Antihidrogen

Antihidrogenul  este un analog al hidrogenului , constând din antimaterie . În timp ce un atom de hidrogen obișnuit este format dintr- un electron și un proton , un atom de antihidrogen este format dintr-un pozitron și un antiproton . Oamenii de știință speră că studiul antihidrogenului va ajuta la clarificarea motivului pentru care există mai multă materie în universul observabil decât antimaterie , cunoscută sub numele de problema asimetriei barionului [1] . Antihidrogenul este produs artificial în acceleratorii de particule .

Istoria experimentală

Atomii de antihidrogen de înaltă energie au fost descoperiți pentru prima dată la acceleratoare în anii 1990. Colaborarea ATHENA a studiat antihidrogenul rece în 2002. Captarea atomilor de antihidrogen a fost demonstrată pentru prima dată de grupul ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus ) de la CERN [2] [3] în 2010, care a măsurat apoi structura și alte proprietăți importante [4] . ALPHA, AEGIS și GBAR plănuiesc să continue răcirea și studierea atomilor de antihidrogen.

Măsurarea tranzițiilor 1S-2S

În 2016, experimentul ALPHA a măsurat tranziția electronică între cele mai scăzute două niveluri de energie de antihidrogen, 1S-2S. Rezultatele au fost identice cu măsurătorile pentru hidrogen în cadrul rezoluției experimentului, confirmând ideea de simetrie materie-antimaterie și CPT [5] .

În prezența unui câmp magnetic, tranziția 1S-2S se împarte în două tranziții hiperfine cu frecvențe ușor diferite. Echipa a calculat frecvențele de tranziție pentru hidrogenul normal supus unui câmp magnetic într-un volum limitat ca:

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

Tranziția cu un singur foton între stările S este interzisă de regulile de selecție cuantică , prin urmare, pentru a transfera pozitroni din starea fundamentală în starea 2S, un spațiu limitat a fost iluminat cu un laser reglat la jumătate din frecvența de tranziție calculată, stimulând a permis absorbția de doi fotoni .

Atomii de antihidrogen excitați în starea 2S sunt instabili și pot trece apoi într-unul din mai multe moduri în alte stări:

Atât ionizarea, cât și rotația de rotație fac atomul să scape din capcană. Echipa a calculat că, presupunând că antihidrogenul se comportă ca hidrogenul obișnuit, aproximativ jumătate din atomii de antihidrogen s-ar pierde în timpul expunerii la frecvența de rezonanță, în comparație cu cazul fără laser. Cu sursa laser reglată la 200 kHz sub jumătate din frecvența de încrucișare, pierderea calculată a fost în esență aceeași ca și în cazul fără laser.

Echipa ALPHA a creat aglomerări de antihidrogen, le-a ținut timp de 600 de secunde și apoi a redus câmpul de izolare timp de 1,5 secunde, numărând câți atomi de antihidrogen au fost anihilati. Au făcut acest lucru în trei condiții experimentale diferite:

Două controale, fără rezonanță și fără laser, au fost necesare pentru a se asigura că radiația laser în sine nu provoacă anihilare, poate prin eliberarea atomilor normali de pe suprafața vasului de izolare, care s-ar putea combina apoi cu antihidrogenul.

Echipa a efectuat 11 lansări de trei ori și nu a găsit nicio diferență semnificativă între lansările fără rezonanță și cele fără laser, ci o reducere cu 58% a numărului de evenimente detectate după ce rezonanța a trecut. De asemenea, au putut număra evenimentele de anihilare în timpul sesiunilor și au găsit niveluri mai ridicate în timpul lansărilor rezonante, din nou fără nicio diferență semnificativă între lansările nerezonante și fără laser. Rezultatele sunt în acord cu predicțiile bazate pe hidrogen normal și pot fi „interpretate ca un test de simetrie CPT până la 200 ppt ” [6] .

Caracteristici

Teorema CPT din fizica particulelor prezice că atomii de antihidrogen au multe dintre caracteristicile hidrogenului obișnuit; adică au aceeași masă , moment magnetic și frecvențe de tranziții între stările atomice (vezi Spectroscopie atomică ) [7] . De exemplu, se așteaptă ca atomii de antihidrogen excitați să emită lumină de aceeași frecvență ca și hidrogenul obișnuit. Atomii de antihidrogen ar trebui să fie atrași de altă materie sau antimaterie gravitațional cu o forță de aceeași magnitudine ca atomii de hidrogen obișnuiți [2] . Acest lucru nu ar trebui să fie valabil dacă antimateria are o masă gravitațională negativă , ceea ce este considerat extrem de puțin probabil, deși nu este încă infirmat empiric (vezi interacțiunea gravitațională cu antimaterie ). Cu toate acestea, a fost dezvoltat un model teoretic pentru masa negativă și gravitația respingătoare (antigravitație) între materie și antimaterie, iar această teorie este compatibilă cu teorema CPT [8] .

Când antihidrogenul intră în contact cu materia obișnuită, constituenții săi se anihilează rapid . Pozitronul se anihilează cu electronul, producând raze gamma . Pe de altă parte, antiprotonul este alcătuit din antiquarci care se combină cu cuarcii în neutroni sau protoni, rezultând pioni de mare energie care se descompun rapid în muoni , neutrini , pozitroni și electroni . Dacă atomii de antihidrogen ar fi suspendați într-un vid perfect , ei ar exista la infinit.

Ca anti-element, este de așteptat să aibă aceleași proprietăți ca și hidrogenul [9] . De exemplu, antihidrogenul va fi un gaz în condiții standard și se va combina cu antioxigen pentru a forma antiapă .

Producție

Primii atomi de antihidrogen au fost generați în 1995 de o echipă condusă de Walter Ohlert la CERN [10] folosind o metodă inițiată de Charles Munger, Jr. , Stanley Brodsky și Ivan Schmidt Andrade [11] .

În acceleratorul inel LEAR , antiprotonii din accelerator lovesc grupurile de xenon [12] , creând perechi electron-pozitron. Antiprotonii pot capta pozitroni cu o probabilitate de aproximativ 10 -19 , prin urmare, conform calculelor, această metodă nu este potrivită pentru performanțe semnificative [13] [14] [15] . Fermilab a măsurat o secțiune transversală ușor diferită [16] care este în concordanță cu predicțiile electrodinamicii cuantice [17] . Ambele metode au dus la apariția unor antiatomi fierbinți (de înaltă energie), nepotriviți pentru studiul detaliat.

Ulterior, CERN a creat un moderator antiproton (AD) pentru a sprijini eforturile de a crea antihidrogen cu energie scăzută pentru a testa simetriile fundamentale. AD va furniza antihidrogen mai multor grupuri de la CERN. CERN se așteaptă ca instalațiile lor să fie capabile să producă 10 milioane de antiprotoni pe minut [18] .

Antihidrogen cu energie scăzută

Experimentele efectuate de colaborările ATRAP și ATHENA la CERN au reușit să combine pozitronii și antiprotonii în capcane Penning , rezultând fuziunea la o rată tipică de 100 de atomi de antihidrogen pe secundă. Antihidrogenul a fost produs pentru prima dată în 2002, mai întâi prin colaborarea ATHENA [19] și apoi ATRAP [20] , iar până în 2004 au fost produși milioane de atomi de antihidrogen. Atomii sintetizați au avut o temperatură relativ ridicată (câteva mii de kelvin ) și, ca urmare, au lovit pereții configurației experimentale și au fost anihilati. Cele mai multe teste de precizie necesită o urmărire pe termen lung.

ALPHA, succesorul colaborării ATHENA, a fost conceput pentru a capta antihidrogenul într-o manieră stabilă [18] . Fiind neutru din punct de vedere electric, momentele sale magnetice de spin interacționează cu un câmp magnetic neomogen; unii atomi vor fi atrași de minimul magnetic creat de combinația dintre câmpurile oglindă și multipolare [21] .

În noiembrie 2010, colaborarea ALPHA a anunțat că au prins 38 de atomi de antihidrogen într-o șase de secundă [22] , marcând primul succes al confinării antimateriei neutre. În iunie 2011, au capturat 309 atomi de antihidrogen, până la 3 o dată, timp de până la 1000 de secunde [23] . Apoi au studiat structura sa hiperfină, efectele gravitaționale și sarcina. ALPHA va continua măsurătorile împreună cu experimentele ATRAP, AEGIS și GBAR.

Atomi de antimaterie mai mari

Atomii de antimaterie mai mari, cum ar fi antideuteriu ( D ), antitritiu ( T ), antiheliu-3 ( 3He ) și antiheliu-4 ( 4He ) sunt mult mai dificil de produs. Antideuterium [24] [25] , antiheliu-3 ( 3 He ) [26] [27] și antiheliu-4 ( 4 He ), alte nuclee [28] sunt create la viteze atât de mari încât fuziunea atomilor corespunzători lor creează mai multe obstacole tehnice.

Note

Comentarii

Surse

  1. ↑ BBC News - Atomii de antimaterie sunt adunați și mai mult Arhivat 4 septembrie 2017 la Wayback Machine . BBC.co.uk. Preluat pe 2011-06-08.
  2. ↑ 1 2 Reich, Eugenie Samuel (2010). „Antimateria reținută pentru interogare.” natura . 468 (7322): 355. Bibcode : 2010Natur.468..355R . DOI : 10.1038/468355a . PMID  21085144 .
  3. ↑ eiroforum.org - CERN: Antimateria în capcană Arhivat din original pe 3 februarie 2014. Decembrie 2011, accesat 2012-06-08
  4. ↑ Structura internă a antihidrogenului testată pentru prima dată . Lumea Fizicii (7 martie 2012). Preluat la 3 iulie 2021. Arhivat din original la 30 iulie 2017.
  5. ↑ Castelvecchi, Davide (19 decembrie 2016). „Atomi de antimaterie efemeri fixați în testul cu laser de referință” . natura . DOI : 10.1038/nature.2016.21193 . Arhivat din original pe 20.12.2016 . Consultat la 20 decembrie 2016 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  6. ↑ Ahmadi, M (19 decembrie 2016). „Observarea tranziției 1S–2S în antihidrogen prins” (PDF) . natura . 541 (7638): 506-510. Bibcode : 2017Natur.541..506A . DOI : 10.1038/nature21040 . PMID28005057  . _ Arhivat (PDF) din original pe 2017-04-19 . Extras 2021-07-03 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  7. ↑ Grossman, Lisa (2 iulie 2010). „Cei mai tari antiprotoni” . Focalizarea analizei fizice . 26 (1). Arhivat din original pe 2010-07-04 . Extras 2021-07-03 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  8. ↑ Du. Aplicarea noii ecuații relativiste de unde cuantice asupra atomului de hidrogen și implicațiile sale asupra experimentelor gravitaționale cu antimaterie . Preluat la 3 iulie 2021. Arhivat din original la 26 aprilie 2021.
  9. ↑ Palmer. Antihidrogenul este supus pentru prima măsurătoare (14 martie 2012). Preluat la 3 iulie 2021. Arhivat din original pe 7 octombrie 2019.
  10. ↑ Freeman . Antiatomi: Aici astăzi. . . , Discover Magazine  (ianuarie 1997). Arhivat din original pe 21 iulie 2019. Preluat la 3 iulie 2021.
  11. ↑ Munger, Charles T. (1994). „Producția de atomi relativiști de antihidrogen prin producerea de perechi cu captarea de pozitroni”. Revizuirea fizică D. 49 : 3228-3235. Cod biblic : 1994PhRvD..49.3228M . DOI : 10.1103/physrevd.49.3228 . PMID 10017318 . 
  12. ↑ Baur G. și colab. Producția de antihidrogen  (engleză)  // Fizică Litere B . - 1996. - Vol. 368 , iss. 3 . - P. 251-258 . - doi : 10.1016/0370-2693(96)00005-6 . - Cod .
  13. ↑ Bertulani CA, Baur G. Producția de perechi cu capturarea învelișului atomic în coliziuni relativiste cu ioni grei   // Braz . J. Phys. - 1988. - Vol. 18 , nr. 4 . - P. 559-573 .
  14. ↑ Bertulani CA, Baur G. Electromagnetic processes in relativistic heavy ion collisions  //  Physics Reports. - 1988. - Vol. 163 , iss. 5–6 . — P. 299-408 . - doi : 10.1016/0370-1573(88)90142-1 . - Cod biblic .
  15. ↑ Aste A. et al. Producția de perechi electromagnetice cu captură  (engleză)  // Revista fizică A. - 1993. - Vol. 50 , iss. 5 . - P. 3980-3983 . - doi : 10.1103/PhysRevA.50.3980 . - Cod . — PMID 9911369 .
  16. ↑ Blanford G. și colab. Observarea antihidrogenului atomic  (engleză)  // Scrisori de revizuire fizică. - 1997. - Vol. 80 , iss. 14 . - P. 3037-3040 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.80.3037 . - Cod .
  17. ↑ Bertulani CA, Baur G. Producția de antihidrogen și acuratețea aproximării fotonului echivalent  //  Physical Review D. - 1998. - Vol. 58 , iss. 3 . — P. 034005 . - doi : 10.1103/PhysRevD.58.034005 . - Cod . - arXiv : hep-ph/9711273 .
  18. ↑ 1 2 Madsen N. Antihidrogen rece: o nouă frontieră în fizica fundamentală  //  Philosophical Transactions of the Royal Society A. - 2010. - Vol. 368 , iss. 1924 _ - P. 3671-3682 . doi : 10.1098 / rsta.2010.0026 . - Cod . — PMID 20603376 .
  19. ↑ Amoretti M. și colab. =Producerea și detectarea atomilor de antihidrogen reci   // Natura . - 2002. - Vol. 419 , iss. 6906 . - P. 456-459 . - doi : 10.1038/nature01096 . — Cod . — PMID 12368849 .
  20. ↑ Gabrielse G. și colab. Producția condusă de antihidrogen rece și prima distribuție măsurată a stărilor de antihidrogen   // Phys . Rev. Let.. - 2002. - Vol. 89 , iss. 23 . — P. 233401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.89.233401 . - Cod . — PMID 12485006 .
  21. ↑ Pritchard DE Răcirea atomilor neutri într-o capcană magnetică pentru spectroscopie de precizie  //  Physical Review Letters. - 1983. - Vol. 51 , iss. 15 . - P. 1336-1339 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1336 . - Cod .
  22. ↑ Andresen G.B. și colab. ( Colaborarea ALPHA ) (2010). Antihidrogen prins. natura . 468 (7324): 673-676. Bibcode : 2010Natur.468..673A . DOI : 10.1038/nature09610 . PMID21085118  . _
  23. ↑ Andresen G.B. și colab. ( Colaborarea ALPHA ) (2011). „Închiderea antihidrogenului timp de 1.000 de secunde”. Fizica naturii . 7 (7): 558-564. arXiv : 1104,4982 . Bibcode : 2011NatPh...7..558A . DOI : 10.1038/nphys2025 .
  24. ↑ Massam T. și colab. Observarea experimentală a producției de antideuteron  (engleză)  // Il Nuovo Cimento. - 1965. - Vol. 39 , iss. 1 . — P. 10–14 . - doi : 10.1007/BF02814251 . - Cod biblic .
  25. ↑ Dorfan D.E. și colab. Observarea antideuteronilor  (engleză)  // Phys. Rev. Let.. - 1965. - Vol. 14 , iss. 24 . - P. 1003-1006 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.14.1003 . - Cod .
  26. ↑ Antipov Yu. M. et al. Observarea antihelium-3 // Fizica nucleară . - 1970. - T. 12 . - S. 311 .
  27. ↑ Arsenescu R.; et al. (2003). „Producția de antiheliu-3 în coliziuni plumb-plumb la 158 A GeV/ s ”. Noul Jurnal de Fizică . 5 (1). Cod biblic : 2003NJPh ....5....1A . DOI : 10.1088/1367-2630/5/1/301 .
  28. ↑ Agakishiev H.; et al. (2011). „Observarea nucleului antimateriei heliu-4”. natura . 473 (7347): 353-6. arXiv : 1103.3312 . Bibcode : 2011Natur.473..353S . DOI : 10.1038/nature10079 . PMID  21516103 .

Link -uri