پادماده چقدر آسان ساخته می‌شود؟

آیا پادماده مانند مادهٔ معمولی سقوط می‌کند؟ آزمایش‌های کندکنندهٔ پادپروتون سرن، AD/ELENA، تقارن‌های بنیادی فیزیک را با پادهیدروژن می‌آزمایند: یک پادپروتون پیوسته به یک پوزیترون، تصویر آینه‌ای اتم هیدروژن. در میان آن‌ها، GBAR — «Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest» (رفتار گرانشی پادمادهٔ ساکن) — ساخته شده تا اندازه بگیرد پادهیدروژن در گرانش زمین با چه شتابی سقوط می‌کند.

مسیر GBAR غیرمعمول است. آزمایش‌های دیگر پادهیدروژن را با آمیختن پادپروتون‌ها و پوزیترون‌ها در یک تله می‌سازند. GBAR در عوض دو گام تبادل بار با پوزیترونیوم (Ps)، اتمی عجیب ساخته از یک الکترون و یک پوزیترون، در نظر دارد:

1. p̄ + Ps → H̄ + e⁻: یک پادپروتون پوزیترون را می‌قاپد و به پادهیدروژن تبدیل می‌شود؛
2. H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: پادهیدروژن پوزیترون دومی را می‌قاپد و به یونی مثبت تبدیل می‌شود.

آن یون را می‌توان با یون‌های بریلیوم سرد کرد؛ سپس لیزری پوزیترون اضافی را جدا می‌کند و اتم‌های پادهیدروژنی در حدود 10 میکروکلوین باقی می‌مانند — به قدر کافی سرد برای آزمایش سقوط آزاد.

دانستن احتمال

این همکاری پیش‌تر در 2023 نشان داده بود که گام 1 با پوزیترونیوم در حالت پایه کار می‌کند. اما نمی‌توانست بگوید این واکنش چقدر محتمل است — کمیتی که فیزیک‌دانان سطح مقطع می‌نامند، یعنی مساحت مؤثر هدفی که پادپروتون باید به آن بخورد. بدون آن، هیچ‌کس نمی‌تواند پیش‌بینی کند آزمایش کامل چند اتم تولید خواهد کرد.

واکنش هم‌ارز با مادهٔ معمولی — پروتونی که پوزیترونی را می‌گیرد و به هیدروژن تبدیل می‌شود — تنها یک بار، توسط مریسون و همکارانش در 1997، میان 11 و 16 کیلوالکترون‌ولت اندازه‌گیری شده بود.

دو باریکه در حفره‌ای کوچک

گروه از 2023 تا کنون نرخ تولید خود را ده برابر کرده است. از یک سو، پوزیترون‌های یک شتاب‌دهندهٔ کوچک در تله‌ها انباشته می‌شوند: حدود 300 میلیون میان دو شلیک پادپروتون، هر دو دقیقه یک بار. تقریباً 100 میلیون از آن‌ها به حفره‌ای به پهنای حدود 2 میلی‌متر و درازای 2 سانتی‌متر می‌رسند که با سیلیس متخلخل پوشانده شده و بخشی از آن‌ها را به پوزیترونیوم تبدیل می‌کند. هر شلیک ابری نیمه‌محصور از حدود 6 میلیون اتم پوزیترونیوم بر جا می‌گذارد.

از سوی دیگر، ELENA بسته‌هایی از 12 میلیون پادپروتون تحویل می‌دهد. GBAR آن‌ها را کند می‌کند، به دام می‌اندازد، با الکترون‌ها سرد می‌کند، سپس بسته‌هایی از 5 تا 6 میلیون را با انرژی 4 یا 6 کیلوالکترون‌ولت از حفره عبور می‌دهد، با زمان‌بندی‌ای که از ابر پوزیترونیوم بگذرند. هر پادهیدروژن تولیدشده از نظر الکتریکی خنثی است: مستقیم به سوی آشکارسازی در 1.6 متر جلوتر پرواز می‌کند، در حالی که پادپروتون‌های باقی‌مانده منحرف می‌شوند.

صدها پاداتم، یک عدد

آشکارساز، با مقایسهٔ هزاران شلیک با پوزیترون و بی پوزیترون، 379 ± 35 اتم پادهیدروژن در 6 keV و 69 ± 19 در 4 keV شمرد — پس از تصحیح بازدهی آشکارساز حدود 392 و 71. این، همراه با شمارش دقیق پادپروتون‌ها و اتم‌های پوزیترونیوم درگیر، و میزان هم‌پوشانی دو تپ در فضا و زمان، سطح مقطع را به دست می‌دهد:

• (14.1 ± 1.3) × 10⁻¹⁶ cm² در 6.2 keV؛
• (8.7 ± 2.4) × 10⁻¹⁶ cm² در 4.15 keV (عدم‌قطعیت‌های آماری؛ عدم‌قطعیت‌های سیستماتیک جداگانه در مقاله آمده‌اند).

این نخستین اندازه‌گیری سطح مقطع تبادل بار با باریکه‌های پادپروتون است، با عدم‌قطعیت‌هایی کوچک‌تر از اندازه‌گیری 1997 با مادهٔ معمولی.

نظریه از آزمون سربلند بیرون می‌آید

محاسبات اولیه بر پایهٔ به اصطلاح تقریب بورن با یکدیگر ناسازگار بودند — به گفتهٔ نویسندگان شگفت‌آور نیست، چون انرژی برخورد در چارچوب مرکز جرم در 6 keV تنها حدود 6.5 الکترون‌ولت است. دو روش نوین مسئلهٔ کوانتومی کامل سه‌جسمی را حل می‌کنند: روش جفت‌شدگی نزدیک همگرا (Convergent Close Coupling) و معادلات فادیف–مرکوریف. این دو با یکدیگر سازگارند و، به گزارش گروه، «توافق عالی» با داده‌های تازه نشان می‌دهند.

گام بعد: یون، سپس سقوط

این هنوز آزمونی برای گرانش نیست. گام بعدی GBAR اندازه‌گیری واکنش دوم است که یون پادهیدروژن را می‌سازد، با آغاز از همتای مادهٔ معمولی آن با استفاده از یون‌های منفی هیدروژن از ELENA. این دو نرخ با هم تعیین خواهند کرد آزمایش چند اتم فوق‌سرد را می‌تواند رها کند — و بنابراین با چه دقتی خواهد توانست بگوید آیا پادماده مانند ماده سقوط می‌کند یا نه.