نود و پنج سال پیش در سال 1928، فیزیکدان بریتانیایی پل دیراک برای اولین بار امکان شکلی از پادالکترون را مطرح کرد که الکترونی با بار الکتریکی مثبت به جای منفی است. این ایده تا چهار سال بعد در سال 1932 مورد توجه قرار نگرفت، زمانی که فیزیکدان کارل اندرسون، که از پیش بینی دیراک چیزی نمی دانست، چنین الکترونی با بار مثبت را در پرتوهای کیهانی که در حال مطالعه بود، یافت. در سال‌های بعد، مشخص شد که بسیاری از ذراتی که فیزیکدانان مورد مطالعه قرار می‌دهند، دارای نقطه مقابل هستند، یک ضد ذره. به زودی کل گروه ضد ماده نامیده شد.
همانطور که در بالا گفتم، ضد ذرات دارای بار الکتریکی مخالف با همتایان “عادی” خود هستند، بنابراین وقتی در معرض یک میدان الکترومغناطیسی قرار می گیرند، همیشه دقیقاً بر خلاف همتای ماده خود رفتار می کنند. این امر باعث شد فیزیکدان ریچارد فاینمن در سال 1949 پیشنهاد کند که پادذرات را می توان به عنوان ذرات عادی توصیف کرد که به گذشته باز می گردند. با این حال، اگر چنین چیزی واقعی بود، آیا پادماده برعکس رفتاری که ماده در میدان گرانشی انجام می دهد، نخواهد بود؟ آیا ضد ماده نباید در میدان گرانشی زمین بالا برود؟
تعیین نحوه رفتار پادماده در میدان گرانشی چندان آسان نیست. می بینید که ضد ذرات به محض تماس با دوقلو خود فورا از بین می روند، بنابراین معمولا فقط کسری از ثانیه دوام می آورند. به علاوه، چون در برخوردهای پرانرژی، در شتاب دهنده های ذرات یا پرتوهای کیهانی ایجاد می شوند، با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند. در مجموع، این امر تقریباً اندازه‌گیری اثر کوچک گرانش را بر ضد ذرات غیرممکن می‌کند.
با این حال، اگر پادماده دارای پادگرانش باشد، کشف بزرگی خواهد بود، و نه فقط به این دلیل که ضد گرانش چیزی است که مردم در مورد آن متعجب بوده اند و صدها سال در مورد آن نوشته شده است. ببینید، تمام مدل‌های فیزیک ذرات که ما داریم به ما می‌گویند که جهان باید دقیقاً همان مقدار پادماده را داشته باشد که اهمیت دارد. در واقع، در زمان انفجار بزرگ، ماده و پادماده باید در مقادیر کاملاً مساوی ایجاد می‌شدند و سپس به سرعت یکدیگر را نابود می‌کردند و چیزی جز ذرات نور برای جهان باقی نمی‌گذاشتند.
تا آنجا که ما می توانیم بگوییم، جهان ما تقریباً به طور کامل از ماده تشکیل شده است، مطمئنا کهکشان ما چیزی جز ماده نیست. اگر اینطور نبود، ما نشانه های آشکار نابودی ماده و پادماده را در محیط بین ستاره ای پیدا می کردیم. ما در مورد کهکشان های دیگر نیز همین احساس را داریم. به عنوان مثال، اگر آندرومدا از پادماده تشکیل شده بود، مقدار کمی گاز و غبار بین آندرومدا و کهکشان راه شیری ما دوباره نشانه هایی از نابودی را نشان می داد.
با این حال، اگر پادماده دارای ضد گرانش بود، توسط ماده دفع می شد، در نهایت ماده و پادماده به جهان و ضد جهان تقسیم می شدند. با این حال، هر نوع ضد جاذبه، اصل هم ارزی انیشتین را که اساس نظریه نسبیت عام اوست، نقض می کند. اما شاید اصل هم ارزی زمانی که ماده و پادماده را با هم مخلوط می کنید صدق نمی کند.
بنابراین فیزیکدانان مدت‌هاست که می‌خواستند کشف کنند که آیا پادماده ضد گرانش است؟ همانطور که در بالا گفتم، انجام این آزمایش آسان نیست. ابتدا به مقدار زیادی ضد ذرات نیاز دارید. سپس باید سرعت پادذرات خود را در حالی که آنها را در خلاء نگه دارید کاهش دهید تا با ذرات معمولی تماس پیدا نکنند و آنها را از بین نبرند. شما همچنین مشکل بار الکتریکی ضد ذره را دارید زیرا می بینید که میدان الکترومغناطیسی بسیار قوی تر از گرانش است که حتی یک آهنربای یخچال یا پتانسیل یک باتری 9 ولتی کافی است تا اندازه گیری شما را کاملاً خراب کند. ترکیب پادذرات باردار برای تشکیل پاداتم‌های خنثی بهترین راه برای حل این مشکل است، اما باز هم گفتن آن آسان‌تر از انجام دادن است.
بهترین مکان برای یافتن پادذرات، شتاب دهنده ذرات است، مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در سرن، بزرگترین و قدرتمندترین خردکننده اتم در حال حاضر در جهان. این امر سرن را به بهترین مکان در جهان برای تلاش برای اندازه‌گیری اثر گرانش روی پادماده تبدیل می‌کند، و جفری هانگست، فیزیکدان، سی سال گذشته را صرف طراحی و ساخت آزمایش برای انجام این اندازه‌گیری کرده است.
یکی از تجهیزاتی که آنها در سرن برای همراهی با LHC ساخته اند حلقه آنتی پروتون بسیار کم انرژی (ELENA) است که قادر است در هر 120 ثانیه حدود هفت و نیم میلیون آنتی پروتون را در حالی که LHC کار می کند تحویل دهد. حدود نیم میلیون از آنها با موفقیت در یک آهنربای برقی به دام افتاده اند، من گفتم دست زدن به ضد ذرات آسان نیست.
پس از گرفتن، ضد پروتون ها خنک می شوند و به دستگاهی به نام ALPHA-g تزریق می شوند، جایی که با آنتی الکترون ها ترکیب می شوند و این دو با هم ترکیب می شوند و اتم های ضد هیدروژن خنثی الکتریکی را تشکیل می دهند. سپس این اتم ها تا حدود چهار درجه بالای صفر مطلق سرد می شوند. در پایان این عملیات فقط حدود صد آنتی اتم باقی مانده است که باید آزمایش شوند، همانطور که گفتم ضد ماده به راحتی قابل کنترل نیست.
هنگامی که خنک‌سازی کامل شد، میدان مغناطیسی محصور کننده اتم‌های ضد هیدروژن خاموش می‌شود و به آنها اجازه می‌دهد به دلیل میدان گرانشی زمین سقوط یا افزایش پیدا کنند. جهتی که ضد اتم ها رفتند با تشخیص نابودی ضد اتم ها با اتم های معمولی در شاخه های واقع در بالا و زیر شیر برقی محافظ مشخص شد.
برای اطمینان از نتیجه، آزمایش ده ها بار تکرار شد، اما هر آزمایش یک نتیجه را نشان داد، ضد هیدروژن، و از این رو ضد پروتون ها و ضد الکترون ها در میدان گرانشی زمین می افتند. پادماده ضد گرانش ندارد، اما اندازه‌گیری نشان می‌دهد که پادماده آهسته‌تر از ماده معمولی سقوط می‌کند، تنها ۷۵ درصد سریع‌تر. با این حال، خطاهای آزمایش به قدری زیاد است که نمی توان رد کرد که پادماده با همان سرعت ماده معمولی سقوط می کند. فیزیکدانان سرن در حال برنامه‌ریزی آزمایش‌های بیشتر و اصلاحات بیشتر در آزمایش خود هستند تا دقیق‌تر سرعت سقوط پادماده را اندازه‌گیری کنند.
اگر پادماده کندتر از ماده سقوط می‌کند، باز هم اصل هم ارزی را نقض می‌کند، و هر گونه تفاوتی همچنان سرنخی برای این است که چرا پادماده در جهان ما بسیار نادر است. اما در حال حاضر، ما در نهایت می دانیم که پادماده دارای ضد جاذبه نیست. حیف که واقعاً خیلی باحال بود!
