Antihydrogen - Antihydrogen

Antihydrogen se skládá z antiprotonu a pozitronu

Antihydrogen (
H
) je protějšek antihmoty vodíku . Zatímco běžný atom vodíku je složen z elektronu a protonu , atom vodíku je tvořen pozitronem a antiprotonem . Vědci doufají, že studium antihydrogenu může osvětlit otázku, proč je v pozorovatelném vesmíru více hmoty než antihmoty , známé jako problém s baryonovou asymetrií . Antihydrogen se uměle vyrábí v urychlovačích částic .

Experimentální historie

Akcelerátory poprvé detekovaly horký antivodík v 90. letech minulého století. ATHENA studovala chlad
H
v roce 2002. Poprvé byl uvězněn týmem Antihydrogen Laser Physics Apparatus ( ALPHA ) v CERNu v roce 2010, který poté změřil strukturu a další důležité vlastnosti. ALPHA, AEGIS a GBAR plánují další ochlazení a studium
H
atomy.

Přechodové měření 1S – 2S

V roce 2016 experiment ALPHA měřil přechod atomových elektronů mezi dvěma nejnižšími hladinami energie vodíku, 1S – 2S. Výsledky, které jsou v experimentálním rozlišení identické s vodíkem, podporují myšlenku symetrie hmoty - antihmoty a symetrie CPT .

V přítomnosti magnetického pole se přechod 1S – 2S rozdělí na dva hyperjemné přechody s mírně odlišnými frekvencemi. Tým vypočítal přechodové frekvence pro normální vodík pod magnetickým polem v objemu vazby jako:

f dd = 2 466 061 103064 (2) kHz
f cc = 2 466 061 707 104 (2) kHz

Přechod jednoho fotonu mezi S stavy je zakázán pravidly kvantové selekce , takže pro pozvednutí pozitronů základního stavu na úroveň 2S byl omezovací prostor osvětlen laserem naladěným na polovinu vypočítaných přechodových frekvencí, stimulace umožnila absorpci dvou fotonů .

Atomy antihydrogenu excitované do stavu 2S se pak mohou vyvíjet jedním z několika způsobů:

  • Mohou emitovat dva fotony a vrátit se přímo do základního stavu tak, jak byly
  • Mohou absorbovat další foton, který ionizuje atom
  • Mohou emitovat jeden foton a vrátit se do základního stavu prostřednictvím stavu 2P - v tomto případě se spin pozitronu může převrátit nebo zůstat stejný.

Jak výsledky ionizace, tak rotace způsobí, že atom unikne z vězení. Tým vypočítal, že za předpokladu, že se antihydrogen chová jako normální vodík, by byla při expozici rezonanční frekvencí ztracena zhruba polovina atomů vodíku ve srovnání s případem bez laseru. Když byl laserový zdroj naladěn o 200 kHz pod polovinu přechodových frekvencí, vypočtená ztráta byla v podstatě stejná jako v případě bez laseru.

Tým ALPHA vyrobil dávky antihydrogenu, držel je 600 sekund a poté se zužoval po dobu 1,5 sekundy dolů do zadržovacího pole a počítal, kolik atomů antihydrogenu bylo zničeno. Udělali to za tří různých experimentálních podmínek:

  • Rezonance: - vystavení omezených atomů vodíku laserovému zdroji naladěnému přesně na polovinu přechodové frekvence po dobu 300 sekund pro každý ze dvou přechodů,
  • Off-rezonance:-vystavení uzavřených atomů vodíku laserovému zdroji naladěnému o 200 kilohertz pod dvě rezonanční frekvence po 300 sekund,
  • No-laser:-omezování atomů vodíku bez jakéhokoli laserového osvětlení.

Tyto dva ovladače, off-rezonance a ne-laser, byly potřebné k zajištění toho, aby samotné laserové osvětlení nezpůsobovalo zničení, možná uvolněním normálních atomů z povrchu nádoby, která by se pak mohla spojit s antihydrogenem.

Tým provedl 11 běhů ze tří případů a nezjistil žádný významný rozdíl mezi mimo rezonancí a bez laserových běhů, ale 58% pokles počtu událostí detekovaných po rezonančních bězích. Byli také schopni počítat události zničení během běhů a během rezonančních běhů našli vyšší úroveň, opět bez významného rozdílu mezi off-rezonancí a bez laserových běhů. Výsledky byly v dobré shodě s predikcemi založenými na normálním vodíku a lze je „interpretovat jako test symetrie CPT s přesností 200 ppt“.

Charakteristika

Věta CPT fyziky částic předpovídá antihydrogen atomy mají mnoho vlastností pravidelné vodíku; tj. stejná hmotnost , magnetický moment a frekvence přechodu v atomovém stavu (viz atomová spektroskopie ). Například se očekává, že excitované atomy vodíku budou zářit stejnou barvou jako běžný vodík. Atomy vodíku by měly být přitahovány k jiné hmotě nebo antihmotě gravitačně silou stejné velikosti, jakou zažívají běžné atomy vodíku. To by nebylo pravda, pokud má antihmota negativní gravitační hmotnost , která je považována za vysoce nepravděpodobnou, i když ještě není empiricky vyvrácena (viz gravitační interakce antihmoty ). Byl vyvinut nejnovější teoretický rámec pro negativní hmotnost a odpudivou gravitaci (antigravitaci) mezi hmotou a antihmotou a tato teorie je kompatibilní s větou CPT.

Když se antihydrogen dostane do kontaktu s běžnou hmotou, jeho složky rychle zničí . Pozitron anihiluje elektronem za vzniku paprsků gama . Antiproton je na druhé straně tvořen antikvarky, které se kombinují s kvarky buď v neutronech nebo protonech, což má za následek vysokoenergetické piony , které se rychle rozpadají na miony , neutrina , pozitrony a elektrony . Pokud byly atomy vodíku suspendovány v dokonalém vakuu , měly by přežít neomezeně dlouho.

Jako anti-element se očekává, že bude mít přesně stejné vlastnosti jako vodík. Například antihydrogen by byl za standardních podmínek plyn a kombinoval by se s kyslíkem za vzniku antiwater,
H
2
Ó
.

Výroba

První antihydrogen vyrobil v roce 1995 tým vedený Walterem Oelertem v CERNu metodou, kterou poprvé navrhli Charles Munger Jr. , Stanley Brodsky a Ivan Schmidt Andrade .

V LEAR byly antiprotony z urychlovače vystřeleny na xenonové klastry , čímž vznikly páry elektron-pozitron. Antiprotony mohou zachytit pozitrony s pravděpodobností asi10 −19 , takže tato metoda není vhodná pro podstatnou produkci, jak se vypočítá. Fermilab měřil poněkud jiný průřez, v souladu s předpověďmi kvantové elektrodynamiky . Oba vyústili ve vysoce energetické nebo žhavé anti-atomy, nevhodné pro podrobné studium.

Následně CERN postavil Antiproton Decelerator (AD) na podporu úsilí směrem k nízkoenergetickému antihydrogenu pro testy základních symetrií. AD dodá několik skupin CERN. CERN očekává, že jejich zařízení budou schopna produkovat 10 milionů antiprotonů za minutu.

Nízkoenergetický antihydrogen

Experimenty spolupráce ATRAP a ATHENA v CERNu spojily pozitrony a antiprotony v Penningových pastech , což vedlo k syntéze typickou rychlostí 100 atomů vodíku za sekundu. Antihydrogen byl poprvé vyroben společností ATHENA v roce 2002 a poté společností ATRAP a do roku 2004 byly vyrobeny miliony atomů vodíku. Syntetizované atomy měly relativně vysokou teplotu (několik tisíc kelvinů ) a v důsledku toho by zasáhly stěny experimentálního aparátu a zničily by je. Většina testů přesnosti vyžaduje dlouhou dobu pozorování.

ALPHA, nástupce spolupráce ATHENA, byla vytvořena za účelem stabilního zachycení antihydrogenu. Zatímco jsou elektricky neutrální, jeho rotační magnetické momenty interagují s nehomogenním magnetickým polem; některé atomy budou přitahovány k magnetickému minimu, vytvořenému kombinací zrcadlových a vícepólových polí.

V listopadu 2010 spolupráce ALPHA oznámila, že na šestinu sekundy uvěznili 38 atomů vodíku, což je první uvěznění neutrální antihmoty. V červnu 2011 uvěznili 309 atomů vodíku, až 3 současně, po dobu až 1 000 sekund. Poté studovali jeho hyperjemnou strukturu, gravitační efekty a náboj. ALPHA bude pokračovat v měření spolu s experimenty ATRAP, AEGIS a GBAR.

Větší atomy antihmoty

Větší atomy antihmoty, jako je antideuterium (
D
), antitritium (
T
) a antihelium (
On
) jsou mnohem obtížnější na výrobu. Antideuterium, antihelium-3 (3
On
) a antihelium-4 (4
On
) byla vytvořena jádra s tak vysokými rychlostmi, že syntéza jejich odpovídajících atomů představuje několik technických překážek.

Viz také

Reference

externí odkazy