پاد هیدروژن، هدف فیزیکدانها و شیمیدانها

رؤیای پاد ماده، از زمان کشف شدنش تا حالا، خواب راحت را از فیزیکدانها گرفته است. اولین جزء پاد ماده، پوزیترون، در سال 1932 میلادی پیدا شد و درست یک سال بعد، پاول دیراک به خاطر پیش بینی وجود این پاد ماده‌ی قرینه‌ی الکترون، در جایزه نوبل فیزیک با اروین شرودینگر شریک شد. اما تازگی و غرابت مطلب مانع این نشد که دیراک در سخن رانی نوبلش در باره وجود عوالمی متصل از پاد ماده نظر پردازی نکند. در واقع، او این مطلب را پیش کشید که شاید بیشتر ستاره‌هایی که شبها می‌بینیم از پاد ماده ساخته شده باشند.
ده‌ها سال از آن موقع گذشته و پاد ماده هنوز جذابیتش را برای فیزیکدانان و عموم مردم هم چنان حفظ کرده است. شیفتگان فیلمهای فضایی مشتریهای پر و پا قرص طرحهای تفصیلی رآکتور پاد ماده‌ای هستند که منبع انرژی سفینه انترپرایز است و در عالم واقع، شتاب دهنده‌های ذرات تقریباً برای هر ذره بنیادیاد ذره کم عمری تولید کرده‌اند که در رویارویی با قرینه خود در یک انفجار انرژی نابود می‌شود. حالا پژوهشگران دنیا آماده‌اند که قدم بعدی را به سوی عالم دیراک بردارند. هدف آنها ساختن نخستین اتم پاد ماده، یعنی پاد هیدروژن است.
اگر چه پاد هیدروژن بسیط‌ترین پاد اتم ممکن است، اما با تهیه این ماده فیزیکدانان می‌توانند بفهمند که آیا پاد ماده واقعاً آن طور که نظریه‌ها پیش گویی می‌کنند قرینه آینه‌ای ماده معمولی هست یا نه. یکی از فیزیکدانان نظری آزمایشگاه ملی لوس آلاموس می‌گوید «کسی منتظر نتایج عجیب و غریب نیست. مسأله انجام آزمایشهایی برای آزمودن قواعد بنیادی است». مثلاً این آزمایشها می‌توانند بارهای پروتون و پاد پروتون را، بهتر از آزمایشهایی که با پاد ذره‌های منفرد انجام می‌گیرد، مقایسه کنند. به علاوه، از این آزمایشها معلوم می‌شود که آیا سقوط پاد ماده تحت تأثیر نیروی ثقل با سقوط ماده تفاوت دارد یا نه، آزمایشی که انجام آن با یک پاد ذره‌ی منفرد مشکل است.
تا همین اواخر مطالعه پاد هیدروژن چیزی در حد یک فانتزی غیر عملی به حساب می‌آمد، زیرا نمی‌شد اجزاء پاد هیدروژن – پاد پروتون و پوزیترون – را گیر انداخت و وادارشان کرد که با هم به سر ببرند. اما پیش رفتهایی که در هر دو جبهه حاصل شد پژوهشگران را ترغیب کرده است که عملی بودن این فکر را دو باره بررسی کنند. دانیل کلپنر فیزیکدان انستیتو تکنولوژی ماساچوست بیان کرد: «چند سال پیش قضیه از بن خواب و خیال بود، حالا فقط کاری بی اندازه سخت است.»
یکی از موانع اصلی تهیه پاد هیدروژن، انرژی زیادی است که پاد پروتونها دارند؛ این ذرات از برخورد پروتونها با ماده در شتاب دهنده‌های ذرات تولید می‌شوند. پاد پروتونها وقتی به وجود می‌آیند سرعتی نزدیک به سرعت نور دارند. اما وقتی آنها را در حلقه‌های ذخیره‌ی مخصوص، مثل حلقه پاد پروتون کم انرژی سرن، گیر می‌اندازند بخش بزرگی از انرژیشان را گرفته‌اند تا حدود MeV6 کندشان کرده‌اند. اما حتی این قدر انرژی هم برای اغلب روشهای ساختن پاد پروتون زیاد است: چنین پاد پروتونهایی به سختی ممکن است به پوزیترون «بچسبند». جام ئیدزیکی از فیزیکدانان سرن گفت برای انجام آزمایشهای پاد هیدروژن باید انرژی آنها را تا حد میلی الکترون ولت کم کرد.
گروهی به رهبری جرالد گابریلز از دانشگاه هاروارد به انجام این کار موفق شد. کوششهایی که به این منظور انجام می‌شد به نخستین نقطه عطف رسید. گابریلز توانست پاد پروتونهای LEAR را در یک تله الکترومغناطیسی به نام تله پنینگ به دام بیاندازد. برای کند کردن پاد پروتونهای ولرم LEAR به حدی که داخل تله بمانند آنها را از یک ورقه نازک فلزی، مثلاً از آلومینیم یا بریلیم می‌گذرانند و انتهای تله را با یک سد پتانسیل سه هزار ولتی می‌بندند. باز هم بیشتر ذرات از این سد می‌گذرند و از تله فرار می‌کنند، اما معدودی پس زده می‌شوند و به داخل بر می‌گردند. چند نانو ثانیه قبل از فرار پاد پروتونهای پس زده شده از طرف مقابل، تله ناگهان بسته می‌شود، و یک سد پتانسیل ثانویه در مدخل تله برقرار می‌شود. تا قبل از این، گابریلز و اعضای گروهش توانسته بودند این تکنیک را به چنان ظرافتی برسانند که هزاران پاد پروتون، هر بار به مدت تقریباً ده دقیقه، گیر بیفتند.
اما انرژی پاد پروتونهای گیر افتاده هنوز به eV3000 می‌رسید که برای ایجاد پاد هیدروژن خیلی زیاد بود. برای این که ذرات را تا حد خزیدن کند کنند گروه گابریلر از تله دومی در وسط تله پنینگ استفاده کرد که یک سد چگال از الکترونهای کند و خنک در خود داشت. وقتی پاد پروتونهای گیر افتاده در داخل این مه پس و پیش می‌روند الکترونها انرژی ئرا از پاد ماده جذب می‌کنند و آن را به صورت تابش سنکروترون بیرون می‌دهند. ئیدز توضیح داد که این کار مثل مخلوط کردن مایعات داغ و سرد است. روش خنک کردن با الکترون در مدت چند ثانیه انرزی پاد پروتونها را تا سه دهم میلی الکترون ولت کاهش می‌دهد که تقریباً معادل K4 است.
حالا که فیزیکدانها توانسته‌اند کنترل پاد پروتونهای سرد را به دست گیرند گروههایی برای تهیه پاد هیدروژن در LEAR تشکیل داده‌اند، هر چند به قول کلپنر هیچ کس نمی‌داند چطور باید این جنس را بسازد. البته فکر اصلی، ترکیب پاد پروتون با پوزیترون است. مشکل، به گفته ئیدز این است که بای به دست آوردن ذراتی که به هم بپیوندند و اتمهای پایدار پاد هیدروژن را به وجود بیاورند احتیاج به یک چیز دیگر هم داریم، مثلاً یک فوتون، یا یک الکترون که انرژی و اندازه حرکت اضافی را از این ترکیب خارج کند، و امروز مسأله اصلی دقیقاً این است که به چه نحو باید این کار را انجام داد.