پاد ماده و دامی برای آن

اصول تقارن و قوانین نظریه کوانتومی همه حکایت از آن دارند که برهم‌کنش میان پادذره‌ها، اساساً همانند برهم‌کنش میان ذرات است. از نتایج اکید قضیه معروف CPT یکی هم تساوی جرم هر ذره با جرم پادذره متناظر است. به اعتبار این اصول تقارن، ایجاد پاداتم – اتمی که در آن به جای الکترون، پروتون و نوترون پادذره‌های آن‌ها قرار گرفته باشد – باید امکان‌پذیر باشد. گرچه آزمایش تا کنون مؤید تقارن ذره – پادذره بوده، و حتی هسته‌های پاددوتریوم و پادهلیوم 3 در آزمایشگاه ساخته شده است، ولی تحقیق بر قراری اکید برخی از اصول تقارنی نیازمند دقتی بسیار بیشتر است.
فیزیک‌دانان برای آنکه بتوانند پادماده را به دقت بررسی کنند، نخست باید آن را کند کنند و حتی متوقف سازند. انرژی و سرعت پادذراتی که از شتاب‌گرهای عظیم کنونی خارج می‌شود، بسیار زیاد است. ایجاد پادپروتون به تعداد زیاد، به وسیله شتاب‌گرهای پرتوان پروتونی سبب شده است که مسئله کند کردن این ذرات فکری عملی و مفید شمرده شود. از این رو در آزمایشگاه سرن در ژنو دستگاهی ساخته شده است موسوم به حلقه پادپروتون‌های کم انرژی (LEAR) که پادپروتون‌هایی با چندین جیگا الکترون ولت انرژی را سرد می‌کند و انرژی آن‌ها را به 3ر21 مگاالکترون ولت می‌رساند. اخیراً گروهی متشکل از پژوهشگران دانشگاه واشینگتن (سیاتل)، فرمی لب (ایلینویز) و دانشگاه ماینتس (آلمان)، در سرن موفق شده‌اند این پادپروتون‌ها را به دام بیندازند.
در این آزمایش، پادپروتون‌هایی که از LEAR خارج می‌شوند نخست از تنزل دهنده‌ای گذرانده می‌شوند که از بریلیوم ساخته شده است. در تنزل دهنده پادپروتون‌ها با الکترون‌ها برخورد می‌کنند و انرژی خود را از دست می‌دهند. در این میان بیشتر از نیمی از پاد پروتون‌ها از میان می‌روند و بقیه، انرژی‌شان تا حدود 1 کیلو الکترون ولت کاهش می‌یابد. کسر کوچکی از این پاد پروتون‌ها باقیمانده اس که در نوع مخصوصی تله پنینگ به دام انداخته می‌شود.
تله پنینگ متشکل از سه الکترود است. هر الکترود استوانه‌ای است تخلیه شده، که میدانی مغناطیسی در امتداد محور آن اعمال شده است. پادپروتون‌های کم انرژی مسیرهایی مارپیچی حول خطوط میدان می‌پیمایند. سه الکترود را به ترتیب کلاهک‌های ورودی، میانی و خروجی می‌نامند. وقتی پاد پروتون وارد تله می‌شود، کلاهک‌های ورودی و میانی به زمین وصل‌اند (پتانسیل صفر) و پتانسیل کلاهک خروجی 3000 ولت است. پادپروتون‌هایی که انرژی‌شان کمتر از 3 کیلو الکترون ولت است، وقتی به ناحیه کلاهک خروجی می‌رسند، برگردانده می‌شوند. پس از 3000 نانو ثانیه، قبل از آنکه پادپروتون‌ها به انتهای دیگر تله برسند، پتانسیل کلاهک ورودی به 3000 ولت سقوط می‌کند. بدین طریق پادپروتون‌ها به تله می‌افتند. در نخستین دوره مقدماتی آزمایش، پادذره‌ها به مدت ده دقیقه در تله ماندند. آزمایشگران امیدوارند که این زمان را بسیار طولانی‌تر کنند. برای خارج کردن پادپروتون‌ها کافی است پتانسیل کلاهک خروجی صفر شود. آزمایش در دمای 11 کلوین و تقریباً در خلأ کامل انجام می‌گیرد.
نخستین آزمایشی که طرح کامل آن ریخته شده است و سال آینده انجام خواهد شد، اندازه‌گیری جرم پادپروتون و مقایسه آن با جرم پروتون است. اندازه شعاع انحنای مسیر ذره باردار در میدان مغناطیسی به جرم ذره بستگی دارد. از این رو مقایسه مسیر پروتون‌ها و پادپروتون‌ها اندازه‌گیری مستقیم و بسیار دقیق نسبت جرم‌های لختی این دو ذره را میسر می‌سازد. آزمایشگران امیدوارند که از این راه به دقتی صدها بار بیش از دقت ارقام موجود دست یابند، و این آزمون با اهمیتی برای ناوردایی CPT به شمار می‌رود.
آزمایش دیگری که می‌توان با پادپروتون‌های بدام افتاده انجام داد، ساختن پادهیدروژن است. برای این کار باید پوزیترون‌های کم انرژی را با پادپروتون‌های بدام افتاده آمیخت. آنگاه می‌توان تحقیق کرد که: آیا ساختمان پادهیدروژن دقیقاً تصویر آینه‌ای هیدروژن است؟ آیا سقوط پادماده (یه صورت اتم‌های خنثای پادهیدروژن) در میدان گرانش درست مانند سقوط ماده است؟
حوزه تحقیق دیگر، مطالعه برهم‌کنش قوی پادپروتون – پادپروتون و پاد پروتون است. بدین طریق می‌توان شدت این برهم‌کنش‌ها را با برهم‌کنش‌های پروتون – پروتون مقایسه کرد و دقت تقارن بار در برهم‌کنش‌های قوی را تحقیق کرد.