دانشمندان «توپ اتمی» ساختند
دانشمندان وسیله‌ای ساخته‌اند که شاید در نگاه اول شبیه یک «توپ اتمی» به نظر برسد، اما هدف آن شلیک گلوله یا ذره نیست.
فرارو- دانشمندان یک «توپ اتمی» ساخته‌اند تا آزمایش کنند که آیا ماده‌ی عجیب و غریب طبق پیش‌بینی نظریه‌ی انیشتین سقوط می‌کند یا خیر.
به گزارش فرارو به نقل از سای‌تک دیلی، محققان ETH زوریخ و موسسه‌ی پاول شرر (PSI) در ویلیگن، پرتویی کاملاً کنترل‌شده از مونیوم، یک اتم غیرمعمول حاوی یک الکترون و یک آنتی‌میون، ایجاد کرده‌اند. پیشرفت آن‌ها که در مجله‌ی Nature Physics شرح داده شده است، مانع بزرگی را برای اندازه‌گیری چگونگی تأثیر گرانش بر یک خویشاوند سنگین‌تر از ذراتی که ماده‌ی روزمره را تشکیل می‌دهند، از بین می‌برد.
آنا سوتر، استاد فیزیک پیشرو در این تحقیق، می‌گوید: «ما گامی مهم در جهت انجام یک آزمایش هیجان‌انگیز در این زمینه برداشته‌ایم. ما می‌خواهیم برهمکنش گرانشی موئون را اندازه‌گیری کنیم.»
چرا گرانش را با ماده‌ی عجیب و غریب آزمایش کنیم؟
ماده‌ی معمولی شامل الکترون‌ها و هسته‌های اتمی ساخته شده از پروتون‌ها و نوترون‌ها است. الکترون‌ها و کوارک‌های درون آن پروتون‌ها و نوترون‌ها متعلق به نسل اول ذرات بنیادی هستند. طبیعت همچنین دو نسل سنگین‌تر دارد، از جمله موئون، همتای نسل دوم الکترون.
مدل استاندارد این شجره‌نامه‌ی ذرات را بدون توضیح اینکه چرا سه نسل دارد، توصیف می‌کند. سوتر می‌گوید: «اما ما فیزیکدانان هنوز نمی‌فهمیم که اصلاً چرا این نسل‌های اضافی وجود دارند. و چرا در مجموع سه نسل وجود دارد؟»
وقتی مقاومت هوا و سایر نیروهای خارجی حذف شوند، اجسام معمولی صرف نظر از جرم یا ترکیبشان، با سرعت یکسانی در یک میدان گرانشی سقوط می‌کنند. این جهان‌شمولی سقوط آزاد، که با گالیله و ایزاک نیوتن مرتبط است، در نظریه گرانش انیشتین نقش اساسی دارد.
اصل اساسی، جرم گرانشی، که نحوه واکنش یک جسم به گرانش را تعیین می‌کند، را با جرم اینرسی، که میزان مقاومت آن در برابر شتاب را تعیین می‌کند، مرتبط می‌کند. آزمایش‌های مستقیم تاکنون شامل ماده معمولی یا پادماده نسل اول بوده‌اند. مونیوم راهی برای بررسی این موضوع ارائه می‌دهد که آیا همین رابطه برای یک ذره نسل دوم نیز صادق است یا خیر.
یک آزمایش گرانشی در برابر زمان
در PSI، یک شتاب‌دهنده، میون‌ها و پادذرات آن‌ها را تولید می‌کند. هنگامی که یک آنتی‌میون با بار مثبت به یک الکترون با بار منفی متصل می‌شود، بارهای آن‌ها خنثی می‌شوند و مونیوم خنثی را تشکیل می‌دهند. اگرچه اتم حاوی یک الکترون است، اما بیشتر جرم آن از آنتی‌میون بسیار سنگین‌تر ناشی می‌شود.
سوتر توضیح می‌دهد: «مونیوم عجیب و غریب برای این کار بسیار مناسب است زیرا یک اتم خنثی است. از این گذشته، برای اینکه چیزی سقوط کند، به چیزی خنثی نیاز دارید.» ذرات باردار نیز به گرانش واکنش نشان می‌دهند، اما نیروهای الکترومغناطیسی ناشی از میدان‌های سرگردان می‌توانند اثر بسیار ضعیف‌تر آن را تحت الشعاع قرار دهند.
با این حال، پژوهشگران باید در بازه زمانی بسیار کوتاهی کار کنند: میون‌ها به‌طور میانگین تنها پس از ۲.۲ میکروثانیه واپاشی می‌کنند. منابع پیشینِ «میونیوم» این مشکل را تشدید می‌کردند، زیرا اتم‌ها را در جهت‌های گوناگون و با سرعت‌های بسیار متفاوت آزاد می‌ساختند و اندازه‌گیری دقیق حرکت آن‌ها را دشوار می‌کردند.
سوتر می‌گوید: «ما موفق شدیم اتم‌های میونیوم را در حالتی «سرد» تولید کنیم؛ وضعیتی که اساساً انجام آزمایش گرانش را امکان‌پذیر می‌سازد. در اینجا، «سرد» به این معناست که اتم‌ها با سرعت‌هایی مشابه و تقریباً موازی با یکدیگر حرکت می‌کنند. »
سازوکار توپ اتمی
تیم پژوهشی برای ایجاد آن پرتوِ منظم، از هلیوم ابرشار (superfluid) بهره گرفت. جسی ژانگ، نویسنده اصلی این پژوهش، می‌گوید: «برای دستیابی به این هدف، از هلیوم ابرشاری استفاده کردیم که تا دمای نزدیک به صفر مطلق — یعنی منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد — سرد شده بود.» این دما تقریباً معادل منفی ۴۵۹ درجه فارنهایت است.
ژانگ توضیح می‌دهد: «هلیوم ابرشار نوعی سیال کوانتومی است که در آن اتم‌های منفرد هلیوم هویت خود را از دست می‌دهند و هیچ‌گونه ناخالصی را در خود نمی‌پذیرند.» آنتی‌میون‌هایی که وارد لایه‌ای نازک از این مایع می‌شوند، سرعتشان کاهش می‌یابد و می‌توانند الکترون‌های آزاد را جذب کرده و میونیوم تشکیل دهند.
اتم‌های حاصل دارای پتانسیل شیمیایی مثبت هستند؛ بدین معنا که ماندن آن‌ها در درون هلیوم از نظر انرژی نامطلوب است. هنگامی که اتم به سطح مایع می‌رسد، این انرژی به حرکت تبدیل شده و اتم را به‌صورت عمودی از مایع به بیرون پرتاب می‌کند. ژانگ می‌گوید: «بنابراین، ما از پتانسیل شیمیایی به عنوان یک توپ اتمی استفاده می‌کنیم.»
هلیوم همچنین به مونیوم اجازه می‌دهد تا با سرعت مشخصی و بدون برخوردهایی که باعث پراکندگی آن می‌شوند، به سمت سطح حرکت کند. این برای اتم‌هایی که آنتی‌میون‌هایشان به سرعت واپاشی می‌شوند، ضروری است. سوتر می‌گوید: «برای آزمایش‌هایمان، ما همچنین به شتاب‌دهنده ذرات PSI متکی هستیم که شدیدترین و پیوسته‌ترین پرتوهای میون جهان را تولید می‌کند. به لطف این منبع با کیفیت بالا، می‌توان تعداد زیادی اتم مونیوم تولید کرد.»
خواندن گرانش در یک موج اتمی
تولید پرتو گامی به سوی اندازه‌گیری گرانش است، نه خود اندازه‌گیری. این تیم اکنون در حال توسعه یک تداخل‌سنج است، ابزاری که از خواص موج اتم‌ها برای ایجاد یک الگوی تداخل استفاده می‌کند.
گرانش زمین باید این الگو را کمی تغییر دهد. اندازه‌گیری این تغییر نشان می‌دهد که مونیوم چگونه تحت گرانش شتاب می‌گیرد و به محققان اجازه می‌دهد آزمایش کنند که آیا جزء سنگین آنتی‌میون آن از همان قانون ماده معمولی پیروی می‌کند یا خیر.
سوتر می‌گوید: «امیدواریم بتوانیم امسال این روش را برای نخستین بار با استفاده از پرتو اتمی آزمایش کنیم؛ اگر همه‌چیز طبق برنامه پیش برود، آزمایش اصلی مربوط به گرانش باید ظرف دو یا سه سال آینده انجام شود.»
این پرتو همچنین می‌تواند طیف‌سنجی لیزری را — که از نور برای بررسی خواص اتمی استفاده می‌کند — بهبود بخشد. اندازه‌گیری‌های دقیق‌ترِ «میونیوم» می‌تواند برآوردها از جرم میون و ثابت‌های بنیادی فیزیک را اصلاح کند؛ امری که یکی دیگر از اهداف این گروه پژوهشی است.
آیا میونیوم می‌تواند از وجود نیروی پنجم پرده بردارد؟
یک نتیجه غیرمنتظره می‌تواند راه را برای پژوهشی بسیار گسترده‌تر هموار کند. اگر رفتار سقوط میونیوم با ماده معمولی متفاوت باشد، فیزیکدانان باید علت آن را توضیح دهند. سوتر می‌گوید: «چنین چیزی واقعاً شگفت‌انگیز خواهد بود و علاوه بر نظریه‌های دیگر، می‌تواند به وجود نیروی پنجم اشاره داشته باشد.»
در حال حاضر، فیزیک چهار برهمکنش بنیادی را به رسمیت می‌شناسد: گرانش، الکترومغناطیس، برهمکنش هسته‌ای قوی و برهمکنش هسته‌ای ضعیف. بارها وجود نیروی پنجم مطرح شده، اما هیچ‌یک تأیید نشده است.
سوتر بدون پیش‌فرض یا تمایل به نتیجه‌ای خاص به سراغ این آزمایش می‌رود. او می‌گوید: «من کاملاً پذیرا و بدون پیش‌داوری هستم. صرفاً می‌خواهم برای نخستین بار بسنجم که آیا اصل هم‌ارزی جرم گرانشی و جرم لختی (اینرسی) در مورد نسل دوم ذرات نیز صدق می‌کند یا خیر؛ همین موضوع به تنهایی کاری بسیار الهام‌بخش است.»
منابع:
«تولید پرتو میونیوم فوق‌گرم (superthermal) با شدت بالا برای آزمایش‌های گرانش و طیف‌سنجی لیزری»؛ اثر جی. ژانگ، ای. آنتوگنینی، ام. بارتکوویاک، دی. گولدی، کی. کیرچ، ای. کنشت، دی. تاکو، آر. وادی، اف. ووترز، پی. وگمان و ای. سوتر؛ ۱۴ سپتامبر ۲۰۲۶؛ نشریه *Nature Physics*.
DOI: 10.1038/s41567-026-03433-x
«پرتو میونیوم فوق‌گرم و پرشدت»؛ اثر جیان تانگ و شی‌هان ژائو؛ ۱۴ سپتامبر ۲۰۲۶؛ نشریه *Nature Physics*. DOI: ۱۰.۱۰۳۸/s۴۱۵۶۷-۰۲۶-۰۳۴۳۵-۹
این پژوهش توسط «مرکز ملی صلاحیت در پژوهش Muoniverse» حمایت می‌شود.
