پژوهشگران مؤسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zurich) و مؤسسه پل شرر (Paul Scherrer Institute) در شهر ویلیگن سوئیس، موفق به ساخت پرتویی کاملاً کنترل‌شده از «میونیوم» (Muonium) شده‌اند؛ اتمی غیرمعمول که از یک الکترون و یک پادمیون (Antimuon) تشکیل شده است. این دستاورد که در مجله نیچر فیزیکس (Nature Physics) تشریح شده، مانع مهمی را برای اندازه‌گیری اثر گرانش بر یکی از خویشاوندان سنگین‌تر ذرات سازنده ماده معمولی از میان برداشته است.
آنا سوتر (Anna Soter)، استاد فیزیک و سرپرست این پژوهش، می‌گوید:
ما گام مهمی به سوی انجام یک آزمایش هیجان‌انگیز در این زمینه برداشته‌ایم. هدف ما اندازه‌گیری برهم‌کنش گرانشی میون است.
چرا گرانش را با ماده عجیب آزمایش کنیم؟
ماده معمولی از الکترون‌ها و هسته‌های اتمی تشکیل شده که خود از پروتون‌ها و نوترون‌ها ساخته شده‌اند. الکترون‌ها و کوارک‌های درون پروتون‌ها و نوترون‌ها به نخستین نسل از ذرات بنیادی تعلق دارند. طبیعت دو نسل سنگین‌تر از این ذرات را نیز در خود جای داده که میون (Muon)، همتای نسل دوم الکترون، یکی از آنهاست.
مدل استاندارد (Standard Model) این خانواده از ذرات را توصیف می‌کند، اما توضیح نمی‌دهد که چرا طبیعت دارای سه نسل از ذرات است.
سوتر می‌گوید:
ما فیزیکدانان هنوز نمی‌دانیم این نسل‌های اضافی اصلاً چرا وجود دارند. و چرا در مجموع سه نسل وجود دارد؟
اگر مقاومت هوا و سایر نیروهای خارجی را کنار بگذاریم، اجسام معمولی در یک میدان گرانشی یکسان، بدون توجه به جرم یا ترکیبشان، با سرعت یکسان سقوط می‌کنند. این اصل که به «هم‌ارزی سقوط آزاد» (Universality of Free Fall) معروف است و با نام گالیله گالیله (Galileo Galilei) و آیزاک نیوتن (Isaac Newton) پیوند دارد، یکی از پایه‌های نظریه گرانش اینشتین محسوب می‌شود.
این اصل، جرم گرانشی را که تعیین می‌کند یک جسم چگونه به گرانش واکنش نشان دهد، به جرم لَختی مرتبط می‌کند؛ جرمی که میزان مقاومت جسم در برابر شتاب گرفتن را تعیین می‌کند. آزمایش‌های مستقیم انجام‌شده تاکنون عمدتاً روی ماده معمولی یا پادماده نسل اول متمرکز بوده‌اند. میونیوم فرصتی فراهم می‌کند تا بررسی شود آیا همین رابطه درباره یک ذره از نسل دوم نیز برقرار است یا خیر.
آزمایش گرانش در مسابقه با زمان
در مؤسسه پل شرر (PSI)، یک شتاب‌دهنده ذرات، میون‌ها و پادذرات آنها را تولید می‌کند. هنگامی که یک پادمیون با بار مثبت به یک الکترون با بار منفی متصل می‌شود، بارهای آنها یکدیگر را خنثی کرده و میونیوم خنثی تشکیل می‌شود. اگرچه این اتم حاوی یک الکترون است، بخش عمده جرم آن از پادمیون بسیار سنگین‌تر تأمین می‌شود.
سوتر توضیح می‌دهد:
میونیوم عجیب‌وغریب برای این کار بسیار مناسب است، زیرا یک اتم خنثی است. در نهایت، برای اینکه چیزی را وادار به سقوط کنیم، به یک جسم خنثی نیاز داریم.
ذرات باردار نیز تحت تأثیر گرانش قرار می‌گیرند، اما نیروهای الکترومغناطیسی ناشی از میدان‌های مزاحم می‌توانند اثر بسیار ضعیف‌تر گرانش را تحت‌الشعاع قرار دهند.
با این حال، پژوهشگران باید در بازه زمانی فوق‌العاده کوتاهی کار کنند؛ میون‌ها پس از میانگین تنها ۲.۲ میکروثانیه واپاشی می‌کنند. منابع قدیمی‌تر میونیوم این مشکل را تشدید می‌کردند، زیرا اتم‌ها را در جهت‌های مختلف و با سرعت‌های بسیار متفاوت آزاد می‌کردند و در نتیجه اندازه‌گیری دقیق حرکت آنها دشوار می‌شد.
سوتر می‌گوید:
ما موفق شده‌ایم اتم‌های میونیوم را در حالتی «سرد» تولید کنیم و همین موضوع در وهله اول انجام آزمایش گرانش را ممکن می‌کند. در اینجا منظور از «سرد» این است که اتم‌ها با سرعت‌های مشابه و تقریباً به صورت موازی حرکت می‌کنند.
توپ اتمی چگونه کار می‌کند؟
برای ایجاد این پرتوی منظم، پژوهشگران به سراغ هلیوم ابرسیال (Superfluid Helium) رفتند.
جسی ژانگ (Jesse Zhang)، نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید:
برای دستیابی به این هدف، از هلیوم ابرسیالی استفاده کردیم که تا نزدیکی صفر مطلق، یعنی منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد، سرد شده بود.
این دما تقریباً معادل منفی ۴۵۹ درجه فارنهایت است.
ژانگ توضیح می‌دهد:
هلیوم ابرسیال چیزی است که به آن سیال کوانتومی گفته می‌شود؛ در چنین سیالی، اتم‌های منفرد هلیوم هویت خود را از دست می‌دهند و این سیال هیچ ناخالصی‌ای را درون خود تحمل نمی‌کند.
پادمیون‌هایی که وارد لایه نازکی از این مایع می‌شوند، سرعت خود را کاهش می‌دهند و می‌توانند الکترون‌های آزاد را جذب کنند و به این ترتیب میونیوم تشکیل دهند.
اتم‌های حاصل دارای پتانسیل شیمیایی مثبتی هستند؛ یعنی از نظر انرژی، ماندن آنها درون هلیوم نامطلوب است. هنگامی که یک اتم به سطح مایع می‌رسد، این انرژی به حرکت تبدیل می‌شود و اتم را به صورت عمودی از سطح مایع به بیرون پرتاب می‌کند.
ژانگ می‌گوید:
بنابراین ما از پتانسیل شیمیایی به‌عنوان یک توپ اتمی (Atomic Cannon) استفاده می‌کنیم.
هلیوم همچنین باعث می‌شود میونیوم بدون برخوردهایی که می‌توانند مسیر آن را منحرف کنند، با سرعت مشخصی به سمت سطح حرکت کند. این موضوع برای اتم‌هایی که پادمیون موجود در آنها با چنین سرعتی واپاشی می‌کند، اهمیت زیادی دارد.
سوتر می‌گوید:
برای آزمایش‌های خود همچنین به شتاب‌دهنده ذرات مؤسسه پل شرر متکی هستیم که شدیدترین پرتوهای پیوسته میون در جهان را تولید می‌کند. به لطف این منبع باکیفیت، می‌توان تعداد بسیار زیادی اتم میونیوم تولید کرد.
خواندن اثر گرانش در یک موج اتمی
تولید این پرتو تنها یک گام در مسیر اندازه‌گیری گرانش است و خودِ اندازه‌گیری هنوز انجام نشده است. تیم پژوهشی اکنون در حال توسعه یک تداخل‌سنج (Interferometer) است؛ ابزاری که از ویژگی‌های موجی اتم‌ها برای ایجاد یک الگوی تداخل استفاده می‌کند.
گرانش زمین باید این الگو را اندکی جابه‌جا کند. اندازه‌گیری این جابه‌جایی به پژوهشگران نشان خواهد داد که میونیوم تحت تأثیر گرانش چگونه شتاب می‌گیرد و به آنها اجازه می‌دهد بررسی کنند آیا بخش سنگین‌تر آن، یعنی پادمیون، همان قانون حاکم بر ماده معمولی را دنبال می‌کند یا خیر.
سوتر می‌گوید:
امیدواریم بتوانیم امسال برای نخستین بار این روش را با استفاده از پرتو اتمی آزمایش کنیم و اگر همه‌چیز طبق برنامه پیش برود، آزمایش واقعی گرانش باید دو یا سه سال بعد انجام شود.
این پرتو می‌تواند به بهبود طیف‌سنجی لیزری (Laser Spectroscopy) نیز کمک کند؛ روشی که از نور برای بررسی ویژگی‌های اتمی استفاده می‌کند. اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر میونیوم می‌توانند برآورد جرم میون و ثابت‌های بنیادی فیزیک را نیز بهبود دهند که یکی دیگر از اهداف گروه پژوهشی است.
آیا میونیوم می‌تواند از وجود «نیروی پنجم» پرده بردارد؟
اگر نتیجه این آزمایش غیرمنتظره باشد، می‌تواند مسیر تحقیقات گسترده‌تری را باز کند. اگر میونیوم برخلاف ماده معمولی سقوط کند، فیزیکدانان باید توضیح دهند که چرا چنین اتفاقی رخ می‌دهد.
سوتر می‌گوید:
این موضوع واقعاً شگفت‌انگیز خواهد بود و علاوه بر نظریه‌های دیگر، می‌تواند به وجود یک نیروی پنجم اشاره کند.
در حال حاضر، فیزیک چهار برهم‌کنش بنیادی را می‌شناسد: گرانش، الکترومغناطیس، برهم‌کنش قوی و برهم‌کنش ضعیف. وجود نیروی پنجم بارها در قالب نظریه‌های مختلف مطرح شده، اما تاکنون هیچ شواهد قطعی برای تأیید آن به دست نیامده است.
سوتر بدون اینکه نتیجه خاصی را از پیش ترجیح دهد، به این آزمایش نگاه می‌کند.
او می‌گوید: من کاملاً ذهن بازی دارم. فقط می‌خواهم برای نخستین بار اندازه‌گیری کنم که آیا هم‌ارزی میان جرم گرانشی و جرم لَختی در نسل دوم ذرات نیز برقرار است یا نه؛ همین موضوع به‌تنهایی یک کار بسیار الهام‌بخش است.
منبع: Scitechdaily
