Antihidrogén

Az antihidrogén a hidrogén  analógja , amely antianyagból áll . Míg egy közönséges hidrogénatom egy elektronból és egy protonból áll, az antihidrogénatom egy pozitronból és egy antiprotonból áll . A tudósok remélik, hogy az antihidrogén tanulmányozása segít rávilágítani arra, hogy miért van több anyag a megfigyelhető univerzumban, mint az antianyag , amelyet a barion aszimmetria problémájaként ismernek [1] . Az antihidrogént mesterségesen, részecskegyorsítókban állítják elő .

Kísérlettörténet

A nagy energiájú antihidrogénatomokat először az 1990-es években fedezték fel gyorsítóknál. Az ATHENA együttműködés 2002-ben tanulmányozta a hideg antihidrogént. Az antihidrogénatomok csapdába ejtését először a CERN [2] [3] Antihydrogen Laser Physics Apparatus ( ALPHA ) csoportja mutatta be 2010-ben, amely aztán a szerkezetet és egyéb fontos tulajdonságokat mérte [4] . Az ALPHA, az AEGIS és a GBAR azt tervezik, hogy folytatják az antihidrogénatomok hűtését és tanulmányozását.

1S-2S átmenetek mérése

2016-ban az ALPHA kísérlet mérte az elektronikus átmenetet az antihidrogén két legalacsonyabb energiaszintje , az 1S-2S között. Az eredmények megegyeztek a hidrogén mérésével a kísérlet felbontásán belül, megerősítve az anyag-antianyag és a CPT szimmetria gondolatát [5] .

Mágneses tér jelenlétében az 1S-2S átmenet két , kissé eltérő frekvenciájú hiperfinom átmenetre bomlik. A csoport kiszámította a normál hidrogén átmeneti frekvenciáit, amelyek mágneses térnek vannak kitéve korlátozott térfogatban:

f dd = 2466061103064 (2) kHz f cc = 2466061707104 (2) kHz

Az S-állapotok közötti egyfoton átmenetet a kvantumszelekciós szabályok tiltják , ezért a pozitronok alapállapotból 2S állapotba átvitele érdekében a számított átmeneti frekvencia felére hangolt lézerrel korlátozott teret világítottak meg, stimulálva a megengedett kétfoton abszorpció .

A 2S állapotba gerjesztett antihidrogénatomok instabilak, és ezután többféle módon is átmenhetnek más állapotokba:

Mind az ionizáció, mind a spin-flip hatására az atom kikerül a csapdából. A csapat számításai szerint, ha feltételezzük, hogy az antihidrogén úgy viselkedik, mint a közönséges hidrogén, az antihidrogén atomok körülbelül fele elveszne a rezonanciafrekvenciának való kitettség során, összehasonlítva a lézer nélküli esettel. Ha a lézerforrást 200 kHz-re hangolták a keresztezési frekvencia fele alá, a számított veszteség lényegében megegyezik a lézer nélküli esettel.

Az ALPHA csapata antihidrogén csomókat hozott létre, 600 másodpercig tartotta őket, majd 1,5 másodpercre csökkentette a bezárt mezőt, és megszámolta, hány antihidrogén atom semmisült meg. Ezt három különböző kísérleti körülmény között tették:

Két kontrollra volt szükség, az off-rezonancia és a lézer nélküli vezérlésre annak biztosítására, hogy maga a lézersugárzás ne okozzon megsemmisülést, talán azáltal, hogy normális atomokat szabadít fel a határoló edény felszínéről, amelyek aztán egyesülhetnek az antihidrogénnel.

A csapat három alkalommal 11 indítást hajtott végre, és nem talált szignifikáns különbséget a rezonancia nélküli és a lézer nélküli indítások között, de 58%-kal csökkent a rezonancia elmúltával észlelt események száma. A megsemmisítési eseményeket is meg tudták számolni a munkamenetek során, és magasabb szintet találtak a rezonáns kilövések során, ismét nem volt jelentős különbség a nem rezonáns és a lézer nélküli kilövések között. Az eredmények jól egyeznek a normál hidrogénen alapuló előrejelzésekkel, és "a CPT szimmetria tesztjeként értelmezhetők 200 ppt pontossággal " [6] .

Jellemzők

A részecskefizika CPT-tétele azt jósolja, hogy az antihidrogénatomok sok olyan tulajdonsággal rendelkeznek, mint a közönséges hidrogén; azaz azonos tömeggel , mágneses nyomatékkal és az atomi állapotok közötti átmenetek gyakoriságával rendelkeznek (lásd: Atomspektroszkópia ) [7] . Például a gerjesztett antihidrogénatomok várhatóan ugyanolyan frekvenciájú fényt bocsátanak ki, mint a közönséges hidrogén. Az antihidrogénatomokat gravitációs úton kell vonzani más anyagokhoz vagy antianyaghoz , ugyanolyan nagyságú erővel, mint a közönséges hidrogénatomokat [2] . Ez nem érvényes, ha az antianyag gravitációs tömege negatív , ami rendkívül valószínűtlennek tekinthető, bár empirikusan még nem cáfolták (lásd az Antianyag gravitációs kölcsönhatást ). Kidolgoztak azonban egy elméleti modellt az anyag és az antianyag közötti negatív tömegre és taszító gravitációra (antigravitációra), és ez az elmélet kompatibilis a CPT-tétellel [8] .

Amikor az antihidrogén közönséges anyagokkal érintkezik, összetevői gyorsan megsemmisülnek . A pozitron az elektronnal együtt megsemmisül, gamma-sugarakat hozva létre . Másrészt az antiproton antikvarkokból áll, amelyek neutronokban vagy protonokban lévő kvarkokkal kombinálódnak, és nagy energiájú pionokat eredményeznek, amelyek gyorsan bomlanak müonokká , neutrínókká , pozitronokká és elektronokká . Ha az antihidrogén atomokat tökéletes vákuumban szuszpendálnák, végtelenségig léteznének.

Anti-elemként a hidrogénével megegyező tulajdonságokkal várja [9] . Például az antihidrogén normál körülmények között gáz lesz, és antioxigénnel egyesülve antivíz keletkezik .

Gyártás

Az első antihidrogén atomokat 1995-ben a CERN- ben Walter Ohlert [10] által vezetett csapat hozta létre Charles Munger, Jr. , Stanley Brodsky és Ivan Schmidt Andrade [11] úttörő módszerével .

A LEAR gyűrűs gyorsítóban a gyorsítóból származó antiprotonok xenon klaszterekbe ütköznek [12] , elektron-pozitron párokat hozva létre. Az antiprotonok körülbelül 10 -19 valószínűséggel képesek befogni a pozitronokat , ezért a számítások szerint ez a módszer nem alkalmas jelentős teljesítményre [13] [14] [15] . A Fermilab kissé eltérő keresztmetszetet mért [16] , ami összhangban van a kvantumelektrodinamika előrejelzéseivel [17] . Mindkét módszer forró (nagy energiájú) antiatomok megjelenéséhez vezetett, amelyek alkalmatlanok a részletes vizsgálatra.

Ezt követően a CERN létrehozott egy antiproton moderátort (AD), hogy támogassa az alacsony energiájú antihidrogén létrehozására irányuló erőfeszítéseket az alapvető szimmetriák tesztelésére. Az AD a CERN számos csoportját fog antihidrogénnel ellátni. A CERN arra számít, hogy létesítményeik percenként 10 millió antiproton előállítására képesek [18] .

Alacsony energiájú antihidrogén

A CERN-ben az ATRAP és az ATHENA együttműködése során végzett kísérletek eredményeként sikerült a Penning-csapdákban pozitronokat és antiprotonokat kombinálni , ami tipikusan 100 antihidrogénatom/másodperc sebességű fúziót eredményezett. Antihidrogént először 2002-ben állítottak elő, először az ATHENA [19] , majd az ATRAP [20] együttműködésével, és 2004-re több millió antihidrogén atomot állítottak elő. A szintetizált atomok viszonylag magas hőmérsékletűek voltak (több ezer kelvin ), és ennek eredményeként a kísérleti berendezés falai közé ütköztek és megsemmisültek. A legtöbb pontossági teszt hosszú távú nyomon követést igényel.

Az ALPHA-t, az ATHENA együttműködés utódját úgy tervezték, hogy az antihidrogént stabil módon rögzítse [18] . Mivel elektromosan semleges, spin mágneses momentumai kölcsönhatásba lépnek egy inhomogén mágneses térrel; egyes atomok a tükör és a többpólusú mezők kombinációja által létrehozott mágneses minimumhoz fognak vonzódni [21] .

2010 novemberében az ALPHA együttműködés bejelentette, hogy egy hatodmásodperc alatt 38 antihidrogén atomot csapdába ejtettek [22] , ami a semleges antianyag korlátozásának első sikere volt. 2011 júniusában 309 antihidrogén atomot fogtak be, egyszerre legfeljebb 3-at, legfeljebb 1000 másodpercig [23] . Ezután tanulmányozták annak hiperfinom szerkezetét, gravitációs hatásait és töltését. Az ALPHA folytatja a méréseket az ATRAP, AEGIS és GBAR kísérletekkel együtt.

Nagyobb antianyag atomok

A nagyobb antianyag atomokat, mint például az antideutériumot ( D ), az antitríciumot ( T ), az antihélium -3-at ( 3He ) és az antihélium-4- et ( 4He ) sokkal nehezebb előállítani. Az antideutérium [24] [25] , az antihélium-3 ( 3 He ) [26] [27] és az antihélium-4 ( 4 He ), más magok [28] olyan nagy sebességgel jönnek létre, hogy a megfelelő atomok fúziója számos technikai akadályok.

Jegyzetek

Megjegyzések

Források

  1. ↑ BBC News - Az antianyag atomokat még tovább korralálják Archivált 2017. szeptember 4. a Wayback Machine -nél . BBC.co.uk. Letöltve: 2011-06-08.
  2. ↑ 1 2 Reich, Eugenie Samuel (2010). – Az antianyagot kihallgatásra tartották. természet . 468 (7322): 355. Bibcode : 2010Natur.468..355R . DOI : 10.1038/468355a . PMID  21085144 .
  3. ↑ eiroforum.org - CERN: Antianyag a csapdában Archiválva az eredetiből 2014. február 3-án. 2011. december, megtekintve: 2012-06-08
  4. ↑ Az antihidrogén belső szerkezetét először vizsgálták . Fizika világa (2012. március 7.). Letöltve: 2021. július 3. Az eredetiből archiválva : 2017. július 30.
  5. ↑ Castelvecchi, Davide (2016. december 19.). „Efemer antianyag atomok rögzítették mérföldkő lézertesztben ” természet . DOI : 10.1038/természet.2016.21193 . Archiválva az eredetiből, ekkor: 2016-12-20 . Letöltve: 2016. december 20 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó )
  6. ↑ Ahmadi, M (2016. december 19.). „Az 1S–2S átmenet megfigyelése csapdába esett antihidrogénben” (PDF) . természet . 541 (7638): 506-510. Bibcode : 2017Natur.541..506A . DOI : 10.1038/nature21040 . PMID28005057  _ _ Archivált (PDF) az eredetiből ekkor: 2017-04-19 . Letöltve: 2021-07-03 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó )
  7. ↑ Grossman, Lisa (2010. július 2.). "A legmenőbb antiprotonok" . Fizikai áttekintés Fókusz . 26. (1). Archiválva az eredetiből, ekkor: 2010-07-04 . Letöltve: 2021-07-03 . Elavult használt paraméter |deadlink=( súgó )
  8. ↑ Du. Új relativisztikus kvantumhullám-egyenlet alkalmazása hidrogénatomon és hatásai az antianyag gravitációs kísérletekre . Letöltve: 2021. július 3. Az eredetiből archiválva : 2021. április 26.
  9. ↑ Palmer. Az antihidrogén mérésén esik át először (2012. március 14-én). Letöltve: 2021. július 3. Az eredetiből archiválva : 2019. október 7..
  10. ↑ Freeman . Antiatoms: Ma itt. . . , Discover Magazine  (1997. január). Archiválva az eredetiből 2019. július 21-én. Letöltve: 2021. július 3.
  11. ↑ Munger, Charles T. (1994). „Relativisztikus antihidrogénatomok előállítása párgyártással pozitronbefogással”. Fizikai áttekintés D. 49 , 3228-3235. Irodai kód : 1994PhRvD..49.3228M . DOI : 10.1103/physrevd.49.3228 . PMID 10017318 . 
  12. ↑ Baur G. et al. Antihidrogén előállítása  (angol)  // Physics Letters B . - 1996. - 1. évf. 368 , iss. 3 . - P. 251-258 . - doi : 10.1016/0370-2693(96)00005-6 . - .
  13. ↑ Bertulani CA, Baur G. Pair production with atomi shell capture in relativist heavy ion collisions   // Braz . J. Phys. - 1988. - Vol. 18 , sz. 4 . - P. 559-573 .
  14. ↑ Bertulani CA, Baur G. Elektromágneses folyamatok relativisztikus nehézion-ütközésekben  //  Physics Reports. - 1988. - 1. évf. 163 , iss. 5–6 . — P. 299-408 . - doi : 10.1016/0370-1573(88)90142-1 . - .
  15. ↑ Aste A. et al. Electromagnetic Pair Production with Capture  (angol)  // Physical Review A. - 1993. - Vol. 50 , iss. 5 . - P. 3980-3983 . - doi : 10.1103/PhysRevA.50.3980 . - . — PMID 9911369 .
  16. ↑ Blanford G. et al. Az atomi antihidrogén megfigyelése  (angol)  // Physical Review Letters. - 1997. - 1. évf. 80 , iss. 14 . - P. 3037-3040 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.80.3037 . - .
  17. ↑ Bertulani CA, Baur G. Antihydrogen production and accuracy of the equal photon approximation  //  Physical Review D. - 1998. - Vol. 58 , iss. 3 . — P. 034005 . - doi : 10.1103/PhysRevD.58.034005 . - . - arXiv : hep-ph/9711273 .
  18. ↑ 1 2 Madsen N. Hideg antihidrogén: új határ az alapvető fizikában  //  Philosophical Transactions of the Royal Society A. - 2010. - Vol. 368 , iss. 1924_ _ - P. 3671-3682 . doi : 10.1098 / rsta.2010.0026 . - . — PMID 20603376 .
  19. ↑ Amoretti M. et al. = Hideg antihidrogénatomok  előállítása és kimutatása  // Természet . - 2002. - 20. évf. 419 , iss. 6906 . - P. 456-459 . - doi : 10.1038/nature01096 . — . — PMID 12368849 .
  20. ↑ Gabrielse G. et al. A hideg antihidrogén vezérelt termelése és az antihidrogén állapotok első mért eloszlása   ​​// Phys . Fordulat. Lett.. - 2002. - Vol. 89 , iss. 23 . — P. 233401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.89.233401 . - . — PMID 12485006 .
  21. ↑ Pritchard DE Semleges atomok hűtése mágneses csapdában a precíziós spektroszkópiához  //  Physical Review Letters. - 1983. - 1. évf. 51 , iss. 15 . - P. 1336-1339 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1336 . - .
  22. ↑ Andresen G.B. et al. ( ALPHA Együttműködés ) (2010). Csapdába esett antihidrogén. természet . 468 (7324): 673-676. Bibcode : 2010Natur.468..673A . DOI : 10.1038/nature09610 . PMID21085118  _ _
  23. ↑ Andresen G.B. et al. ( ALPHA Együttműködés ) (2011). „Az antihidrogén elzárása 1000 másodpercre”. Természetfizika . 7 (7): 558-564. arXiv : 1104.4982 . Bibcode : 2011NatPh...7..558A . DOI : 10.1038/nphys2025 .
  24. ↑ Massam T. et al. Az antideuterontermelés kísérleti megfigyelése  (angol)  // Il Nuovo Cimento. - 1965. - 1. évf. 39 , iss. 1 . — P. 10–14 . - doi : 10.1007/BF02814251 . - .
  25. ↑ Dorfan D.E. et al. Antideuteronok megfigyelése  (angol)  // Phys. Fordulat. Lett.. - 1965. - Vol. 14 , iss. 24 . - P. 1003-1006 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.14.1003 . - .
  26. ↑ Antipov Yu. M. et al. Az antihélium-3 megfigyelése // Nukleáris fizika . - 1970. - T. 12 . - S. 311 .
  27. ↑ Arsenescu R.; et al. (2003). „Antihélium-3 termelés ólom-ólom ütközések során 158 A GeV/ s -on ”. Új Fizikai folyóirat . 5 (1). Bibcode : 2003NJPh....5....1A . DOI : 10.1088/1367-2630/5/1/301 .
  28. ↑ Agakisjev H.; et al. (2011). „Az antianyag hélium-4 atommag megfigyelése”. természet . 473 (7347): 353-6. arXiv : 1103.3312 . Bibcode : 2011Natur.473..353S . DOI : 10.1038/nature10079 . PMID  21516103 .

Linkek