Antivety

Antivety on vedyn  analogi , joka koostuu antiaineesta . Tavallinen vetyatomi koostuu elektronista ja protonista , kun taas antivetyatomi koostuu positronista ja antiprotonista . Tiedemiehet toivovat, että antivedyn tutkimus auttaa valaisemaan sitä, miksi havaittavassa maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antimateriaa , joka tunnetaan baryonien epäsymmetrian ongelmana [1] . Antivetyä tuotetaan keinotekoisesti hiukkaskiihdyttimissä .

Kokeiluhistoria

Korkeaenergiset antivetyatomit löydettiin ensimmäisen kerran kiihdyttimistä 1990-luvulla. ATHENA - yhteistyö tutki kylmää antivetyä vuonna 2002. Antivetyatomien vangitsemisen osoitti ensimmäisenä Antihydrogen Laser Physics Apparatus ( ALPHA ) -ryhmä CERNissä [2] [3] vuonna 2010, joka sitten mittasi rakenteen ja muita tärkeitä ominaisuuksia [4] . ALPHA, AEGIS ja GBAR suunnittelevat jatkavansa antivetyatomien jäähdyttämistä ja tutkimista.

1S-2S-siirtymien mittaus

Vuonna 2016 ALPHA-kokeessa mitattiin elektroninen siirtymä antivedyn kahden alimman energiatason , 1S-2S, välillä. Tulokset olivat identtisiä vedyn mittausten kanssa kokeen resoluutiossa, mikä vahvisti ajatuksen aine-antiaine- ja CPT - symmetriasta [5] .

Magneettikentän läsnäollessa 1S-2S-siirtymä jakautuu kahdeksi hyperhienoksi siirtymäksi, joiden taajuudet ovat hieman erilaiset. Ryhmä laski siirtymätaajuudet normaalille vedylle, joka on altistettu magneettikenttään rajoitetussa tilavuudessa:

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

Yhden fotonin siirtyminen S-tilojen välillä on kielletty kvanttivalintasäännöillä , joten positronien siirtämiseksi perustilasta 2S-tilaan rajoitettu tila valaistiin laserilla, joka oli viritetty puoleen lasketusta siirtymätaajuudesta, stimuloiden sallittu kahden fotonin absorptio .

2S-tilaan virittyneet antivetyatomit ovat epävakaita ja voivat sitten siirtyä jollakin useista tavoista muihin tiloihin:

Sekä ionisaatio että spin flip saavat atomin pakenemaan ansasta. Ryhmä laski, että olettaen, että antivety käyttäytyy kuin tavallinen vety, noin puolet antivetyatomeista häviäisi altistuksen aikana resonanssitaajuudelle, verrattuna tapaukseen ilman laseria. Kun laserlähde oli viritetty 200 kHz:iin alle puolen jakotaajuuden, laskettu häviö oli olennaisesti sama kuin tapauksessa ilman laseria.

ALPHA-tiimi loi antivetypakkareita, piti niitä 600 sekuntia ja pienensi sitten rajoituskenttää 1,5 sekunniksi laskeen kuinka monta antivetyatomia tuhoutui. He tekivät tämän kolmessa eri koeolosuhteissa:

Kaksi kontrollia, off-resonance ja ei laseria, tarvittiin sen varmistamiseksi, että lasersäteily ei itse aiheuta tuhoa, ehkä vapauttamalla normaaleja atomeja rajoitusastian pinnalta, jotka voisivat sitten yhdistyä antivedyn kanssa.

Tiimi suoritti 11 laukaisua kolmeen kertaan eikä löytänyt merkittävää eroa resonanssin ja ilman laserlaukaisujen välillä, mutta resonanssin ohituksen jälkeen havaittujen tapahtumien määrä väheni 58 %. He pystyivät myös laskemaan tuhoutumistapahtumia istuntojen aikana ja löysivät korkeampia tasoja resonanssilaukaisujen aikana, taaskaan ilman merkittävää eroa ei-resonanssien ja laserittomien laukaisujen välillä. Tulokset ovat hyvin yhtäpitäviä normaaliin vetyyn perustuvien ennusteiden kanssa, ja ne voidaan "tulkinta CPT-symmetriatestiksi 200 ppt :n tarkkuudella " [6] .

Ominaisuudet

Hiukkasfysiikan CPT-lause ennustaa, että antivetyatomeilla on monia tavallisen vedyn ominaisuuksia; eli niillä on sama massa , magneettinen momentti ja atomitilojen välisten siirtymien taajuudet (katso Atomispektroskopia ) [7] . Esimerkiksi virittyneiden antivetyatomien odotetaan emittoivan valoa samalla taajuudella kuin normaalin vedyn. Antivetyatomit tulee vetää vetovoimaisesti toiseen aineeseen tai antiaineeseen samansuuruisella voimalla kuin tavalliset vetyatomit [2] . Tämän ei pitäisi pitää paikkaansa, jos antimateriaalilla on negatiivinen gravitaatiomassa , jota pidetään erittäin epätodennäköisenä, vaikkakaan sitä ei ole vielä empiirisesti kumottu (katso Antiaineen gravitaatiovuorovaikutus ). Aineen ja antiaineen väliselle negatiiviselle massalle ja hylkivälle gravitaatiolle (antigravitaatiolle) on kuitenkin kehitetty teoreettinen malli, ja tämä teoria on yhteensopiva CPT-lauseen kanssa [8] .

Kun antivety joutuu kosketuksiin tavallisen aineen kanssa, sen ainesosat tuhoutuvat nopeasti . Positroni tuhoutuu elektronin kanssa tuottaen gammasäteitä . Toisaalta antiprotoni koostuu antikvarkeista, jotka yhdistyvät neutronien tai protonien kvarkkien kanssa, mikä johtaa korkean energian pioneihin , jotka hajoavat nopeasti myoneiksi , neutriinoiksi , positroneiksi ja elektroneiksi . Jos antivetyatomit suspendoituisivat täydelliseen tyhjiöön , ne olisivat olemassa loputtomasti.

Anti-alkuaineena sillä odotetaan olevan samat ominaisuudet kuin vedyllä [9] . Esimerkiksi antivety on kaasu standardiolosuhteissa ja yhdistyy antihapen kanssa muodostaen antivettä .

Tuotanto

Ensimmäiset antivetyatomit kehitettiin vuonna 1995 Walter Ohlertin johtaman CERNin [10] tiimin toimesta käyttäen menetelmää, jonka pioneerit ovat Charles Munger, Jr. , Stanley Brodsky ja Ivan Schmidt Andrade [11] .

LEAR- rengaskiihdyttimessä kiihdytin antiprotonit osuvat ksenonklusteriin [ 12] , jolloin muodostuu elektroni-positroniparia. Antiprotonit voivat siepata positroneja noin 10 -19 todennäköisyydellä , joten laskelmien mukaan tämä menetelmä ei sovellu merkittävään suorituskykyyn [13] [14] [15] . Fermilab mittasi hieman erilaisen poikkileikkauksen [16] , mikä on yhdenmukainen kvanttielektrodynamiikan [17] ennusteiden kanssa . Molemmat menetelmät johtivat kuumien (korkeanenergisten) anti-atomien ilmaantumiseen, jotka eivät sovellu yksityiskohtaiseen tutkimukseen.

Myöhemmin CERN loi antiprotonin moderatorin (AD) tukemaan pyrkimyksiä luoda matalaenergiasta antivetyä perussymmetrioiden testaamiseksi. AD toimittaa antivetyä useille CERNin ryhmille. CERN odottaa laitostensa pystyvän tuottamaan 10 miljoonaa antiprotonia minuutissa [18] .

Matalaenergia antivety

CERNin ATRAP- ja ATHENA-yhteistyössä tehdyt kokeet onnistuivat yhdistämään positroneja ja antiprotoneja Penning-ansoissa , mikä johti fuusioon tyypillisellä nopeudella 100 antivetyatomia sekunnissa. Antivetyä tuotettiin ensimmäisen kerran vuonna 2002, ensin ATHENA [19] ja sitten ATRAP [20] yhteistyössä, ja vuoteen 2004 mennessä oli tuotettu miljoonia antivetyatomeja. Syntetisoiduilla atomeilla oli suhteellisen korkea lämpötila (useita tuhansia kelvinejä ), ja sen seurauksena ne osuivat kokeellisen järjestelmän seiniin ja tuhoutuivat. Useimmat tarkkuustestit vaativat pitkäaikaista seurantaa.

ALPHA, ATHENA-yhteistyön seuraaja, suunniteltiin sieppaamaan antivetyä vakaalla tavalla [18] . Koska se on sähköisesti neutraali, sen spin - magneettiset momentit ovat vuorovaikutuksessa epähomogeenisen magneettikentän kanssa; Jotkut atomit vetäytyvät peili- ja moninapakenttien yhdistelmän luomaan magneettiseen minimiin [21] .

Marraskuussa 2010 ALPHA-yhteistyö ilmoitti, että se oli vanginnut 38 antivetyatomia sekunnin kuudennessa [22] , mikä merkitsi ensimmäistä menestystä neutraalin antiaineen rajoittamisessa. Kesäkuussa 2011 ne vangisivat 309 antivetyatomia, jopa 3 kerrallaan, jopa 1000 sekunniksi [23] . Sitten he tutkivat sen superhienoa rakennetta, gravitaatiovaikutuksia ja varausta. ALPHA jatkaa mittauksia ATRAP-, AEGIS- ja GBAR-kokeiden ohella.

Suuremmat antimateriaatomit

Suurempia antimateriaatomeja, kuten antideuterium ( D ), antitritium ( T ), antihelium-3 ( 3He ) ja antihelium-4 ( 4He ) , on paljon vaikeampi tuottaa. Antideuterium [24] [25] , antihelium-3 ( 3 He ) [26] [27] ja antihelium-4 ( 4 He ), muut ytimet [28] syntyvät niin suurilla nopeuksilla, että niitä vastaavien atomien fuusio synnyttää useita tekniset esteet.

Muistiinpanot

Kommentit

Lähteet

  1. ↑ BBC News - Antimatteriatomit koettelevat vielä pidempään Arkistoitu 4. syyskuuta 2017 Wayback Machinessa . BBC.co.uk. Haettu 2011-06-08.
  2. ↑ 1 2 Reich, Eugenie Samuel (2010). "Antimateria pidätettiin kuulusteluja varten." luonto . 468 (7322): 355. Bibcode : 2010Natur.468..355R . DOI : 10.1038/468355a . PMID  21085144 .
  3. ↑ eiroforum.org - CERN: Antimatter in the trap Arkistoitu alkuperäisestä 3. helmikuuta 2014. joulukuuta 2011, katsottu 2012-06-08
  4. ↑ Antivedyn sisäinen rakenne tutkittu ensimmäistä kertaa . Physics World (7. maaliskuuta 2012). Haettu 3. heinäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 30. heinäkuuta 2017.
  5. ↑ Castelvecchi, Davide (19. joulukuuta 2016). "Efemeraaliset antimateriaatomit kiinnitetty virstanpylväslasertestissä" . luonto . DOI : 10.1038/luonto.2016.21193 . Arkistoitu alkuperäisestä 20.12.2016 . Haettu 20. joulukuuta 2016 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
  6. ↑ Ahmadi, M (19. joulukuuta 2016). "1S–2S-siirtymän havainnointi loukkuun jääneessä antivedyssä" (PDF) . luonto . 541 (7638): 506-510. Bibcode : 2017Natur.541..506A . DOI : 10.1038/luonto21040 . PMID28005057  _ _ Arkistoitu (PDF) alkuperäisestä 19.4.2017 . Haettu 03.07.2021 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
  7. ↑ Grossman, Lisa (2. heinäkuuta 2010). "Tyylikkäimmät antiprotonit" . Physical Review Focus . 26 (1). Arkistoitu alkuperäisestä 2010-07-04 . Haettu 03.07.2021 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
  8. ↑ Du. Uuden relativistisen kvanttiaaltoyhtälön soveltaminen vetyatomiin ja sen vaikutukset antimatterin painovoimakokeisiin . Haettu 3. heinäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 26. huhtikuuta 2021.
  9. ↑ Palmer. Antivety mittaa ensimmäisen kerran (14. maaliskuuta 2012). Haettu 3. heinäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 7. lokakuuta 2019.
  10. ↑ Freeman . Antiatomit: Täällä tänään. . . , Discover Magazine  (tammikuu 1997). Arkistoitu alkuperäisestä 21. heinäkuuta 2019. Haettu 3.7.2021.
  11. ↑ Munger, Charles T. (1994). "Relativististen antivetyatomien tuottaminen parituotannolla positronikaappauksen kanssa". Fyysinen arvostelu D. 49 : 3228-3235. Bibcode : 1994PhRvD..49.3228M . DOI : 10.1103/physrevd.49.3228 . PMID  10017318 .
  12. ↑ Baur G. et ai. Antivedyn tuotanto  (englanniksi)  // Physics Letters B . - 1996. - Voi. 368 , iss. 3 . - s. 251-258 . - doi : 10.1016/0370-2693(96)00005-6 . - .
  13. ↑ Bertulani CA, Baur G. Parituotanto atomikuoren sieppauksen kanssa relativistisissa raskaiden ionien törmäyksissä   // Braz . J. Phys. - 1988. - Voi. 18 , ei. 4 . - s. 559-573 .
  14. ↑ Bertulani CA, Baur G. Sähkömagneettiset prosessit relativistisissa raskaiden ionien törmäyksissä  //  Physics Reports. - 1988. - Voi. 163 , iss. 5-6 . — s. 299-408 . - doi : 10.1016/0370-1573(88)90142-1 . - .
  15. ↑ Aste A. et ai. Electromagnetic Pair Production with Capture  (englanniksi)  // Physical Review A. - 1993. - Voi. 50 , iss. 5 . - s. 3980-3983 . - doi : 10.1103/PhysRevA.50.3980 . - . — PMID 9911369 .
  16. ↑ Blanford G. et ai. Observation of Atomic Antihydrogen  (englanniksi)  // Physical Review Letters. - 1997. - Voi. 80 , iss. 14 . - P. 3037-3040 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.80.3037 . - .
  17. ↑ Bertulani CA, Baur G. Antivetytuotanto ja ekvivalentin fotoniapproksimaation tarkkuus  //  Physical Review D. - 1998. - Voi. 58 , iss. 3 . — P. 034005 . - doi : 10.1103/PhysRevD.58.034005 . - . - arXiv : hep-ph/9711273 .
  18. ↑ 1 2 Madsen N. Kylmä antivety: uusi raja perustavanlaatuisessa fysiikassa  //  Philosophical Transactions of the Royal Society A. - 2010. - Voi. 368 , iss. 1924_ _ - P. 3671-3682 . doi : 10.1098 / rsta.2010.0026 . - . — PMID 20603376 .
  19. ↑ Amoretti M. et ai. = Kylmien antivetyatomien  tuotanto ja havaitseminen  // Luonto . - 2002. - Voi. 419 , iss. 6906 . - s. 456-459 . - doi : 10.1038/luonto01096 . — . — PMID 12368849 .
  20. ↑ Gabrielse G. et ai. Kylmän antivedyn ohjattu tuotanto ja ensimmäinen mitattu antivety-tilojen jakautuminen   // Phys . Rev. Lett.. - 2002. - Voi. 89 , iss. 23 . — P. 233401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.89.233401 . - . — PMID 12485006 .
  21. ↑ Pritchard DE Neutraalien atomien jäähdyttäminen magneettiloukussa tarkkuusspektroskopiaa varten  //  Physical Review Letters. - 1983. - Voi. 51 , iss. 15 . - s. 1336-1339 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1336 . - .
  22. ↑ Andresen G.B. et ai. ( ALPHA Collaboration ) (2010). Loukkuun jäänyt antivety. luonto . 468 (7324): 673-676. Bibcode : 2010Natur.468..673A . DOI : 10.1038/luonto09610 . PMID21085118  . _
  23. ↑ Andresen G.B. et ai. ( ALPHA Collaboration ) (2011). "Antivedyn sulkeminen 1 000 sekunniksi". Luonnon fysiikka . 7 (7): 558-564. arXiv : 1104.4982 . Bibcode : 2011NatPh...7..558A . DOI : 10.1038/nphys2025 .
  24. ↑ Massam T. et ai. Antideuteronin tuotannon kokeellinen havainto  (englanniksi)  // Il Nuovo Cimento. - 1965. - Voi. 39 , iss. 1 . - s. 10-14 . - doi : 10.1007/BF02814251 . - .
  25. ↑ Dorfan D.E. et ai. Antideuteronien havainnointi  (englanniksi)  // Phys. Rev. Lett.. - 1965. - Voi. 14 , iss. 24 . - s. 1003-1006 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.14.1003 . - .
  26. ↑ Antipov Yu. M. et al. Antihelium-3:n havainnointi // Nuclear Physics . - 1970. - T. 12 . - S. 311 .
  27. ↑ Arsenescu R.; et ai. (2003). "Antihelium-3:n tuotanto lyijy-lyijy-törmäyksissä nopeudella 158 A GeV/ s ". Uusi fysiikan lehti . 5 (1). Bibcode : 2003NJPh....5...1A . DOI : 10.1088/1367-2630/5/1/301 .
  28. ↑ Agakishiev H.; et ai. (2011). "Antimateriaalin helium-4-ytimen havainnointi". luonto . 473 (7347): 353-6. arXiv : 1103.3312 . Bibcode : 2011Natur.473..353S . DOI : 10.1038/luonto10079 . PMID  21516103 .

Linkit