفت که ما، ناظران ساخته‌شده از ماده، اجازه ورود به عالمی کاملاً متقارن را نداریم! و این فقط فوتون‌ها هستند که می‌توانند مجوز ورود به عالم متقارن را داشته باشند که در آن، تمام ذرات دارای جرم احتمالا از همان ابتدا تحت فرآیند نابودی قرار گرفته‌اند؛ اما ما وجود داریم و سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها هم همین‌طور.

خلاصه آنکه، ماده وجود دارد. این بدان معنی است که بخشی از ذرات ماده زنده مانده‌اند. باوجوداین، اگر این ذرات ماده را بشماریم، می‌بینیم که تعدادشان به‌شدت کم است: یک پروتون به‌ازای ۱۰۰میلیون فوتون. اما همین تعداد اندک ماده که ما از آن حاصل شده‌ایم سبب شده که تقارن میان ماده و پادماده نقض شود، و البته این داده‌ها می‌توان نتیجه گرفت که نقض تقارن ماده و پادماده باید بسیار جزئی و اندک باشد. درواقع، ذرات ماده باقی‌مانده به‌روشی متفاوت از پادذرات- هرچند به‌شدت غیرمحسوس- رفتار می‌کنند. این روش متفاوت را می‌توان در رفتار میان ذرات و پادذرات مربوط به خواص مزدوج بار (C) و پاریته (P) مشاهده کرد. رفتار متفاوتی که نقض سی‌پی نامیده می‌شود.

نقض بار- پاریته

تا نیمه قرن بیستم در فیزیک کلاسیک تصور می‌شد تمام عملکردهای در طبیعت به‌روش آینه‌ای انجام می‌شوند یعنی قوانین حاکم بر آینه: و در ذره‌ای که به سمت راست حرکت می‌کند همان قوانین حاکم بر ذره‌ای وجود دارد که به سمت چپ حرکت می‌کند. به این عملکرد، تقارن پاریته (تقارن پی) می‌گویند که تقارنی گسسته‌ است و همین مسئله برای تقارن دیگری به نام مزدوج بار هم صدق می‌کند و تا پایان دهه 1950 همه بر این باور بودند که بر تقارن سی‌پی هیچ خدشه‌ای وارد نمی‌شود و تصور می‌شد ذره‌ مقابل آینه همانند پادذره‌اش رفتار می‌کند؛ اما دو فیزیکدان آمریکایی به‌نام‌های جیم کرونین و وال فیچ به این تابو حمله کردند و درنهایت، این شجاعت و تابوشکنی آنها پاداش گرفت و جایزه نوبل فیزیک ۱۹۸۰ را برایشان به ارمغان آورد. آن دو در آزمایش‌هایشان نشان دادند که حدود ۰.۲درصد از واپاشی مزون‌های کائون خنثی، تقارن را نقض می‌کند، به‌بیانی ساده، در این ۰.۲ درصد، ماده با پادماده‌اش نابود نمی‌شود و باقی می‌ماند. همه از این کشف حیرت کردند و نتایج این آزمایش موجب شد که کیهان‌شناسان در آن‌زمان اعلام کنند که شاید این عدم تقارن بتواند علت باقی‌ماندن ماده را در عالم توضیح دهد.

پادماده چیست؟

تصور کنید روزی با فردی در پوست و استخوان روبه‌رو می‌شوید که کاملا شبیه تصویرتان در آینه است، عاقلانه است که سعی نکنید انگشت اشاره دست راست خودتان را به انگشت اشاره دست چپ او بچسبانید. کسی چه می‌داند شاید به‌محض این تماس، هر دو ناگهان با جرقه شدیدی منفجر شوید، زیرا هیچ بعید نیست که این همزاد معکوس شما از پادماده تشکیل شده باشد و از جایی آمده باشد که در آنجا به‌جای تمام ذرات بنیادی تشکیل‌دهنده ماده معمولی که ما را احاطه کرده است، یعنی کوارک‌هایی که پروتون‌ها و نوترون‌های هسته اتم را تشکیل می‌دهند و الکترون‌هایی که دور آنها می‌چرخند، خویشاوندانِ دارای جرم و اسپین یکسان اما با بار الکتریکی مخالفشان حضور دارند. یعنی پادالکترون‌هایی که به‌دلیل بار مثبتی که دارند معمولا پوزیترون نامیده می‌شوند و پادکوارک‌ها.

وجود پادماده در محیط اطراف ما بسیار نادر و گریزان است: پوزیترون‌ها می‌توانند در اثر کنش پرتوهای کیهانی یا در واپاشی هسته‌های اتمی رادیواکتیوی تولید شوند؛ اما باتوجه به اینکه وقتی یک پوزیترون با یک الکترون برخورد می‌کند، این زوج ماده و پادماده همدیگر را خنثی می‌کنند و درنتیجه از بین می‌رود، بیشتر وقت‌ها این زوج به فوتون‌های پرانرژی (کوانتای نور) یا همان پرتو ایکس تبدیل می‌شود.

این پدیده امروزه کاربرد مهمی در تشخیص پزشکی پیدا کرده است و توموگرافی گسیل پوزیترون یا PET نامیده می‌شود. در این روش، هسته‌های رادیواکتیو به مولکول‌های داروها گره می‌خورند و به‌لطف تشخیص پرتوهای ایکس ناشی‌از نابودی زوج ماده و پادماده می‌توان این مولکول‌ها را داخل بدن ردیابی کرد.

تولید بوزون هیگز به‌لطف پادماده

پادماده را می‌توان در شتاب‌دهنده‌های بزرگ هم تولید کرد و از این پادماده تولیدشده به‌نوبه خود در تولید ذرات دیگری چون بوزون معروف هیگز که در سال ۲۰۱۲ در برخورددهنده بزرگ هادرون (ال‌اچ‌سی) در سرن ژنو به‌عنوان محصول برخورد پروتون‌ها و پادپروتون‌ها با انرژی بسیار بالا مشاهده شد، استفاده کرد.؛ اما برای تولید پادماده فراوان، به استفاده از ماشین‌های بزرگ نیاز نیست به‌طوری‌که در سال ۲۰۱۵، پژوهشگرانی به سرپرستی جان‌لوکا سَرّی از دانشگاه بلفست ایرلند با مشارکت محققان مرکز ملی پژوهش‌های ایتالیا از یک شتاب‌دهنده رومیزی با جریان الکترونیکی شدید متکی بر یک لیزر با قدرت بسیار بالا برای تولید پلاسمایی مخلوط از بیش‌از ۱۰میلیون پوزیترون و الکترون استفاده کردند.

پلاسمای الکترون‌ها و پوزیترون‌ها احتمالاً جو ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها را تشکیل می‌دهند؛ بنابراین تولیدشان در آزمایشگاه قادر است بستری آزمایشی را برای مطالعه فیزیک محیط‌های «افراطی» در عالم دوردست فراهم کند. در این چشم‌انداز، لیزرهای فوق‌شدید می‌توانند الکترون‌ها و پوزیترون‌ها را از خلأ تولید کنند که طبق فیزیک کوانتومی، مملو از جفت‌های الکترون-پوزیترون «مجازی» است که بی‌آنکه مشاهده شوند پدید می‌آیند و فورا ناپدید می‌شوند و میدان الکترومغناطیسی عظیم ناشی‌از پالس‌های این لیزر فوق‌شدید می‌تواند این جفت‌ها را پیش‌از نابودی‌شان از هم جدا و آبشاری از پلاسمای پوزیترونی الکترونی تولید کند.