پادذرات و پادماده چیستند؟

پل دیراک، فیزیکدان انگلیسی در تلاش برای پیوند نظریه کوانتوم با نظریه نسبیت خاص، معادله مهمی را کشف کرد که به افتخار خود او معادله دیراک» نامیده شد.

دیراک پس از کشف این معادله با نکته بسیار عجیبی در ارتباط با معادله مزبور مواجه شد. معادله دیراک پیش بینی می‌کرد که باید متناخطر هر ذره ماده، ذره هم جرم دیگری که ویژگی‌های کوانتومی قرینه آن ذره را دارد و به همین دلیل اصطلاحا «پاد ذره ذره مزبور نامیده می‌شود – نیز وجود داشته باشد. به عنوان مثال براساس معادله دیراک باید به ازای الکترون، ذره دیگری با جرم بر ابر اما با بار الکتریکی مثبت نیز وجود داشته باشد.

تنها چهار سال پس از این پیش بینی عجیب، یک فیزیکدان آمریکایی به نام کارل اندرسون موفق شد پاد ذره اسرار آمیز همزاد الکترون را در میان ذرات حاصل از برخورد پرتوهای کیهانی با یک ورقه نسبتا ضخیم سربی پیدا کند. اندرسون نام این پادذره همزاد الکترون را پوزیترون گذاشت. کشف پوزیترون که نخستین پاد ذره شناخته شده برای بشر محسوب می‌شد – عملا نظریه پاد ذرات دیراک را به طور تجربی تأیید کرد و به مناسبت این کشف مهم، جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۳۶ به اندرسون اهدا شد. طی سال‌های بعد با ساخته شدن شتاب دهنده‌های قدرتمند به تدریج پاد ذرات متناظر با سایر ذرات جهان نظیر پاد پروتون و … نیز کشف شدند. سرانجام در اواسط دهه ۹۰ میلادی فیزیکدانان آزمایشگاه بین المللی فیزیک ذرات بنیادی CERN موفق شدند با برخورد دادن پوزیترون‌ها با پاد پروتون‌ها نخستین پاد اتم‌های هیدروژن را نیز ایجاد کنند.

البته ایجاد و نگهداری پاد ذرات و پاد اتم‌ها کار فوق العاده دشواری است؛ چراکه به محض مواجه شدن پادذرات با ذرات ماده، همگی آن‌ها نابود شده و به فوتونهای پرانرژی گاما تبدیل می‌شوند. در واقع همین ویژگی پادذرات سبب شده بعضی فیزیکدان‌ها ایده استفاده از پادماده را به عنوان یک منبع انرژی شگفت‌انگیز برای بشر مطرح کنند. به عنوان مثال محاسبات نشان می‌دهند که با انرژی حاصل از فقط ۱۰ گرم پاد پروتون می‌توان یک سفینه فضایی سرنشین دار را ظرف مدت فقط یک ماه از زمین به مریخ رساند.

بدین ترتیب جدای از کاربردهایی که امروزه پادذرات و خصوصا پوزیترون هادر تصویر برداری‌های پزشکی (نظیر تصویربرداری تمام نگاری گسیل پوزیترون یا PET اسکن) و نیز روشهای آنالیز غیر تخریبی مواد نظیر روش طیف سنجی نابودی پوزیترون یا آنالیز PAS) پیدا کرده‌اند ممکن است روزی به کمک انرژی خارق العاده حاصل از این پاد ذرات اسرار آمیز و با استفاده از سامانه پیشرانش پاد ماده در سفینه‌های فضایی حتی بتوان تاستاردهای دور دست کهکشان هم سفر کرد!