بعد از دو دهه آزمایشات گوناگون، دانشمندان شاغل در آزمایش ALPHA در آزمایشگاه سرن بالاخره طیف نور ساطع شده توسط پادماده را مشاهده کردند، و بالاخره پژوهش طولانی مدت آنها در زمینه ذره به نتیجه رسید.

گویا آی تی – آلن کاستلکی، فیزیکدان نظری از دانشگاه ایندیانا، که خود در این تحقیق شرکت نداشت، به سایت NPR می گوید،” بعد از چندین دهه تلاش برای ایجاد پادماده و مقایسه خواص آن با ماده، این اتفاق یک نقطه تاریخی است. ”
به گفته جِفری هَنگست، سخنگوی پروژه ALPHA، ” استفاده از لیزر برای مشاهده حرکت در پادهیدروژن و مقایسه آن با هیدروژن برای فهمیدن این که آیا آنها از قوانین فیزیکی مشابه پیروی می کنند، همیشه هدف اصلی در پژوهش های پادماده بوده است.”
پادماده چیز عجیبی است. آن از پادذرات دارای جرم مشابه با ذرات عادی، اما دارای بارهای مخالف، اعداد لپتونی و اعداد باریونی تشکیل شده است (لپتون ها و باریون ها ذرات زیر اتمی هستند). همان طور که از نام آنها مشخص است آنها مشابه هم هستند اما دقیقاً مخالف ماده عادی قرار دارند. در واقع آنها همانند انعکاس در آینه هستند. ما می دانیم که پادماده وجود دارد، ما آن را در آزمایشگاه مشاهده کرده ایم، اما چرا کیهان از ماده پر شده است و حدس زده می شود که تقریباً به طور کامل خالی از پادماده باشد. حقیقت این است که تولید پادماده در آزمایشگاه آنقدر سخت و پر هزینه است که کار تحقیق و مطالعه بر روی این ماهیت اسرارآمیز را دشوار می کند. با این وجود، نظریه ذرات مدرن پیش بینی می کند که هر ذره در کیهان دارای پادذره معکوس خود است. این یکی از بزرگ ترین مسائل حل نشده در فیزیک است.

طیف پادماده
اتم ها از الکترون هایی تشکیل شده اند که به دور هسته می چرخند. وقتی الکترون ها حرکت می کنند نور را در فرکانس های مختلف ساطع و جذب می کنند، که نشان دهنده طیف اتم است. هر عنصر دارای طیف خاص خود است که از طریق آن قابل شناسایی است و مطالعه این طیف ها (که طیف نمایی نامیده می شود) کاربردهای متعددی در علوم شیمی، فیزیک و نجوم دارد. اما این درباره پادماده چگونه است؟
در آزمایش ALPHA (دستگاه فیزیک لیزری پادهیدروژن) در آزمایشگاه سرن، حدود ۱۴ اتم پادهیدروژن به دام انداخته شد و سپس با لیزر متلاشی شدند تا نوع نوری که جذب می کنند مشاهده شود. ALPHA یک آزمایش منحصر به فرد است که قادر است اتم های پادهیدروژن را تولید کرده و آنها را در یک تله مغناطیسی با طراحی ویژه نگه دارد و به طور هم زمان در پاد اتم ها کمی تغییر ایجاد کند. به تله انداختن اتم های پادهیدروژن باعث می شود بتوان آنها را با استفاده از لیزر یا منابع تابشی دیگر مطالعه کرد.
هَنگست می گوید، “حرکت دادن و به دام انداختن پاد پروتون ها یا پوزیترون ها ساده است زیرا آنها ذرات بارداری هستند. اما وقتی این دو را با هم ترکیب کنیم به پادهیدروژن خنثی می رسیم که به دام انداختن آن بسیار دشوار است، بنابراین با در نظر گرفتن این حقیقت که پادهیدروژن دارای خاصیت مغناطیسی اندکی است، ما یک تله مغناطیسی بسیار خاص طراحی کرده ایم.”

همانطور که ما انتظار داشتیم (و امیدوار بودیم که این گونه باشد)، این طیف پادهیدروژن با طیف هیدروژن یکسان بود.
تیم ثارپ از ALPHA در گفتگو با رایان مَندلبام از سایت Gizmodo می گوید، ” مدت ها تصور بر این بود که پادماده یک انعکاس دقیق از ماده است و ما در حال جمع آوری شواهدی هستیم که نشان دهیم این موضوع درست است.”
به این دلیل می گویم امیدوار بودیم زیرا اگر این طیف ها یکسان نبودند می توانست به این معنی باشد که بسیاری از موضوعاتی که امروزه تصور می کنیم درست هستند – مانند نظریه بیگ بنگ و نسبیت خاص انیشتین – اشتباه از آب در می آمدند. نسبیت خاص اشاره می کند که اگر دو ناظر با سرعت نسبی به سمت هم حرکت کنند یک ماهیت واحد به نام فضا- زمان برای آنها به دو بخش فضا و زمان تقسیم می شود. یکسان بودن این طیف ها بدین معناست که تئوری نسبیت یک آزمایش دیگر را با موفقیت پشت سر گذاشته است. اما پژوهشگران از قبل برنامه ریزی کرده اند تا پادماده بیشتری را تولید کرده و آن را با یک نوع لیزر متفاوت متلاشی کنند تا طیف های بیشتری را مشاهده نمایند.
فیزیک ذرات یک دنیای پیچیده و عجیب است و ما صرفاً در حال حاضر این شانس را پیدا کرده ایم تا نظریه های ارائه شده در دهه های گذشته را آزمایش کنیم. با توجه به این حقیقت که درستی این نظریه ها در حال اثبات شدن است، و این که پژوهشگران شواهد زیادی در درستی این نظریه ها یافته اند، می تواند گواهی باشد بر ذهن های درخشان و نبوغ افرادی که به رشد علم در این حوزه کمک کرده اند.

این سیم الکتریکی چیست، برق برای مورچه ها؟ دانشمندان با استفاده از قطعات ریز الماس به نام الماس واره ها، باریک ترین سیم برق ممکن را تولید کرده اند که فقط ۳ اتم قطر دارد.

گویا آی تی – این سیم، که همانند یک لگوی مولکولی در مقیاس نانو است، از رشته ای از الماس واره های متصل به اتم های سولفور و مس تشکیل شده است و روش منحصر به فرد اتصال آنها می تواند برای تولید پارچه هایی به کار رود که به سادگی از طریق حرکت الکتریسیته تولید می کنند.
هاوو یان، پژوهشگر دانشگاه استنفورد می گوید، ” چیزی که ما در اینجا نشان داده ایم این است که ما می توانیم سیم های ریز و رسانا را در کوچک ترین ابعاد ممکن بسازیم به طوری که می توانند اساساً خودشان را مونتاژ کنند. این فرآیند یک پیوند ساده تک نقطه ای است. عناصر روی هم انباشته می شوند و سپس بعد از نیم ساعت می توانید نتیجه را مشاهده کنید. این کار تقریباً به گونه ای است که انگار الماس واره ها می دانند به کجا می خواهند بروند. ”

در انیمیشن زیر می توانید منظور آقای یان را متوجه شوید. الماس واره ها که در مایعات نفتی ایجاد می شوند، ساختارهایی قفس مانند هستند که از کربن و هیدروژن ساخته شده اند.
این الماس واره ها از طریق نیروی های واندروالسی به شدت به هم جذب شده اند و به دلیل این جذب شدن هر الماس با الماس مجاور خود در یک زنجیره اتصال برقرار می کند.
وقتی این قفس ها به یک اتم مس یا سولفور متصل شوند اتصال بین الماس واره ها یک ساختار سیم مانند متحرک را شکل می دهد.
پژوهشگر فِی هاو لی می گوید، ” آنها همانند بلوک های لگو فقط با روش های خاصی با هم چفت می شوند که این به واسطه اندازه و شکل آنها تعیین می شود. اتم های مس و سولفور هر بلوک در وسط به هم متصل می شوند و هسته رسانای سیم را تشکیل می دهند و الماس واره های بزرگ تر نیز در قسمت بیرونی به هم متصل می شوند و پوسته عایق را شکل می دهند.”

این اولین باری نیست که پژوهشگران بر روی تولید نانوسیم های با توانایی هدایت جریان الکتریکی کار می کنند، اما طبق اعلام این گروه پژوهشی این زنجیره الماس واره با قطر سه اتم کوچک ترین ساختار ممکن است.
نیکولاس ملوش، یکی از اعضای این گروه به سایت IEEE Spectrum می گوید، “روش های خود مونتاژ مولکولی دیگری نیز امتحان شده اند، اما ایجاد تعادل برهم کنشی دقیق بین نیروهای جذب کننده و نیروهای دفع کننده برای دستیابی به ابعاد مورد نظر در این روش ها بسیار دشوار است. دستیابی به یک “هسته جامد” با سه اتم قطر ایده آل است. این هسته به اندازه کافی کوچک است تا بتواند عملکرد منحصر به فردی را از خود نشان دهد، اما آن می تواند دارای نقص ها یا تنش های اندکی باشد زیرا هنوز یک مسیر برای عبور الکترون ها وجود دارد. ”
پژوهشگران اکنون در حال آزمایش جایگزین کردن مواد جدید به جای مس و سولفور هستند تا امکان تولید انواع دیگری از نانوسیم ها با این روش را بررسی کنند.
آنها تاکنون فلزاتی مانند کادمیوم، روی، آهن و نقره را بررسی کرده اند. آنها همچنین در حال آزمایش اشکال دیگری از قفس های شبکه ای مانند کربوران ها به جای الماس واره ها هستند.
بسته به نوع مولکول های مورد استفاده ما در هسته سیم، ما به سطوح مختلفی از رسانایی دست پیدا خواهیم کرد که می تواند در آینده کاربردهای گسترده ای داشته باشد، برای مثال، تولید سیم های بسیار ریز برای دستگاه های الکتریکی یا مواد فوق رسانا که به واسطه ساختار پیچیده مولکولی خود الکتریسیته را بدون هیچگونه اتلافی انتقال دهند.
کاربرد دیگر آن می تواند تولید دستگاه های انرژی پیزوالکتریکی باشد که از حرکت الکتریسیته تولید می کنند. با به کار بردن مقدار کافی از این نانوسیم ها در لباس ها ما می توانیم به بدون اتصال به شبکه برق عمومی میزان جریان الکتریکی مورد نیاز خود را دریافت کنیم.

ملوش در یک گفتگوی رسانه ای اشاره می کند، ” شما می توانید روزی را تصور کنید که این پارچه ها برای تولید انرژی بافته می شوند. این روش برای ما یک جعبه ابزار همه کاره فرآهم می کند که ما به واسطه آن می توانیم با تست عناصر و شرایط آزمایشگاهی مختلف مواد جدید تولید کنیم، به طوری که دارای خصوصیات الکتریکی دقیق و قوانین فیزیکی جذاب باشند.”