Antihydrogen - Antihydrogen

Antihmota |
---|
![]() |
Antihydrogen (
H
) je antihmota protějšek vodík. Zatímco běžné atom vodíku se skládá z elektron a proton, atom antihydrogenu je tvořen a pozitron a antiproton. Vědci doufají, že studium antihydrogenu může osvětlit otázku, proč je toho víc hmota než antihmota v pozorovatelném vesmíru, známém jako asymetrie baryonu problém.[1] Antihydrogen se vyrábí uměle v urychlovače částic. V roce 1999 NASA poskytl odhad nákladů 62,5 bilionu dolarů na gram antihydrogenu (ekvivalent 96 bilionů dolarů dnes), což z něj činí nejdražší materiál na výrobu.[2] To je způsobeno extrémně nízkým výtěžkem na experiment a vysokým náklady příležitosti použití a urychlovač částic.
Experimentální historie
Akcelerátory poprvé detekovaly horký antihydrogen v 90. letech. ATHENA studoval studený
H
v roce 2002. Poprvé byl zachycen přístrojem Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA ) tým v CERN[3][4] v roce 2010, který poté změřil strukturu a další důležité vlastnosti.[5] ALPHA, AEGIS a GBAR plánují další chlazení a studium
H
atomy.
Měření přechodu 1S – 2S
V roce 2016 ALPHA experiment změřil přechod atomových elektronů mezi dvěma nejnižšími energetické hladiny antihydrogenu, 1S – 2S. Výsledky, které jsou shodné s výsledky vodíku v experimentálním rozlišení, podporují myšlenku symetrie hmoty - antihmoty a CPT symetrie.[6]
V přítomnosti magnetického pole se přechod 1S – 2S rozdělí na dvě části hyperjemný přechody s mírně odlišnými frekvencemi. Tým vypočítal přechodové frekvence pro normální vodík pod magnetickým polem v omezeném objemu jako:
- Fdd = 2 466 061 103064 (2) kHz
- Fcc = 2 466 061 707 104 (2) kHz
Jednofotonový přechod mezi stavy S je kvantem zakázán pravidla výběru, aby se positrony základního stavu povýšily na úroveň 2S, byl omezený prostor osvětlen laserem vyladěným na polovinu vypočtených přechodových frekvencí, stimulace byla povolena absorpce dvou fotonů.
Atomy antihydrogenů vzrušené do stavu 2S se pak mohou vyvinout 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 vyzařovat jediný foton a vrátit se do základního stavu prostřednictvím stavu 2P - v tomto případě může pozitronový spin otočit nebo zůstat stejný.
Výsledky ionizace i spin-flipu způsobují, že atom unikl z vězení. Tým vypočítal, že za předpokladu, že se antihydrogen chová jako normální vodík, by se během expozice rezonanční frekvenci ztratila zhruba polovina atomů antihydrogenů ve srovnání s případem bez laseru. S laserovým zdrojem naladěným na 200 kHz pod polovinu přechodových frekvencí byla vypočtená ztráta v podstatě stejná jako u případu bez laseru.
Tým ALPHA vytvořil šarže antihydrogenu, držel je po dobu 600 sekund a poté se zúžil v omezovacím poli po dobu 1,5 sekundy, přičemž počítal, kolik atomů antihydrogenů bylo zničeno. Udělali to za tří různých experimentálních podmínek:
- Rezonance: - vystavení omezených atomů antihydrogenu laserovému zdroji naladěnému na přesně polovinu přechodové frekvence po dobu 300 sekund pro každý ze dvou přechodů,
- Off-rezonance: - vystavení omezených atomů antihydrogenů laserovému zdroji naladěnému 200 kilohertzů pod dvěma rezonančními frekvencemi po dobu 300 sekund,
- No-laser: - omezení atomů antihydrogenů bez laserového osvětlení.
Tyto dva ovládací prvky, mimo rezonanci a bez laseru, byly zapotřebí k zajištění toho, že samotné laserové osvětlení nezpůsobuje anihilaci, snad uvolněním normálních atomů z povrchu zadržovací nádoby, které by se pak mohly kombinovat s antihydrogenem.
Tým provedl 11 běhů tří případů a nenalezl žádné významný rozdíl mezi rezonancí a žádným spuštěním laseru, ale 58% pokles počtu událostí zjištěných po spuštění rezonance. Byli také schopni počítat události zničení během běhů a našli vyšší úroveň během rezonančních běhů, opět bez významného rozdílu mezi off-rezonancí a bez laserových běhů. Výsledky byly v dobré shodě s předpovědi založenými na normálním vodíku a lze je „interpretovat jako test CPT symetrie s přesností 200 ppt.“[7]
Vlastnosti
The CPT teorém částicové fyziky předpovídá, že atomy vodíku mají mnoho vlastností, které má běžný vodík; tj. stejné Hmotnost, magnetický moment a frekvence přechodu atomového stavu (viz atomová spektroskopie ).[8] Například se předpokládá, že vzrušené atomy vodíku budou zářit stejnou barvou jako běžný vodík. Atomy antihydrogenů by měly být přitahován jinou hmotou nebo gravitačně antihmotou silou stejné velikosti, jakou zažívají obyčejné atomy vodíku.[3] To by nebyla pravda, pokud má antihmota negativní gravitační hmota, což je považováno za vysoce nepravděpodobné, i když dosud empiricky vyvrácené (viz gravitační interakce antihmoty ).[9]
Když antihydrogen přijde do styku s běžnou hmotou, jeho složky rychle zničit. Pozitron ničí s elektronem k produkci gama paprsky. Antiproton je na druhé straně tvořen antikvarky, které se kombinují s kvarky buď v neutronech nebo protonech, což vede k vysokoenergetickým piony, které se rychle rozpadají miony, neutrina, pozitrony, a elektrony. Pokud byly atomy antihydrogenů suspendovány v a perfektní vakuum, měli by přežít donekonečna.
Jako anti-element se očekává, že bude mít přesně stejné vlastnosti jako vodík.[10] Například antihydrogen by byl plyn za standardních podmínek a kombinoval by se s kyslíkem za vzniku antiwater,
H
2
Ó
.
Výroba
První antihydrogen byl vyroben v roce 1995 týmem vedeným Walter Oelert v CERNu[11] pomocí metody, kterou poprvé navrhl Charles Munger ml, Stanley J Brodsky a Ivan Schmidt Andrade.[12]
V UČTE se, antiprotony z plynový pedál byli zastřeleni xenon shluky,[13] produkující páry elektron-pozitron. Antiprotony mohou zachytit pozitrony s pravděpodobností asi 10−19, takže tato metoda není podle výpočtu vhodná pro podstatnou výrobu.[14][15][16] Fermilab změřil poněkud odlišný průřez,[17] v souladu s předpovědi kvantová elektrodynamika.[18] Oba vedly k vysoce energetickým nebo horkým protiatomům, nevhodným pro podrobné studium.
Následně CERN postavil Antiprotonový zpomalovač (AD) na podporu úsilí o nízkoenergetický antihydrogen pro testy základních symetrií. AD dodá několik skupin CERN. CERN očekává, že jejich zařízení budou schopna produkovat 10 milionů antiprotonů za minutu.[19]
Nízkoenergetický antihydrogen
Pokusy ATRAP a spolupráce ATHENY v CERNu spojily pozitrony a antiprotony v Penningové pasti, což má za následek syntézu při typické rychlosti 100 atomů vodíku za sekundu. Antihydrogen byl poprvé vyroben ATHENOU v roce 2002,[20] a poté ATRAP[21] a do roku 2004 byly vyrobeny miliony atomů antihydrogenů. Syntetizované atomy měly relativně vysokou teplotu (několik tisíc kelvinů ), a následkem toho by zasáhl stěny experimentálního přístroje a zničil. Většina testů přesnosti vyžaduje dlouhé doby pozorování.
ALPHA, nástupce spolupráce ATHENA, byla vytvořena, aby stabilně zachytila antihydrogen.[19] Zatímco je elektricky neutrální, jeho rotace magnetické momenty interagovat s nehomogenním magnetickým polem; některé atomy budou přitahovány na magnetické minimum vytvořené kombinací zrcadlových a vícepólových polí.[22]
V listopadu 2010 spolupráce ALPHA oznámila, že na šestinu sekundy uvěznili 38 atomů antihydrogenů,[23] první zadržení neutrální antihmoty. V červnu 2011 zachytili 309 atomů antihydrogenů, až 3 současně, po dobu až 1 000 sekund.[24] Poté studovali jeho hyperjemnou strukturu, gravitační efekty a náboj. ALPHA bude pokračovat v měřeních spolu s experimenty ATRAP, AEGIS a GBAR.
Větší atomy antihmoty
Větší atomy antihmoty jako např antideuterium (
D
), antitritium (
T
), a antihelium (
On
) se vyrábějí mnohem obtížněji. Antideuterium,[25][26] antihelium-3 (3
On
)[27][28] a antihelium-4 (4
On
) jádra[29] byly vyrobeny s tak vysokými rychlostmi, že syntéza jejich odpovídajících atomů představuje několik technických překážek.
Viz také
Reference
- ^ BBC News - Atomy antihmoty jsou ohraděny ještě déle. Bbc.co.uk. Citováno 2011-06-08.
- ^ „Dosah na hvězdy: Vědci zkoumají použití antihmoty a fúze k pohonu budoucí kosmické lodi“. NASA. 12. dubna 1999. Citováno 11. června 2010.
Antihmota je nejdražší látka na Zemi
- ^ A b Reich, Eugenie Samuel (2010). „Antihmota zadržena k výslechu“. Příroda. 468 (7322): 355. Bibcode:2010Natur.468..355R. doi:10.1038 / 468355a. PMID 21085144.
- ^ eiroforum.org - CERN: Antihmota v pasti Archivováno 3. února 2014 na adrese Wayback Machine, Prosinec 2011, zpřístupněno 8. 6. 2012
- ^ „Interní struktura antihydrogenu sondována poprvé“. Svět fyziky. 7. března 2012.
- ^ Castelvecchi, Davide (19. prosince 2016). „Efemérní atomy antihmoty se zachytily v milníkovém laserovém testu“. Příroda. doi:10.1038 / příroda.2016.21193. S2CID 125464517. Citováno 20. prosince 2016.
- ^ Ahmadi, M; et al. (19. prosince 2016). „Pozorování přechodu 1S – 2S v zachyceném antihydrogenu“ (PDF). Příroda. 541 (7638): 506–510. Bibcode:2017Natur.541..506A. doi:10.1038 / nature21040. PMID 28005057. S2CID 3195564.
- ^ Grossman, Lisa (2. července 2010). „Nejchladnější antiprotony“. Zaměření na fyzickou kontrolu. 26 (1).
- ^ "Antihydrogen uvězněn na tisíc sekund". Recenze technologie. 2. května 2011.
- ^ Palmer, Jason (14. března 2012). „Antihydrogen prochází vůbec prvním měřením“ - přes www.bbc.co.uk.
- ^ Freedman, David H. (leden 1997). „Antiatomy: tady dnes.“. Objevte časopis.
- ^ Munger, Charles T. (1994). "Produkce relativistických atomů antihydrogenů produkcí párů s pozitronovým záchytem". Fyzický přehled D. 49 (7): 3228–3235. Bibcode:1994PhRvD..49.3228M. doi:10.1103 / physrevd.49.3228. PMID 10017318. S2CID 12149672.
- ^ Baur, G .; Boero, G .; Brauksiepe, A .; Buzzo, A .; Eyrich, W .; Geyer, R .; Grzonka, D .; Hauffe, J .; Kilian, K .; LoVetere, M .; Macri, M .; Moosburger, M .; Nellen, R .; Oelert, W .; Passaggio, S .; Pozzo, A .; Röhrich, K .; Sachs, K .; Schepers, G .; Sefzick, T .; Simon, R. S.; Stratmann, R .; Stinzing, F .; Wolke, M. (1996). "Výroba antihydrogenů". Fyzikální písmena B. 368 (3): 251ff. Bibcode:1996PhLB..368..251B. doi:10.1016/0370-2693(96)00005-6.
- ^ Bertulani, C. A.; Baur, G. (1988). „Výroba párů se zachycením atomového pláště při relativistických srážkách těžkých iontů“ (PDF). Braz. J. Phys. 18: 559.
- ^ Bertulani, Carlos A .; Baur, Gerhard (1988). „Elektromagnetické procesy v relativistických srážkách těžkých iontů“ (PDF). Fyzikální zprávy. 163 (5–6): 299. Bibcode:1988PhR ... 163..299B. doi:10.1016/0370-1573(88)90142-1.
- ^ Aste, Andreas; Hencken, Kai; Trautmann, Dirk; Baur, G. (1993). „Výroba elektromagnetických párů se snímáním“ (PDF). Fyzický přehled A. 50 (5): 3980–3983. Bibcode:1994PhRvA..50,3980A. doi:10.1103 / PhysRevA.50.3980. PMID 9911369.
- ^ Blanford, G .; Christian, D.C .; Gollwitzer, K .; Mandelkern, M .; Munger, C.T .; Schultz, J .; Zioulas, G. (prosinec 1997). "Pozorování atomového antihydrogenu". Dopisy o fyzické kontrole. Laboratoř Fermiho národního urychlovače. 80 (14): 3037. Bibcode:1997APS..APR.C1009C. doi:10.1103 / PhysRevLett.80.3037. S2CID 58942287.
FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... a experimenty H.
- ^ Bertulani, C. A.; Baur, G. (1998). "Produkce antihydrogenu a přesnost ekvivalentní aproximace fotonu". Fyzický přehled D. 58 (3): 034005. arXiv:hep-ph / 9711273. Bibcode:1998PhRvD..58c4005B. doi:10.1103 / PhysRevD.58.034005. S2CID 11764867.
- ^ A b Madsen, N. (2010). „Studený antihydrogen: nová hranice v základní fyzice“. Filozofické transakce královské společnosti A. 368 (1924): 3671–82. Bibcode:2010RSPTA.368.3671M. doi:10.1098 / rsta.2010.0026. PMID 20603376.
- ^ Amoretti, M .; et al. (2002). "Výroba a detekce studených atomů antihydrogenů" (PDF). Příroda. 419 (6906): 456–9. Bibcode:2002 Natur.419..456A. doi:10.1038 / nature01096. PMID 12368849. S2CID 4315273.
- ^ Gabrielse, G .; et al. (2002). "Řízená výroba studeného antihydrogenu a první měřená distribuce antihydrogenových států" (PDF). Phys. Rev. Lett. 89 (23): 233401. Bibcode:2002PhRvL..89w3401G. doi:10.1103 / PhysRevLett.89.233401. PMID 12485006.
- ^ Pritchard, D. E .; Heinz, T .; Shen, Y. (1983). "Chlazení neutrálních atomů v magnetické pasti pro přesnou spektroskopii". Dopisy o fyzické kontrole. 51 (21): 1983. Bibcode:1983PhRvL..51.1983T. doi:10.1103 / PhysRevLett.51.1983.
- ^ Andresen, G. B. (ALPHA Collaboration ); et al. (2010). "Zachycený antihydrogen". Příroda. 468 (7324): 673–676. Bibcode:2010Natur.468..673A. doi:10.1038 / nature09610. PMID 21085118. S2CID 2209534.
- ^ Andresen, G. B. (ALPHA Collaboration ); et al. (2011). "Uzavření antihydrogenu na 1 000 sekund". Fyzika přírody. 7 (7): 558–564. arXiv:1104.4982. Bibcode:2011NatPh ... 7..558A. doi:10.1038 / nphys2025. S2CID 17151882.
- ^ Massam, T; Muller, Th .; Righini, B .; Schneegans, M .; Zichichi, A. (1965). "Experimentální pozorování produkce antideuteronu". Il Nuovo Cimento. 39 (1): 10–14. Bibcode:1965NCimS..39 ... 10M. doi:10.1007 / BF02814251. S2CID 122952224.
- ^ Dorfan, D.E .; Eades, J .; Lederman, L. M .; Lee, W .; Ting, C. C. (červen 1965). "Pozorování antideuteronů". Phys. Rev. Lett. 14 (24): 1003–1006. Bibcode:1965PhRvL..14.1003D. doi:10.1103 / PhysRevLett.14.1003.
- ^ Antipov, Y.M .; et al. (1974). "Pozorování antihelium3 (v ruštině)". Yadernaya Fizika. 12: 311.
- ^ Arsenescu, R .; et al. (2003). „Výroba antihelium-3 při srážkách olovo-olovo ve 158 A GeV /C". New Journal of Physics. 5 (1): 1. Bibcode:2003NJPh .... 5 .... 1A. doi:10.1088/1367-2630/5/1/301.
- ^ Agakishiev, H .; et al. (2011). "Pozorování jádra antihmoty helia-4". Příroda. 473 (7347): 353–6. arXiv:1103.3312. Bibcode:2011Natur.473..353S. doi:10.1038 / příroda10079. PMID 21516103. S2CID 118484566.
externí odkazy
- Merrifield, Michael; Copeland, ed. "
H
Antihydrogen ". Šedesát symbolů. Brady Haran pro University of Nottingham.