Antihidrogenas: nauja antimatterių eksperimentų era

Antihidrogenas: nauja antimatterių eksperimentų era

Ana Grushina, fizikas
"Mokslas ir gyvenimas" № 1, 2017

Fizikai iš ALPHA bendradarbiavimo CERN pirmą kartą išmatuotas energijos perteklius prieš vandenilio atomą. Antimatteriška optinė spektroskopija yra ne tik rimtas technologinis proveržis: šis eksperimentas yra labai svarbus supratimui apie fizinę pasaulio įvaizdį.

Simetrija užima svarbią vietą fizinių įstatymų supratime. Apskritai, simetrija nustato, kaip fizinė sistema elgsis esant tam tikrai transformacijai, pavyzdžiui, kas atsitiks, jei pakeisite visus elektros krūvius į priešingus, atspindys sistemą, palyginti su tam tikru paviršiumi, arba pakeiskite laiką. Kiekvienas iš šių transformacijų atskirai gali pažeisti fizinių įstatymų simetriją. Magnetinio lauko buvimas, pavyzdžiui, "sulaužė" laikinąją simetriją. Bet jei mes "sujungsime" tris nagrinėjamų transformacijų tipus, gausime esminę simetriją, kurią turės paklusti visi fizikos įstatymai. Tai reiškia, kad visi Visatos "veidrodinio atspindžio" procesai, kuriuose visos judėjimo kryptys yra pasukamos priešinga kryptimi, o mokesčiai pakeičiami priešingais, turėtų būti vienodi,kaip ir "originalioje" visatoje. Tokia simetrija vadinama CPT po pirmųjų trijų transformacijų, kurias jie susieja, raidėmis: mokestis konjugacijai (mokesčio inversija, paritetas ir laikas). Šiuolaikinis mokslas mano, kad CPT simetrija yra esminė, tai yra privaloma visiems fiziniams įstatymams.

Laboratorinis eksperimentas ALPHA. Nuotrauka: Maximilien Brice / CERN

Pirmieji du transformacijos (įkrovos pakeitimo ir atspindžio atspindys) paverčia medžiagą į antimatterą. Pagal "Didžiojo sprogimo" teoriją turėjo būti susidaręs vienodas medžiagos ir antimatterio kiekis, bet dėl ​​medžiagos simetrijos pažeidimo paaiškėjo, kad jis yra daugiau. Kaip ir kodėl tai atsitiko, yra vienas iš neišspręstų fizikos paslapčių. Norėdami jį išspręsti, turite patikrinti, kaip veikia pagrindiniai fizikos įstatymai antimatteri. Deja, techniškai labai sunku atlikti tiesioginius eksperimentus su antimetriu: ji sunaikina sąlytį su medžiaga. Praėjo dvidešimt metų nuo pirmosios antivandenilio atomų sintezės, ir nuo tada fizikai išmoko kontroliuoti antiatomų energiją, taip pat sukūrė specialius spąstus, kurių pagalba 18 valandų (maždaug 1000 sekundžių) apsaugo nuo vandenilio anijonavimo.

Kad būtų laikomasi CPT simetrijos, reikia, kad vandenilio energijos lygis būtų toks pats kaip ir vandenilio lygis. 1S-2S perėjimo į anti-vandenilio atomą matavimas buvo griežto CPT simetrijos bandymo pradžia.

Prisiminkite, kad bet kuris materijos atomas susideda iš branduolio, aplink kurį sukasi elektronai. Priklausomai nuo cheminio elemento skiriasi branduolio masė ir dydis, taip pat elektronų skaičius. Jie užima vadinamuosius energijos lygius: kuo arčiau elektronas yra branduolys, tuo mažiau energijos, bet dėl ​​Pauli uždraudimo visi elektronai negali būti vienodo energijos lygio. Spektroskopiniais eksperimentais atomas apšvitinamas šviesa su tam tikra energija. Kai absorbuojamas fotonas, kuris atitinka energijos energijos skirtumą tarp dviejų energijos lygių, elektronas patenka į sužadintą būseną, kuri atitinka jos "peršokimą" į aukštesnį energijos lygį. Po kurio laiko elektronas grįš į pagrindinę būseną, iš naujo išmeta fotoną arba paverčia energijos skirtumą į terminius svyravimus.

Kodėl tiksliai antiindžiozė pritraukia tokį fizikų dėmesį? Pirma, vandenilis yra labiausiai ištirtas visos periodinės lentelės cheminis elementas.Vandenilio absorbcijos spektrai yra kruopščiai ištirti ir plačiai naudojami, pavyzdžiui, astronomijoje. Antra, antihidrogenas susideda iš antiprotono ir pozitrono, tai yra, tik du ingredientai turi būti "sumaišomi", o tai labai supaprastina jau sudėtingą sintezės užduotį.

Spektrinės vandenilio linijos, serijinės, logaritminiu mastu. Tiražas: OrangeDog / "Wikimedia Commons" / CC-BY-SA-3.0

Šiandien didžiausias antimatter tyrimų centras yra CERN, kur kelios eksperimentai buvo atlikti prieš vadinamąjį antiprotonų retarderį: ALPHA, ATRAP, ASACUSA ir BASE. Be jau dirbančių eksperimentų, dar dvi rengiasi eiti į pradžią.

Antiprotonų retarderis yra unikali priemonė, kuri gamina mažos energijos antiprotonus, kurie gali būti naudojami eksperimentams su antimedžiais. Iš kur pirmiausia atsiranda antiprotons? Protono sija, pagreitinta protonų sinchronograma, nukreipta į metalinį objektą. Susidūrimas suteikia daug antrinių dalelių, tarp kurių susiduria antiprotons. Bet jų energija yra per didelė antimedos atomų susidarymui, be to, visi juda skirtingomis kryptimis.Todėl jie pirmiausia sukoncentruoti ir filtruojami naudojant elektromagnetinius lęšius, po kurių antiprotonų pluoštas nukreipiamas į moderatorių. Jis susideda iš magnetų, "lenkimo" ir dalelių spindulio fokusavimo, o elektrinis laukas žymiai sulėtins antiprotonus keletą ciklų, kol jų greitis nukris iki 1/10 šviesos greičio. Po to antiprotanai yra pasirengę formuoti priešvandenį. Daugybė antiprotonų yra "sujungti" su daugybe pozitronų, kuriuos išskiria specialus radioaktyvusis objektas. Dėl daugelio metų ALPHA-2 įrenginio patobulinimų, iš 90 000 antiprotonų buvo pasiekta maždaug 25 000 anhidrogenų atomų produkcija (maišymo laikas buvo apie 15 minučių).

Antiprotono inhibitorius CERN. Nuotrauka: CERN

BapieDauguma gautų anti-vandenilio atomų netinka spektroskopijai, nes jie yra susijaudinę būsenoje. Todėl mokslininkai išleidžia "karštus" atomus iš spąstų ir palieka lėtesnius atomus su mažiausia energija. Po dviejų nuoseklių "rūšiavimo" pakopų, spąstų spąste išlieka vidutiniškai 14 antivandenilio atomų.(Tai yra gerokai geriau, nei ankstesnis rezultatas, kai spąstų metu buvo užfiksuotas vidutiniškai 1,2 atomų.) Palyginimui: įprastinė "šaltų" vandenilio atomų spektroskopija atliekama su spąstus 1012 atomais.

Eksperimento metu anti-vandenilio atomai yra kameroje su itin giliu vakuumu – speciali magnetinė spąslė ten laikoma ten apie 10 minučių. Per šį laiką antitomoms laikas eiti į pagrindinę, neišvystytą būseną, ir su jais jau galima atlikti spektroskopinius eksperimentus. Ultravioletinis lazeris su 243 nm bangos ilgiu "išmeta" positroną iš 1S orbitos į 2S orbitą dėl dviejų fotonų absorbcijos – tai netiesinio optinio efekto pavadinimas, kurio metu dviejų fotonų absorbcija padidina jų energiją ir yra lygi absorbcijai viename fotone su pusiu ilgio bangos.

Elektroniniai perėjimai į vandenilio atomą ir atitinkami bangos ilgiai. Energijos lygiai nėra matomi. Kiekviena serija atitinka perėjimus iš tam tikro energijos lygio: pavyzdžiui, Lymano serija – nuo pirmojo lygio, Balmero serija – nuo antrojo, Pascheno – iš trečiojo. Tiražas: Szdoriai / "Wikimedia Commons" / "CC-BY-SA-2.5"

1S-2S perėjimas, pirmasis iš Lyman serijos, atitinka 121,6 nm bangos ilgį. Vandenilio atomais tai yra viena iš ilgiausiai išgyvenamų energijos perėjimų, jos trukmė yra 1/8 sekundės. Įeinant į susijaudinusią būseną, antivadrogenas turi keletą būsimų įvykių scenarijų: grįžti į pagrindinę būklę, išskiriant vieną ar du fotonus, prarasti positroną jonizacijos procese arba pasukti positronų sukimąsi. Paskutiniai du scenarijai lemia tai, kad antiatomas ar jo komponentai ištrūko iš spąstų ir naikinimo. Praėjus 10 minučių nuo eksperimento pradžios, spąstai yra išjungiami ir visi antiatomi aniliniai. Svarbu stebėti naikinimo procesą naudojant specialų detektorių: tai yra sunaikinimas, kuris yra galutinis įrodymas, kad antimatter tikrai buvo spąstus. Šiuo atveju taip pat būtina atsižvelgti į tai, kad detektorius "fonite" dėl kosminių spindulių, patenkančių į detektorių (ir viską aplink, įskaitant jus ir aš).

ALPHA nustatytas lazeris. Nuotrauka: CERN

Fizikai patvirtino 1S-2S pereinamojo antihidrogeno ir CPT savybes, besiskiriantį 2 × 10 tikslumu−10. Kitas eksperimento etapas yra paaiškinti anti-vandenilio absorbcijos linijos formą, išmatuoti perteklinę perėjimo struktūrą, padidinti apšvitos spektrą ir sužinoti, kaip elgiasi kiti anti-vandenilio energijos perėjimai.Tai svarbu, nes daugybė teorijų, bandančių išeiti už standartinio modelio ir sujungti gravitaciją su likusia pagrindine jėga, pavyzdžiui, stygos teorija, reiškia CPT simetrijos pažeidimą. Tokie eksperimentai padės pašalinti mažiausiai realistines teorijas. Kita vertus, kol kas negalima tiksliai teigti, kad CPT yra iš esmės pagrindinė simetrija.

Bet kokiu atveju, eksperimento rezultatai paskelbti žurnale Gamta 2016 m. gruodžio mėn. yra antikormalinių medžiagų tyrimo posūkis, nes fizikai persikėlė iš eksperimentų, kuriuose parodyta pagrindinė galimybė sukurti ir palaikyti antimatterą, nukreipti eksperimentus į labai tikslią vandenilio ir priešvandenilio metrologijos palyginimą ir atidžiai patikrinti CPT simetriją ir po Didžiojo sprogimo paaiškinti materijos pranašumą prieš antimatterą.

Priešvandenilio istorija

1905 m. Birželio 30 d
Vokietijos žurnalas "Annals of Physics" paskelbė straipsnį "Dėl judančių kūnų elektrodinamikos", kurį pateikė jaunasis patentų biuro darbuotojas Albertas Einšteinas. Šis straipsnis pažymėjo specialios reliatyvumo teorijos pradžią,kuriame aprašomi tarpo ir laiko santykiai, taip pat tarp energijos ir masės, naudojant formulę E = mc2.

Victor Hess (centre) ruošiantis skraidyti balionu. 1912 m Foto: Amerikos fizikos visuomenė / Pd

1912 m. Balandžio 7 d
Austrijos fizikas Viktoras Hessas atrado kosminius spindulius – natūralų didelės energijos dalelių šaltinį. Jis atliko oro baliono skrydį beveik visiško saulės užtemimo metu, matavęs atmosferos jonizacijos laipsnį iki 5300 m aukščio. Kadangi atmosferos jonizacija su altimu nesumažėjo net per užtemimą, Hessas padarė išvadą, kad yra toli erdvėje spinduliuotės šaltinis.

1920-1930
Erwinas Schrödingeris ir Werneris Heisenbergas pritaikė Planco energijos kvantų sąvoką prie atomo ir jo dalių, dėl kurių atsirado kvantavimo teorija.

1928 m. Sausio 2 d
Pauliaus Diraco knyga "Kvantinė teorija elektronų" yra publikuojama lygtimi, jungiančia kvantišką teoriją su specialia reliatyvumo teorija ir apibūdinančią judėjimą elektroną su reliatyvizmo greitį. Lygtis priima antiseptikų egzistavimą, nes ji turi du sprendimus: vieną elektroną su teigiama energija, o kitą – neigiamą.

Savo Nobelio paskaitoje Paul Dirac prognozuoja antimedijos buvimą: "Jei leisime visišką teigiamo ir neigiamo krūvio simetriją, pagal pagrindinius gamtos dėsnius turime manyti, kad Žemė ir galbūt Saulės sistema daugiausia susideda iš neigiamų elektronų ir teigiami protonai, atsitiktinai. Tikėtina, kad kai kurios žvaigždės yra išdėstytos priešingai, ir jie gali būti positronai ir neigiami protonai. Apskritai, galima abiejų tipų žvaigždės yra vienodos. Jos turi turėti vienodus spektrus, o šiuolaikinė astronomija negali atskirti vienos rūšies žvaigždžių nuo kitos. "

1932 m. Rugsėjo 9 d
Karlas Andersonas, tyrinėjęs kosminius spindulius burbulo kameroje, atrado pozitroną.

1934 m. Vasario 20 d
Ernestas Lawrence patentuota ciklotronui – prietaisui, skirtui pagreitinti daleles naudojant aukštą įtampą. Kalifornijos universiteto Berkeley universitete įrengimas buvo skirtas bombarduoti taikinius iš įvairių medžiagų su dispersinėmis dalelėmis, dėl kurių atsirado naujų radioaktyviųjų elementų sintezė. Tai buvo branduolinės fizikos branduolinės energijos pradžia.

1954
Vadovaujant Lawrence'ui, "Bevatron" buvo pastatytas Berkeley Radiatorijos laboratorijoje, kurios pavadinimas buvo gautas iš "elektronų elektronų voltų milijardų" (šiuolaikinėje fizikoje prefiksas "giga" naudojamas šiai vertei).

Bevatron Berkeley, Kalifornijoje. Foto: Lawrence Berkeley nacionalinė laboratorija

1955 m. Lapkričio 1 d
Owen Chamberlain, Emilio Segre, Clyde Wiegand ir Thomas Ypsilantis iš Radiacinės laboratorijos paskelbė straipsnį apie antiprotono atradimą.

1956 m. Lapkričio 3 d
Bruce Cork, Glen Lambertson, Oreste Piccione ir William Wenzel iš tos pačios laboratorijos paskelbė straipsnį apie antineutrono atradimą. Šis atradimas parodė, kad kiekviena dalelė, kuri sudaro atomą, turi antiparticle.

Liepos 27 d. 1964 m
Bokhaveno nacionalinės laboratorijos James Cronin ir Val Fitch eksperimentiniais tyrimais atrado CP simetrijos pažeidimus – silpna sąveika įvairiais būdais vyksta dėl medžiagos ir antimedijos.

1965 m. Rugsėjo 1 d
Pirmą kartą buvo sintezuotas antiatomo branduolys, sudarytas iš antiprotonų-antineutronų poros. Vienu metu atradimą sukūrė dvi fizikų grupės: viena – vadovaujant Antonio Zikiki iš CERN, o kita – Leon Lederman iš Brookhaven nacionalinės laboratorijos.

1978 m. Rugpjūčio 18 d
CERN mokėsi saugoti antiprotons 85 valandas. Prieš tai fizikai sugebėjo išlaikyti antiprotons tik dešimt tūkstančių sekundžių.

Balandžio 4 d. 1981 m
CERN buvo užregistruoti pirmieji simonų van der Meero ir Carlo Rubbia vadovaujamos grupės susidūrimai tarp protonų ir antiprotonų. Šis eksperimentas taip pat leido stebėti kvarkus ir gluonus, kurie sudaro protonus ir neutronus.

1995 m. Rugsėjo 15 d
CERN Walter Olert vadovaujamų fizikų grupė sintezė pirmuosius priešvandenilio atomus, užregistruotus dėl sunaikinimo.

1997 m. Vasario 7 d
CERN priėmė antiprotonų retarderio kūrimo projektą.

2002
Du eksperimentai po CERN – ATHENA ir ATRAP stogu – buvo sintezuoti tūkstančiai antiatomų. Fizikai išmoko atvėsti priešatomus, tai yra, sulėtinti jų judėjimą, kad galėtumėte laiko ištirti jų ypatybes, kol jie naikins.

2011 m. Birželio 5 d
ALPHA yra vienas iš naujų eksperimentinių įrenginių, pagrįstų CERN, dėl kurio paaiškėjo, kad 1000 sekundžių išlaikyti atvėsintus priešvandenilio atomus.

2011 m. Liepos 28 d
ASACUSA – ALPHA "kaimynas" literatūroje ir vaizdine prasme – abu eksperimentai gauna antiprotons iš bendro antiprotono moderatoriaus. ASACUSA fizikai galėjo labai tiksliai išmatuoti antihidrogeno atomo masę.

2012 m. Kovo 7 d
ALPHA bendradarbiavimas paskelbė pirmosios positroninės paramagnetinės spektroskopijos antihidrogeno atomų rezultatus. Rezonansinė mikrobangų spinduliuotė stipriame magnetiniame lauke "pasuko" positronų nugara, dėl kurios pasikeitė magnetinis priešvandenilio momentas, atomas paliko spąstus ir naikino.

2015 rugpjūčio 12 d
Bendradarbiavimas BASE parodė labai tikslų protonų ir antiprotonų masės ir įkrovimo santykio palyginimą.

2016 m. Lapkričio 12 d
Antiprotons baziniame rezervuare šventė savo pirmąjį gimtadienį.

Sausio 2016 m
Išleidžiami ALPHA eksperimento rezultatai: išmatuojama tiksli elektrinio krūvio anti-vandenilio vertė ir patvirtintas antiatomo elektrodinis neutralumas.

CERN kuria naują antiprotonų moderatoriaus žiedą, kuris bus pavadintas ELENA. Šis 30 metrų ilgio moderatorius gali sukurti tankesnį lėtesnių antiprotonų spindulių pluoštą ir tuo pačiu metu atlikti keturis eksperimentus.

Remiantis CERN


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: