stringtranslate.com

Антиводород

Антиводород состоит из антипротона и позитрона
Упрощенная модель атома антиводорода в основном состоянии

Антиводород (
ЧАС
) является антиматерией , аналогом водорода . В то время как обычный атом водорода состоит из электрона и протона , атом антиводорода состоит из позитрона и антипротона . Ученые надеются, что изучение антиводорода может пролить свет на вопрос о том, почему в наблюдаемой Вселенной больше материи , чем антиматерии , известный как проблема барионной асимметрии . [1] Антиводород производится искусственно в ускорителях частиц .

Экспериментальная история

Ускорители впервые обнаружили горячий антиводород в 1990-х годах. ATHENA изучала холодный
ЧАС
в 2002 году. Впервые он был пойман командой по физике антиводородного лазера ( ALPHA ) в ЦЕРНе [2] [3] в 2010 году, которая затем измерила его структуру и другие важные свойства. [4] ALPHA, AEgIS и GBAR планируют дальнейшее охлаждение и изучение
ЧАС
атомы.

Измерение перехода 1с–2с

В 2016 году эксперимент ALPHA измерил атомный электронный переход между двумя самыми низкими энергетическими уровнями антиводорода, 1s–2s. Результаты, которые идентичны результатам водорода в пределах экспериментального разрешения, подтверждают идею симметрии материя–антиматерия и симметрии CPT . [5]

В присутствии магнитного поля переход 1s–2s расщепляется на два сверхтонких перехода с немного разными частотами. Команда рассчитала частоты переходов для нормального водорода под действием магнитного поля в ограниченном объеме как:

ф дд =2 466 061 103 064 (2) кГц
ф цк =2 466 061 707 104 (2) кГц

Однофотонный переход между s-состояниями запрещен квантовыми правилами отбора , поэтому для того, чтобы поднять позитроны в основном состоянии до уровня 2s, замкнутое пространство освещалось лазером, настроенным на половину расчетных частот перехода, стимулируя разрешенное поглощение двух фотонов .

Атомы антиводорода, возбужденные до состояния 2s, могут затем эволюционировать одним из нескольких способов:

И ионизация, и спин-флип результаты заставляют атом выходить из удержания. Команда подсчитала, что, предполагая, что антиводород ведет себя как обычный водород, примерно половина атомов антиводорода будет потеряна во время воздействия резонансной частоты, по сравнению со случаем без лазера. При настройке лазерного источника на 200 кГц ниже половины частот перехода, рассчитанная потеря была по сути такой же, как и для случая без лазера.

Команда ALPHA сделала партии антиводорода, удерживала их в течение 600 секунд, а затем уменьшала поле ограничения в течение 1,5 секунд, подсчитывая, сколько атомов антиводорода было уничтожено. Они сделали это в трех различных экспериментальных условиях:

Два контроля — внерезонансный и безлазерный — были необходимы для того, чтобы гарантировать, что само лазерное освещение не вызывает аннигиляций, возможно, за счет высвобождения нормальных атомов с поверхности ограничивающей емкости, которые затем могут соединяться с антиводородом.

Команда провела 11 запусков трех случаев и не обнаружила существенной разницы между запуском вне резонанса и запуском без лазера, но 58%-ное падение числа событий, обнаруженных после резонансных запусков. Они также смогли подсчитать события аннигиляции во время запусков и обнаружили более высокий уровень во время резонансных запусков, снова без существенной разницы между запуском вне резонанса и запуском без лазера. Результаты хорошо согласуются с прогнозами, основанными на обычном водороде, и могут быть «интерпретированы как проверка симметрии CPT с точностью 200 ppt». [6]

Характеристики

Теорема CPT физики элементарных частиц предсказывает, что атомы антиводорода обладают многими характеристиками обычного водорода; то есть той же массой , магнитным моментом и частотами перехода атомного состояния (см. атомная спектроскопия ). [7] Например, ожидается, что возбужденные атомы антиводорода будут светиться тем же цветом, что и обычный водород. Атомы антиводорода должны притягиваться к другой материи или антиматерии гравитационно с силой той же величины, которую испытывают обычные атомы водорода. [2] Это было бы неверно, если бы антиматерия имела отрицательную гравитационную массу , что считается крайне маловероятным, хотя пока и не опровергнуто эмпирически (см. гравитационное взаимодействие антиматерии ). [8] Была разработана недавняя теоретическая основа для отрицательной массы и отталкивающей гравитации (антигравитации) между материей и антиматерией, и эта теория совместима с теоремой CPT. [9]

Когда антиводород вступает в контакт с обычной материей, его составляющие быстро аннигилируют . Позитрон аннигилирует с электроном, производя гамма-лучи . Антипротон, с другой стороны, состоит из антикварков, которые объединяются с кварками либо в нейтронах, либо в протонах, что приводит к высокоэнергетическим пионам , которые быстро распадаются на мюоны , нейтрино , позитроны и электроны . Если бы атомы антиводорода были подвешены в идеальном вакууме , они должны были бы выживать бесконечно.

Как антиэлемент, он, как ожидается, будет иметь точно такие же свойства, как и водород. [10] Например, антиводород будет газом при стандартных условиях и будет соединяться с антикислородом, образуя антиводу,
ЧАС
2
О
.

Производство

Первый антиводород был получен в 1995 году группой ученых под руководством Вальтера Олерта в ЦЕРНе [11] с использованием метода, впервые предложенного Чарльзом Мангером-младшим, Стэнли Бродским и Иваном Шмидтом Андраде. [12]

В LEAR антипротоны из ускорителя выстреливали в кластеры ксенона , [13] производя пары электрон-позитрон. Антипротоны могут захватывать позитроны с вероятностью около10 −19 , поэтому этот метод не подходит для существенного производства, как и было рассчитано. [14] [15] [16] Фермилаб измерил несколько иное поперечное сечение, [17] что согласуется с предсказаниями квантовой электродинамики . [18] Оба метода привели к получению высокоэнергетических, или горячих, антиатомов, непригодных для детального изучения.

Впоследствии ЦЕРН построил Антипротонный замедлитель (AD) для поддержки усилий по низкоэнергетическому антиводороду для испытаний фундаментальных симметрий. AD снабжает несколько групп ЦЕРН. ЦЕРН ожидает, что их установки будут способны производить 10 миллионов антипротонов в минуту. [19]

Низкоэнергетический антиводород

Эксперименты коллабораций ATRAP и ATHENA в ЦЕРНе объединили позитроны и антипротоны в ловушках Пеннинга , что привело к синтезу с типичной скоростью 100 атомов антиводорода в секунду. Антиводород был впервые получен ATHENA в 2002 году [20] , а затем ATRAP [21] , и к 2004 году были получены миллионы атомов антиводорода. Синтезированные атомы имели относительно высокую температуру (несколько тысяч кельвинов ) и, как следствие, ударялись о стенки экспериментального аппарата и аннигилировали. Большинство прецизионных тестов требуют длительного времени наблюдения.

ALPHA, преемник коллаборации ATHENA, был создан для стабильного захвата антиводорода. [19] Будучи электрически нейтральным, его спиновые магнитные моменты взаимодействуют с неоднородным магнитным полем; некоторые атомы будут притягиваться к магнитному минимуму, созданному комбинацией зеркальных и мультипольных полей. [22]

В ноябре 2010 года коллаборация ALPHA объявила, что им удалось захватить 38 атомов антиводорода на одну шестую секунды, [23] что стало первым удержанием нейтральной антиматерии. В июне 2011 года они захватили 309 атомов антиводорода, до 3 одновременно, на время до 1000 секунд. [24] Затем они изучили его сверхтонкую структуру, гравитационные эффекты и заряд. ALPHA продолжит измерения вместе с экспериментами ATRAP, AEgIS и GBAR.

В 2018 году AEgIS создал новый импульсный источник атомов антиводорода с разбросом времени производства всего в 250 наносекунд. [25] Импульсный источник генерируется реакцией обмена зарядом между атомами ридберговского позитрония , полученными путем инжекции импульсного позитронного пучка в наноканальную мишень Si и возбужденными лазерными импульсами, и антипротонами, захваченными, охлажденными и управляемыми в электромагнитных ловушках. Импульсное производство позволяет контролировать температуру антиводорода, формировать антиводородный пучок и на следующем этапе проводить прецизионное измерение гравитационного поведения с использованием атомного интерферометра, так называемого дефлекторометра Муара .

Более крупные атомы антиматерии

Более крупные атомы антиматерии, такие как антидейтерий (
Д
), антитритий (
Т
) и антигелий (
Он
) гораздо сложнее производить. Антидейтерий, [26] [27] антигелий-3 (3
Он
) [28] [29] и антигелий-4 (4
Он
) ядра [30] были получены с такими высокими скоростями, что синтез соответствующих им атомов создает ряд технических препятствий.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Атомы антиматерии загоняются еще дольше". BBC News . 2011-06-06 . Получено 2023-09-28 .
  2. ^ ab Reich, Eugenie Samuel (2010). «Антиматерия задержана для допроса». Nature . 468 (7322): 355. Bibcode :2010Natur.468..355R. doi : 10.1038/468355a . PMID  21085144.
  3. ^ eiroforum.org – ЦЕРН: Антиматерия в ловушке Архивировано 3 февраля 2014 г., на Wayback Machine , декабрь 2011 г., дата обращения 08.06.2012 г.
  4. ^ "Внутренняя структура антиводорода исследована впервые". Physics World . 7 марта 2012 г.
  5. ^ Кастельвекки, Давиде (19 декабря 2016 г.). «Эфемерные атомы антиматерии зафиксированы в ходе важного лазерного испытания». Nature . doi :10.1038/nature.2016.21193. S2CID  125464517 . Получено 20 декабря 2016 г. .
  6. ^ Ахмади, М; и др. (19 декабря 2016 г.). «Наблюдение перехода 1S–2S в захваченном антиводороде» (PDF) . Nature . 541 (7638): 506–510. Bibcode :2017Natur.541..506A. doi : 10.1038/nature21040 . PMID  28005057. S2CID  3195564.
  7. ^ Гроссман, Лиза (2 июля 2010 г.). «Самые крутые антипротоны». Physical Review Focus . Том 26, № 1.
  8. ^ "Антиводород в ловушке на тысячу секунд". Technology Review . 2 мая 2011 г. Архивировано из оригинала 14 апреля 2015 г. Получено 18 марта 2014 г.
  9. ^ Ду, Хонг. «Применение нового релятивистского квантового волнового уравнения к атому водорода и его влияние на гравитационные эксперименты с антиматерией». Архивировано из оригинала 2021-04-26.
  10. ^ Палмер, Джейсон (14 марта 2012 г.). «Антиводород подвергается первому в истории измерению». BBC News .
  11. ^ Фридман, Дэвид Х. (январь 1997 г.). «Антиатомы: здесь сегодня...» Журнал Discover .
  12. ^ Мангер, Чарльз Т. (1994). «Производство релятивистских атомов антиводорода путем парного производства с захватом позитронов». Physical Review D. 49 ( 7): 3228–3235. Bibcode : 1994PhRvD..49.3228M. doi : 10.1103/physrevd.49.3228. OSTI  1449799. PMID  10017318. S2CID  12149672.
  13. ^ Баур, Г.; Боэро, Г.; Брауксипе, С.; Баззо, А.; Эйрих, В.; Гейер, Р.; Грзонка, Д.; Хауффе, Дж.; Килиан, К.; ЛоВетер, М.; Макри, М.; Моосбургер, М.; Неллен, Р.; Олерт, В.; Пассаджо, С.; Поццо, А.; Рерих, К.; Сакс, К.; Шеперс, Г.; Сефзик, Т.; Саймон, РС; Стратманн, Р.; Стинцинг, Ф.; Волке, М. (1996). «Производство антиводорода». Буквы по физике Б. 368 (3): 251 и далее. Бибкод : 1996PhLB..368..251B. doi :10.1016/0370-2693(96)00005-6.
  14. ^ Бертулани, Карлос А.; Баур, Герхард (1988). «Рождение пар с захватом атомной оболочки в релятивистских столкновениях тяжелых ионов» (PDF) . Бразильский журнал физики . 18 : 559.
  15. ^ Бертулани, Карлос А.; Баур, Герхард (1988). «Электромагнитные процессы в столкновениях релятивистских тяжелых ионов» (PDF) . Physics Reports . 163 (5–6): 299. Bibcode :1988PhR...163..299B. doi :10.1016/0370-1573(88)90142-1.
  16. ^ Асте, Андреас; Хенкен, Кай; Траутманн, Дирк; Баур, Г. (1993). «Производство электромагнитных пар с захватом» (PDF) . Physical Review A. 50 ( 5): 3980–3983. Bibcode : 1994PhRvA..50.3980A. doi : 10.1103/PhysRevA.50.3980. PMID  9911369.
  17. ^ Blanford, G.; Christian, DC; Gollwitzer, K.; Mandelkern, M.; Munger, CT; Schultz, J.; Zioulas, G. (декабрь 1997 г.). "Наблюдение атомарного антиводорода". Physical Review Letters . 80 (14). Национальная ускорительная лаборатория им. Ферми: 3037. Bibcode : 1997APS..APR.C1009C. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.3037. S2CID  58942287. FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... эксперименты с p и H
  18. ^ Bertulani, CA; Baur, G. (1998). "Производство антиводорода и точность приближения эквивалентного фотона". Physical Review D. 58 ( 3): 034005. arXiv : hep-ph/9711273 . Bibcode : 1998PhRvD..58c4005B. doi : 10.1103/PhysRevD.58.034005. S2CID  11764867.
  19. ^ ab Madsen, N. (2010). «Холодный антиводород: новый рубеж в фундаментальной физике». Philosophical Transactions of the Royal Society A . 368 (1924): 3671–3682. Bibcode :2010RSPTA.368.3671M. doi : 10.1098/rsta.2010.0026 . PMID  20603376.
  20. ^ Аморетти, М.; и др. (2002). «Производство и обнаружение холодных атомов антиводорода» (PDF) . Nature . 419 (6906): 456–459. Bibcode : 2002Natur.419..456A. ​​doi : 10.1038/nature01096. PMID  12368849. S2CID  4315273.
  21. ^ Габриэльс, Г.; и др. (2002). "Управляемое производство холодного антиводорода и первое измеренное распределение состояний антиводорода" (PDF) . Physical Review Letters . 89 (23): 233401. Bibcode :2002PhRvL..89w3401G. doi :10.1103/PhysRevLett.89.233401. PMID  12485006.
  22. ^ Притчард, Д. Э.; Хайнц, Т.; Шен, И. (1983). «Охлаждение нейтральных атомов в магнитной ловушке для прецизионной спектроскопии». Physical Review Letters . 51 (21): 1983. Bibcode : 1983PhRvL..51.1983T. doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1983.
  23. ^ Андресен, ГБ ( Сотрудничество ALPHA ); и др. (2010). «Захваченный антиводород». Nature . 468 (7324): 673–676. Bibcode : 2010Natur.468..673A. doi : 10.1038/nature09610. PMID  21085118. S2CID  2209534.
  24. ^ Андресен, ГБ ( Сотрудничество ALPHA ); и др. (2011). «Удержание антиводорода в течение 1000 секунд». Nature Physics . 7 (7): 558–564. arXiv : 1104.4982 . Bibcode : 2011NatPh...7..558A. doi : 10.1038/nphys2025. S2CID  17151882.
  25. ^ Амслер, К. и др. ( Эксперимент AEgIS ); и др. (2021). «Импульсное производство антиводорода». Communications Physics . 4 (1): 19. Bibcode : 2021CmPhy...4...19A. doi : 10.1038/s42005-020-00494-z. hdl : 2434/813338 .
  26. ^ Массам, Т; Мюллер, Т.; Ригини, Б.; Шнееганс, М.; Зичичи, А. (1965). «Экспериментальное наблюдение образования антидейтрона». Иль Нуово Чименто . 39 (1): 10–14. Бибкод : 1965NCimS..39...10M. дои : 10.1007/BF02814251. S2CID  122952224.
  27. ^ Dorfan, D. E; Eades, J.; Lederman, LM; Lee, W.; Ting, CC (июнь 1965). «Наблюдение антидейтронов». Phys. Rev. Lett . 14 (24): 1003–1006. Bibcode : 1965PhRvL..14.1003D. doi : 10.1103/PhysRevLett.14.1003.
  28. ^ Антипов, Ю.М.; и др. (1974). «Наблюдение антигелия3». Ядерная Физика . 12 : 311.
  29. ^ Arsenescu, R.; et al. (2003). "Образование антигелия-3 в столкновениях свинца со свинцом при 158 A ГэВ/c". New Journal of Physics . 5 (1): 1. Bibcode :2003NJPh....5....1A. doi : 10.1088/1367-2630/5/1/301 .
  30. ^ Агакишиев, Х. и др. (2011). «Наблюдение за ядром антиматерии гелия-4». Nature . 473 (7347): 353–6. arXiv : 1103.3312 . Bibcode :2011Natur.473..353S. doi :10.1038/nature10079. PMID  21516103. S2CID  118484566.

Внешние ссылки