پادماده چیست و از چه ذراتی تشکیل شده است
پادماده، ماده ای متشکل از ذرات زیر اتمی است که دارای جرم ، بار الکتریکی و گشتاور مغناطیسی الکترون ها ، پروتون ها و نوترون های ماده معمولی هستند اما بار الکتریکی و گشتاور مغناطیسی در مقابل آنها دارای علامت مخالف است.برای شناخت کامل پادماده تا انتهای مقاله با مجله آندرومدامگ همراه باشید.
ذرات پادماده مربوط به الکترونها ، پروتون ها و نوترون ها را پوزیترون (e +) ، ضد پروتون (p) و آنتی نوترون (n) می نامند. در مجموع از آنها به عنوان پاد ماده یاد می شود. خصوصیات الکتریکی پادماده در مقابل مواد معمولی است ، پوزیترون دارای بار مثبت و ضد پروتون دارای بار منفی است. آنتی نوترون ، اگرچه از نظر الکتریکی خنثی است ، اما دارای یک لحظه مغناطیسی در مقابل نشانه نوترون است. ماده و پادماده بیش از کسری کوچک از ثانیه نمی توانند در فاصله نزدیک با یکدیگر همزیستی داشته باشند زیرا با یکدیگر برخورد کرده و منهدم می شوند و مقادیر زیادی انرژی را به صورت اشعه گاما یا ذرات بنیادی آزاد می کنند.
مفهوم پادماده ابتدا در تحلیل نظری دوگانگی بین بار مثبت و منفی بوجود آمد. فعالیت دیراک در مورد وضعیت های الکترون، وجود ذره ای را از هر لحاظ یکسان تلقی می کند یعنی با بار مثبت به جای بار منفی فعالیت ماده به عمل می آمد. چنین ذره ای به نام پوزیترون در ماده پایدار معمولی یافت نمی شود. با این حال ، در سال 1932 در میان ذرات تولید شده در فعل و انفعالات پرتوهای کیهانی در ماده کشف شد و بنابراین تأیید آزمایشی نظریه دیراک را ارائه داد.
امید به زندگی یا مدت زمان پوزیترون در مواد عادی بسیار کوتاه است. تا زمانی که پوزیترون خیلی سریع حرکت نکند ، با جاذبه بین بارهای مخالف ، به یک الکترون معمولی نزدیک می شود. برخورد بین پوزیترون و الکترون منجر به ناپدید شدن همزمان آنها می شود ، جرم های آنها (متر) مطابق با رابطه انرژی و انرژی انیشتین E = mc2 ، که c سرعت نور است ، به انرژی (E) تبدیل می شوند. این فرآیند نابودی نامیده می شود و انرژی حاصل از آن به صورت اشعه گاما (γ) ، و انرژی کوانتومی و انرژی الکترومغناطیسی با انرژی زیاد ساطع می شود. واکنش معکوس γ → e + + e− نیز می تواند در شرایط مناسب پیش برود و فرآیند ایجاد الکترون-پوزیترون یا تولید جفت نامیده می شود.
نظریه دیراک پیش بینی می کند که الکترون و پوزیترون ، به دلیل جذب بارهای مخالف کولن ، با هم ترکیب می شوند و یک حالت محدود میانه را ایجاد می کنند ، درست همانطور که الکترون و پروتون با هم ترکیب می شوند و یک اتم هیدروژن تشکیل می دهند. به سیستم مقید e + e− پوزیترونیوم گفته می شود. نابودی پوزیترونیوم با اشعه گاما مشاهده شده است. نیمه عمر اندازه گیری شده آن به جهت گیری دو ذره بستگی دارد و مطابق با آنچه از نظریه دیراک محاسبه شده است به ترتیب 10-10-7-10 ثانیه است.
معادله موج دیراک همچنین رفتار هر دو پروتون و نوترون را توصیف می کند و بنابراین وجود ذرات ضد ذره آنها را پیش بینی می کند. با بمباران پروتون ها با پروتون ها ، می توان ضد پروتون ها را تولید کرد. اگر انرژی کافی در دسترس باشد یعنی اگر پروتون حادثه دارای انرژی جنبشی حداقل 5.6 گیگا الکترون الکترون ولت (GeV; 109 eV)باشد – ذرات اضافی جرم پروتون مطابق فرمول E = mc2 ظاهر می شوند. چنین انرژی هایی در دهه 1950 در شتاب دهنده ذرات به نام بواترون در برکلی ، کالیفرنیا در دسترس قرار گرفت. در سال 1955 تیمی از فیزیکدانان به سرپرستی اوون چمبرلین و امیلیو سگر مشاهده کردند که ضد پروتئین ها در اثر برخورد با انرژی زیاد تولید می شوند. آنتی انترون ها نیز با مشاهده نابودی آنها در ماده و در نتیجه انتشار تابش الکترومغناطیسی با انرژی بالا ، در بواترون کشف شدند.
با کشف پادپروتون(ضد پروتون) ، انبوهی از ذرات جدید زیر اتمی نیز کشف شده بود. اکنون همه این ذرات به عنوان ضد ذرات مربوط شناخته شده اند. بنابراین ، میونهای مثبت و منفی ، پی مزونهای مثبت و منفی ، و مزونهای K و ضد مزونهای K ، به علاوه یک لیست طولانی از باریونها و آنتی بارین ها وجود دارد. عمر بیشتر این ذرات تازه کشف شده بسیار کوتاه است و نمی توانند با الکترون ها ترکیب شوند. استثنا میون مثبت است که همراه با الکترون مشاهده شده است که یک اتم مویونیوم تشکیل می دهد.
در سال 1995 فیزیکدانان در سازمان تحقیقات هسته ای اروپا (CERN) در ژنو اولین آنتی اتم ، همتای پاد ماده یک اتم معمولی را ایجاد کردند در این مورد ، آنتی (پاد)هیدروژن ، ساده ترین آنتی یا پاد اتم ، متشکل از یک پوزیترون در مدار اطراف هسته ضد پروتون. آنها این کار را با شلیک ضد پروتون از طریق جت گاز زنون انجام دادند. در میدان های الکتریکی قوی اطراف هسته های زنون ، برخی از ضد پروتون ها جفت الکترون و پوزیترون ایجاد می کنند. در نتیجه چند پوزیترون تولید می شود و سپس با ضد پروتون ها ترکیب می شود و ضد هیدروژن تشکیل می شود. هر آنتی اتم قبل از اینکه با ماده معمولی تماس پیدا کند و نابود شود ، فقط حدود 40 میلیاردیم ثانیه زنده مانده بود. از آن زمان CERN مقادیر بیشتری آنتی هیدروژن تولید کرده که می تواند 1000 ثانیه طول بکشد. مقایسه طیف اتم آنتی هیدروژن با طیف هیدروژن به خوبی مطالعه شده می تواند تفاوت های کمی بین ماده و ضد ماده را آشکار کند ، که این امر می تواند پیامدهای مهمی برای نظریه های شکل گیری ماده در جهان اولیه داشته باشد.
در سال 2010 فیزیکدانان با استفاده از برخورد دهنده یون سنگین نسبی (Relativistic Heon Ion Collider) در آزمایشگاه ملی بروخاون در آپتون ، نیویورک ، از یک میلیارد برخورد بین یون های طلا برای ایجاد 18 مورد از سنگین ترین آنتی اتم ، هسته آنتی هلیم -4 ، استفاده کردند که شامل دو ضد پروتون و دو ضد مغز است. از آنجایی که آنتی هلیم -4 در برخورد هسته ای به ندرت تولید می شود ، تشخیص آن در فضا توسط ابزاری مانند طیف سنج مغناطیسی آلفا در ایستگاه فضایی بین المللی به معنای وجود مقادیر زیادی ضد ماده در جهان است.
اگرچه پوزیترون ها به راحتی در برخورد پرتوهای کیهانی ایجاد می شوند ، اما شواهدی مبنی بر وجود مقادیر زیادی ضد ماده در جهان وجود ندارد. به نظر می رسد کهکشان راه شیری کاملاً از ماده تشکیل شده است ، زیرا هیچ نشانه ای برای مناطقی که ماده و ضد ماده با یکدیگر ملاقات می کنند و از بین می رود ، تولید اشعه گاما مشخص نیست. به نظر می رسد این مفهوم که ماده کاملاً بر ضد ماده در جهان غلبه دارد با نظریه دیراک در تضاد است ، که با پشتیبانی آزمایش نشان می دهد که ذرات و ذرات همیشه در تعداد مساوی از انرژی ایجاد می شوند. (به تولید جفت الکترون-پوزیترون مراجعه کنید.) شرایط انرژی جهان اولیه باید تعداد مساوی از ذرات و ضد ذرات را ایجاد کرده باشد. با این حال ، از بین بردن متقابل جفت های ذره و ضد ذره چیزی جز انرژی باقی نمی گذارد.
در جهان امروز ، فوتون ها (انرژی) با یک میلیارد عامل از پروتون ها (ماده) بیشتر هستند. این نشان می دهد که بیشتر ذرات ایجاد شده در جهان اولیه توسط ضد ذرات نابود شده اند ، در حالی که از هر یک میلیارد ذره ، هیچ یک از ذرات مطابقت ندارد و بنابراین برای تشکیل ماده مشاهده شده در ستاره ها و کهکشان ها زنده مانده است. عدم تعادل ریز بین ذرات و پادذرات در اوایل جهان به عنوان عدم تقارن ماده و ماده ضد ماده نامیده می شود و علت آن همچنان یک معمای بزرگ حل نشده برای کیهان شناسی و فیزیک ذرات است.
یک توضیح ممکن این است که این شامل پدیده ای است که به عنوان نقض CP شناخته می شود ، که باعث ایجاد تفاوت جزئی اما قابل توجهی در رفتار ذراتی به نام مزون های کا و ضد ذرات آنها می شود. این توضیح برای عدم تقارن در سال 2010 اعتبار یافت ، زمانی که نقض CP در فروپاشی مزون های B مشاهده شد ، ذراتی سنگین تر از مزون های K هستند و بنابراین می توانند بیشتر عدم تقارن را حساب کنند.