از یکی از «آرام‌ترین» محیط‌های مغناطیسیِ کهکشان راه شیری که در دانشگاه فنی مونیخ (TUM) قرار دارد پرده‌برداری شد. فیزیک‌دانانی از آلمان٬ ایالات متحده و سوئیس به ساخت این اتاق محافظ مبادرت کرده‌ و ادعا دارند که این اتاقک به لحاظ اندازه موثرترین بوده و می‌تواند میدان‌های مغناطیسی را بیش از یک میلیون مرتبه کاهش دهد. از این حفاظ می‌توان برای اندازه‌گیری توزیع بار داخل نوترون و نهایتاً در تعیین آن‌که نوترون ممان دوقطبی الکتریکی (EDM) دارد یا نه بهره برد. این محفظه در کاربردهای زیست‌دارویی همچون اسکن مغز و درمان سرطان با استفاده از نانوذرات مغناطیسی نیز می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

آزمایش‌های فیزیکیِ اساسی که بر پایه‌ی آزمون‌های آزمایشگاهی بنا می‌شوند اغلب نیازمند آن هستند تا تقریباً به شکل کاملی از اغتشاشات الکترومغناطیسی بدور باشند. برخی از مشتریان چنین ابزاری که قابلیت ایزوله‌سازی دارد آن‌هایی هستند که اندازه‌گیری‌های با دقت بالا را بر پایه‌ی اندازه‌حرکت زاویه‌ای ذاتی یک ذره یا اسپین انجام می‌دهند. چون اسپین تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسیِ سرگردان قرار می‌گیرد. پژوهش‌گران قادرند با اندازه‌گیری حرکت تقدیمیِ اسپینی (جهت‌گیریِ چرخشی اسپین در یک میدان مغناطیسیِ اعمالی) –می‌توانند این آزمون را به انجام برسانند که آیا نوترون EDM دارد یا نه. مدل استاندارد فیزیک ذرات به نوترون این اجازه را می‌دهد تا یک EDM کوچک داشته باشد؛ چیزی که نتیجه‌ای از نقض تقارن بار-پاریته است. با این حال اگر پژوهش‌گران موفق به اندازه‌گیریِ EDM بزرگ‌تر شوند٬ فیزیک جدیدی ظهور خواهد کرد و به توضیح این نکته می‌پردازد که چرا ضدماده‌ی بیشتری در کیهان وجود دارد.

در سال ۲۰۰۶ یک حفاظ مغناطیسی در انستیتوی لو-لانگوین در گرنوبل فرانسه٬ با کاهش میدان‌های مغناطیسیِ خارجی با فاکتور ۱۰۰۰۰ به دقت آزمایشگاهی فوق‌ا‌لعاده زیادی دست یافت که می‌توانست دوبار بنیادی را از فاصله‌ی کمتر از ۱۰^-۲۸  متر از هم جدا کند. این آزمایش هیچ EDM ای را در داخل نوترون برملا نکرد اما حدّ بالایی را برای این پارامتر قرار داد که تابحال از آن پیشی نگرفته است.

محاسبات بسیار زیاد

بهبود بخشیدن به این حدّ چیزی است که باعث شد تا پیتر فیلینگر (Peter Fierlinger) از TUM و همکارانش از آن الهام گرفته و حفاظ مغناطیسی بهتری را طراحی کنند. ایجاد یک حفاظ مغناطیسی اصولاً کاری سرراست است: لازم است تا یک حجم به سادگی توسط یک ماده مغناطیس‌پذیر احاطه شده و هر خط میدان مغناطیسی سرگردان حول ابزار حساسی هدایت می‌شود؛ درست مثل جریان آبی که حول یک سنگ می‌گردد. انجام دادن این کار در عمل دشوار است چون لازم است تا معادلات الکترومغناطیسیِ ماکسول برای ماده و شکل ویژه‌ای حل شود؛ چیزی که محاسبات بسیار زیادی را می‌طلبد.

حفاظی که این تیم ساخته‌اند از پوسته‌های هم‌مرکزی از جنس آلومینیوم و یک آلیاژ با مغناطیس‌پذیری بالا و اختصاصی بنام مگنیفر (Magnifer) تشکیل شده است. کل حفاظ حجم ۴/۱ مترمکعبی را اشغال می‌کند و حجم حفاظت شده حدود ۱ مترمکعب است. این حفاظ میدان‌های مغناطیسی را (بسته به فرکانس‌شان) با فاکتوری حدودی یک میلیون استخراج می‌کند. این فاکتور با میدان مغناطیسی داخلی حدود ۰/۵ نانوتسلا برابری می‌کند. در مقابل تصور می‌شود میدان مغناطیسی متوسطی که در طول کهکشان راه شیری وجود دارد حدود ۰/۶ نانوتسلا باشد.

به گفته‌ی فیلینگر: «ما اکنون اولین همکارانی هستیم که چنان ابزاری را تحقق بخشیده‌ایم با چنان میدان مغناطیسی کوچکی که برای یک اندازه‌گیریِ بهبودیافته‌ی صدمرتبه‌ای مناسب است». این گروه حفاظِ ساخت خود را «مدرن» جدید (state of the art) می‌نامند.

نیازمند کار بیشتر

اگرچه این تیم قصد دارد تا از این حفاظ برای اندازه‌گیری EDM نوترون استفاده کند اما همه متقاعد نشده‌اند که این تیم خواهد توانست نتیجه را به شکل چشم‌گیری بهبود بخشد. ورنر هایل ( Werner Heil ) از دانشگاه یوهانس گوتنبرگِ ماینز آلمان می‌گوید نبایستی این حفاظ «بیش از حد ارزش‌گذاری شود» وی می‌پرسد: «چه کسی از مزایای اینکه میدان باقی‌مانده کمتر از ۰/۵ نانوتسلا است یا تنها ۱/۵ نانوتسلا بهره می‌برد؟»«آزمایش‌های فیزیکی اساسی که در جستجوی یک EDM نوترونی است در چنان میدان مغناطیسیِ پائین کار نمی‌کند. در عوض لازم است تا یک میدان مغناطیسی اضافی در داخل محفظه نگه داشته شود که با فاکتور  ۱۰۰۰ برابر بزرگتر از میدان باقی‌مانده است. چالش اصلی ساخت میدان اعمالی است که تا حد امکان همگن باشد؛ چیزی که در این کار به آن پرداخته نشده است.»

فارغ از هر پیامدی که برای EDM نوترونی وجود داشته باشد٬ این حفاظِ جدید کاربردهای را در جاهای دیگر به خود اختصاص خواهد داد. میدان‌های مغناطیسی در آشکارسازی سیگنال‌های «زیست‌مغناطیسی» که بعنوان مثال از مغز دریافت می‌شود استفاده می‌شوند. بعلاوه توسعه‌ی نانوذرات مغناطیسی قابل تزریق که سلول‌های سرطانی را در پزشکی هدف قرار می‌دهد نیز کاربردی دیگر بر این حفاظ‌ها به حساب می‌آیند.

بری تایلور (Barry Taylor) دانشمندی از موسسه‌ی ملی استانداردها و فناوری در ایالات متحده کسی است که در تنظیم مجموعه‌های پذیرفته شده‌ی بین المللی مقادیر برای ثابت‌های فیزیکی کمک می‌کند. به بیان وی: «مطمئنم که بعضی از افراد باهوش نهایتاً کاربردهای دیگری پیدا خواهند کرد. دو مَثَل قدیمی را یادآوری می‌کنم که می‌گوید: «ضرورت٬ مادرِ اختراع است» و «یک تله‌موش بهتر بسازید٬ جهان درِ خانه‌ی شما را خواهد زد».

این حفاظ در مجله‌ی فیزیک کاربردی توصیف شده است.

درباره‌ی نویسنده:

جان کارتریت (Jon Cartwright) روزنامه‌نگاری آزاد در بریستولِ انگلستان است.

منبع:

Extraordinary magnetic shield could reveal neutron's electric dipole moment