تهیه پاد هیدروژن

یکی از نسخه‌های تهیه پاد هیدروژن که در سمینار پژوهشی مونیخ مورد بحث قرار گرفت مبتنی بر کشف پژوهشگران ژاپنی است. پاد پروتونهایی که به داخل هلیم مایع فرستاده شوند همیشه فوراً راهی هسته‌های اتم هلیم نمی‌شوند در آن جا در رو یا رویی با پروتونها از بین بروند. هر از گاهی در اثر برخورد، زوج شبه پایداری به نام «اتمهای هلیم پاد پروتونی» ایجاد می‌شود که چند میکرو ثانیه دوام می‌آورد. پیشنهاد گروهی که زیر نظر توشی میت سویامازاکی در مؤسسه مطالعات هسته‌ای دانشگاه توکیو کار می‌کرد این بود که پاد هیدروژن را از بین اتمهای هلیم عجیب و غریب، از طریق برخوردشان با پوزیترون یا «اتمهای» پوزیترونیم (اتحاد کم دوام یک پوزیترون با یک الکترون) تولید کنیم. از لحاظ نظری، پاد پروتون بعداً می‌تواند جفت عوض کند و از اتم هلیم به پوزیترون رو بیاورد تا پاد هیدروژن بسازد؛ الکترونها یا پوزیترونهای دیگر انرژی اضافی را خارج خواهند کرد تا پاد اتم نوزاد پایدار شود. اما به عقیده گابریلز یک گیر اصلی در کار است. هر پاد هیدروژنی که به این طریق ساخته شود باید فوراً خود را در هلیم مایع از بین ببرد.
روشهای مطمئن‌تر آنهایی هستند که پاد هیدروژن را در یک اتاقک خلأ تولید می‌کنند تا در معرض خطر نابودی آنی نباشند. در ساده‌ترین طرحی که در مونیخ بحث شد ذرات پاد پروتون و پوزیترون فقط به هم می‌خورند و انرژی اضافی‌شان را به صورت فوتونهای تابشی رها می‌کنند – فرایندی که باز ترکیب تشعشعی نامیده می‌شود. به نظر گابریلز مشکل این است که مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک فوتون گسیل شود در مقایسه با زمان برخورد، خیلی طولانی است. در نتیجه پاد پروتون و پوزیترون به احتمال زیاد پیش از محکم شدن پیوند از هم جدا می‌شوند. با این که دو گروه تحقیقاتی قبلاً نشان دادند که با استفاده از لیزری که با فرکانس مناسب تنظیم شده باشد می‌توان سرعت گسیل فوتون را، وقتی پروتونها و الکترونها برای تشکیل هیدروژن معمولی ترکیب می‌شوند، اضافه کرد، اما میزان این تسریع هنوز کمتر از آن است که پژوهشگران را از یاغتن راه بهتری برای تهیه پاد هیدروژن منصرف کند.
برای هر چه سریعتر کردن فرایند ترکیب دو باره، پژوهشگران توجه خود را به برخوردهای «سه شاخه» معطوف کرده‌اند که در آنها ذره‌ی تک افتاده انرژی اضافی را خارج خواهد کرد. یکی از پیشنهادات مطرح شده این بود که یک باریکه پر انرژی پوزیترونیم را به سوی پاد پروتونهایی که در تله گابریلز گیر افتاده‌اند روانه کنند. به گفته گابریلز وقتی یک زوج الکترون – پوزیترون با یک پاد پروتون برخورد کند الکترون از پوزیترونیم بیرون می‌پرد و با خارج کردن انرژی اضافی، یک اتم پاد هیدروژن بر جای می‌گذارد.
یک مکانیسم سه تایی دیگر، که گروهِ خودِ گابریلز مدافع آن است احتمالاً کارایی بیشتری دارد – یعنی شاید یک میلیون برابر ترکیب تشعشعی محصول بدهد. او و هم کارانش پیشنهاد کردند که دو تله پنینگ یکی برای سرد نگاه داشتن پاد پروتونها و دیگری برای سرد کردن پوزیترونها می‌توانند طوری توی هم قرار گیرند که دو پلاسمایی که بارهای مخالف دارند بر هم منطبق بشوند. ذراتی که آهسته حرکت می‌کنند موقعیت خوبی برای ایجاد برخوردهای سه شاخه خواهند داشت. محاسبه نشان می‌دهد که وقتی دو پوزیترون و یک یک پاد پروتون در حول و حوش یک دیگر باشند پاد پروتون و یکی از پوزیترونها می‌توانند پاد هیدروژن بسازند و پوزیترون دوم که پس زده می‌شود انرژی و اندازه حرکت را با خود می‌برد. آزمایش موفقی به این روش منتها با الکترون و پروتون نشان داده است که دو پلاسما را می‌توان نزدیک هم آورد، اگر چه گروه هنوز اثری از اتمهای هیدروژن معمولی که باید از آن به وجود بیاید پیدا نکرده است.
گابریلز معتقد بود که جزئیات این که چه روشی بهتر از آب در خواهد آمد محرز نیست و شاید چند سالی مانده باشد که همه تمهیدات لازم فراهم شود و آزمایشهای حقیقی با پاد پروتونها در فهرست کارهای LEAR قرار بگیرد. اما به نظر محققان، این تلاشها به زحمتش می‌ارزد چون اگر پاد هیدروژن ساخته شود آنها می‌توانند به مقایسه‌های گوناگون میان ماده و پاد ماده بپردازند.
ذرات و پاد ذرات تا چه میزان قرینه یک دیگر هستند؟ یک اصل مهم که باید آزموده شود ناوردایی CPT است – قضیه‌ای منتج از مکانیک کوانتومی و نسبیت خاص. ناوردایی CPT می‌گوید یک ذره و زوج پاد ماده آن، علاوه بر سایر تقارنها، دارای جرم و بار مساوی و مخالف هستند. فیزیک دانها قبلاً برای تأیید ناوردایی CPT کارهایی کرده‌اند، اما وقتی دستشان به یک اتم کامل پاد ماده برسد می‌توانند مقایسه‌های دقیقتری انجام بدهند.
اتم پاد هیدروژن، مثل اتمهای معمولی باید نور را در طول موجهای مشخصی جذب و گسیل کند. در نتیجه پژوهشگران می‌توانند از پیش رفتهایی که در طیف نهایی هیدروژن با تفکیک زیاد، توسط دانشمندانی چون تدهانش از دانشگاه لودویک ماکسیمیلیان در مونیخ به دست آمده است، بهره برداری کنند، و چون طیف هر اتم بازگو کننده ساختار الکترونی آن است هیوز از لوس آلاموس و برنارد دویچ از دانشگاه آرهوس ادعا کردند که طیف نگاری پاد هیدروژنی باید این امکان را فراهم کند که بتوان بارهای پروتون و پاد پروتون را با دقت 1 در 100 میلیارد مقایسه کرد.
آزمون اساسی دیگری که در دستور کار تحقیقات پاد هیدروژنی قرار دارد بررسی چگونگی سقوط این ماده در میدان گرانش است. به ویژه پژوهشگران می‌خواهند اصل هم ارزی ضعیف را که از شالوده‌های نسبیت عام است و بنا بر آن همه ذرات تحت اثر گرانش، یک سان شتاب می‌گیرند، امتحان کنند. هیوز گفت این آزمون تا به حال در مورد پاد پروتون و یا پوزیترون انجام نشده است، و دلیل اصلیش هم این است که بارهای الکتریکی ایم ذرات اندازه گیریها را پیچیده می‌کنند. نتیجه‌اش این شده است که دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند نظریه‌های فانتزی «صعود» در میدان گرانش را کاملاً رد کنند. اما اگر یک اتم پاد هیدروژن خنثی داشته باشیم دانشمندان می‌توانند سقوط آن را مستقیماً ثبت کنند یا به دنبال «انتقال سرخ گرانشی» در طیف آن بگردند، کا کار عملی‌تری است.
پیش از آن که پژوهشگران پاد ماده بتوانند همتای قرن بیست و یکمی آزمایش گالیله از برج پیزا را انجام دهند باید علاوه بر مشکلات فنی، در بسیاری از موارد وبر مشکلات اداری هم غلبه کنند. مثلاً این که آینده خود LEAR معلوم نیست. هیوز نگران این است که چیز کوچکی مثل LEAR احتمالاً باید جای خود را به دستگاه بزرگتری بدهد. و به نظر بعضی از محققان، این خودش یک مصیبت است. کلپنر می‍گوید اگر LEAR را نداشته باشیم باید بساطمان ورا جمع کنیم. هیوز بیان کرد «اگر حرف ساختن پاد هیدروژن را می‌زدید همه می‌گفتند چه افکار عجیب و غریبی»، اما حالا دیگر این طور نیست. از موانع باقی مانده که بگذریم، دیراک باید افتخار کند که افکار او به اینجا رسیده است.