Антиводород
| Антиматерия |
|---|
 |
Антиводород (
ЧАС
) является антивещества аналогом водорода . В то время как обычный атом водорода состоит из электрона и протона , атом антиводорода состоит из позитрона и антипротона . больше материи , чем антиматерии Ученые надеются, что изучение антиводорода может пролить свет на вопрос о том, почему в наблюдаемой Вселенной , известный как проблема барионной асимметрии . [1] Антиводород получают искусственно в ускорителях частиц .
Экспериментальная история
[ редактировать ]Ускорители впервые обнаружили горячий антиводород в 1990-х годах. АФИНА училась холодно
ЧАС
в 2002 году. Впервые он был пойман командой Антиводородного лазерного физического аппарата ( АЛЬФА ) в ЦЕРН. [2] [3] в 2010 году, который затем измерил структуру и другие важные свойства. [4] ALPHA, AEgIS и GBAR планируют дальнейшее охлаждение и изучение
ЧАС
атомы.
Измерение перехода 1–2 с
[ редактировать ]В 2016 году эксперимент АЛЬФА измерил атомный электронный переход между двумя самыми низкими энергетическими уровнями антиводорода, 1s–2s. Результаты, которые в пределах экспериментального разрешения идентичны результатам для водорода, подтверждают идею симметрии вещества-антиматерии и симметрии CPT . [5]
В присутствии магнитного поля переход 1s–2s распадается на два сверхтонких перехода с несколько разными частотами. Команда рассчитала частоты перехода для нормального водорода под действием магнитного поля в удерживающем объеме как:
- f дд = 2 466 061 103 064 (2) кГц
- f cc = 2 466 061 707 104 (2) кГц
Однофотонный переход между s-состояниями запрещен квантовыми правилами отбора , поэтому, чтобы поднять позитроны в основном состоянии до уровня 2s, пространство удержания освещалось лазером, настроенным на половину расчетных частот перехода, стимулируя разрешенное поглощение двух фотонов .
Атомы антиводорода, возбужденные в состояние 2s, могут затем эволюционировать одним из нескольких способов:
- Они могут испустить два фотона и вернуться прямо в основное состояние, как и было.
- Они могут поглотить другой фотон, который ионизирует атом.
- Они могут испустить один фотон и вернуться в основное состояние через состояние 2p — в этом случае спин позитрона может перевернуться или остаться прежним.
Как ионизация, так и переворот спина заставляют атом выходить из плена. Команда подсчитала, что, если предположить, 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 расчетные потери были практически такими же, как и в случае без лазера.
Команда АЛЬФА приготовила партии антиводорода, выдержала их в течение 600 секунд, а затем уменьшила удерживающее поле в течение 1,5 секунд, подсчитывая, сколько атомов антиводорода было аннигилировано. Они сделали это в трех разных экспериментальных условиях:
- Резонанс: воздействие на ограниченные атомы антиводорода лазерным источником, настроенным ровно на половину частоты перехода, в течение 300 секунд для каждого из двух переходов.
- Внерезонанс: воздействие на замкнутые атомы антиводорода лазерного источника, настроенного на 200 килогерц ниже двух резонансных частот, в течение 300 секунд каждая.
- Без лазера: удержание атомов антиводорода без какого-либо лазерного освещения.
Два элемента управления, безрезонансный и безлазерный, были необходимы для того, чтобы гарантировать, что лазерное освещение само по себе не вызывает аннигиляции, возможно, за счет освобождения нормальных атомов с поверхности удерживающего сосуда, которые затем могли соединиться с антиводородом.
Команда провела 11 прогонов из трех случаев и не обнаружила существенной разницы между внерезонансными прогонами и отсутствием лазерных прогонов, но обнаружила снижение на 58% количества событий, обнаруженных после резонансных прогонов. Они также смогли подсчитать события аннигиляции во время запусков и обнаружили более высокий уровень во время резонансных запусков, опять же без существенной разницы между внерезонансными запусками и отсутствием лазерных запусков. Результаты хорошо согласуются с предсказаниями, основанными на нормальном водороде, и могут быть «интерпретированы как проверка симметрии CPT с точностью до 200 ppt». [6]
Характеристики
[ редактировать ]Теорема CPT физики элементарных частиц предсказывает, что атомы антиводорода обладают многими характеристиками, присущими обычному водороду; т.е. одинаковая масса , магнитный момент и частоты перехода атомных состояний (см. атомную спектроскопию ). [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 не так, если бы антивещество имело отрицательную гравитационную массу , что считается крайне маловероятным, хотя и не опровергнуто эмпирически (см. гравитационное взаимодействие антивещества ). [8] Недавно была разработана теоретическая основа отрицательной массы и отталкивающей гравитации (антигравитации) между веществом и антивеществом, и эта теория совместима с теоремой CPT. [9]
Когда антиводород вступает в контакт с обычным веществом, его составляющие быстро аннигилируют . Позитрон аннигилирует с электроном, образуя гамма-лучи . Антипротон, с другой стороны, состоит из антикварков, которые объединяются с кварками в нейтроны или протоны, в результате чего образуются пионы с высокой энергией , которые быстро распадаются на мюоны , нейтрино , позитроны и электроны . Если бы атомы антиводорода были подвешены в идеальном вакууме , они должны были бы существовать бесконечно.
Ожидается, что как антиэлемент он будет иметь те же свойства, что и водород. [10] Например, антиводород при стандартных условиях будет газом и в сочетании с антикислородом образует антиводу.
ЧАС
2
ТО
.
Производство
[ редактировать ]Первый антиводород был произведен в 1995 году командой под руководством Уолтера Олерта из ЦЕРН. [11] используя метод, впервые предложенный Чарльзом Мангером-младшим , Стэнли Бродским и Иваном Шмидтом Андраде . [12]
В LEAR антипротоны из ускорителя выстреливались в ксенона кластеры . [13] образование электрон-позитронных пар. Антипротоны могут захватывать позитроны с вероятностью около 10. −19 , поэтому этот метод не подходит для значительного производства, как рассчитано. [14] [15] [16] Фермилаб измерил несколько иное сечение. [17] в соответствии с предсказаниями квантовой электродинамики . [18] Оба привели к образованию высокоэнергетических или горячих антиатомов, непригодных для детального изучения.
Впоследствии ЦЕРН построил антипротонный замедлитель (AD) для поддержки усилий по созданию низкоэнергетического антиводорода для испытаний фундаментальной симметрии. AD снабжает несколько групп ЦЕРН. ЦЕРН ожидает, что их установки будут способны производить 10 миллионов антипротонов в минуту. [19]
Низкоэнергетический антиводород
[ редактировать ]Эксперименты коллабораций ATRAP и ATHENA в ЦЕРН объединили позитроны и антипротоны в ловушках Пеннинга , что привело к синтезу с типичной скоростью 100 атомов антиводорода в секунду. Антиводород был впервые произведен компанией ATHENA в 2002 году. [20] а затем ATRAP [21] и к 2004 году были созданы миллионы атомов антиводорода. Синтезированные атомы имели относительно высокую температуру (несколько тысяч Кельвинов ) и, как следствие, ударялись о стенки экспериментальной установки и аннигилировали. Большинство прецизионных тестов требуют длительного времени наблюдения.
АЛЬФА, преемник коллаборации ATHENA, был создан для стабильной улавливания антиводорода. [19] Будучи электрически нейтральным, его спиновые магнитные моменты взаимодействуют с неоднородным магнитным полем; некоторые атомы будут притягиваться к магнитному минимуму, созданному комбинацией зеркального и мультипольного полей. [22]
В ноябре 2010 года коллаборация АЛЬФА объявила, что им удалось поймать 38 атомов антиводорода за шестую долю секунды. [23] первое удержание 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. АЛЬФА продолжит измерения наряду с экспериментами ATRAP, AEgIS и GBAR.
В 2018 году AEgIS создала новый импульсный источник атомов антиводорода с разбросом времени производства всего 250 наносекунд. [25] Импульсный источник генерируется в результате реакции перезарядки между ридберговскими атомами позитрония , образующимися посредством инъекции импульсного пучка позитронов в наноканальную кремниевую мишень и возбуждаемыми лазерными импульсами, и антипротонами, захватываемыми, охлаждаемыми и манипулируемыми в электромагнитных ловушках. Импульсное производство позволяет контролировать температуру антиводорода, формировать пучок антиводорода, а на следующем этапе точно измерять гравитационное поведение с помощью атомного интерферометра, так называемого муарового дефлекторметра .
Более крупные атомы антивещества
[ редактировать ]Более крупные атомы антивещества, 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] производятся с такими высокими скоростями, что синтез соответствующих им атомов создает ряд технических препятствий.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Атомы антиматерии заперты еще дольше» . Новости Би-би-си . 06.06.2011 . Проверено 28 сентября 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Райх, Евгения Сэмюэл (2010). «Антиматерия задержана для допроса» . Природа . 468 (7322): 355. Бибкод : 2010Natur.468..355R . дои : 10.1038/468355a . ПМИД 21085144 .
- ^ eiroforum.org - ЦЕРН: Антиматерия в ловушке. Архивировано 3 февраля 2014 г., в Wayback Machine , декабрь 2011 г., по состоянию на 8 июня 2012 г.
- ^ «Впервые исследована внутренняя структура антиводорода» . Мир физики . 7 марта 2012 г.
- ^ Кастельвекки, Давиде (19 декабря 2016 г.). «Эфемерные атомы антиматерии обнаружены в ходе важнейшего лазерного испытания» . Природа . дои : 10.1038/nature.2016.21193 . S2CID 125464517 . Проверено 20 декабря 2016 г.
- ^ Ахмади, М; и др. (19 декабря 2016 г.). «Наблюдение перехода 1S–2S в захваченном антиводороде» (PDF) . Природа . 541 (7638): 506–510. Бибкод : 2017Natur.541..506A . дои : 10.1038/nature21040 . ПМИД 28005057 . S2CID 3195564 .
- ^ Гроссман, Лиза (2 июля 2010 г.). «Самые крутые антипротоны» . Фокус физического обзора . Том. 26, нет. 1.
- ^ «Антиводород в ловушке на тысячу секунд» . Обзор технологий . 2 мая 2011. Архивировано из оригинала 14 апреля 2015 года . Проверено 18 марта 2014 г.
- ^ Ду, Хонг. «Применение нового релятивистского квантово-волнового уравнения к атому водорода и его последствия для гравитационных экспериментов с антивеществом» . Архивировано из оригинала 26 апреля 2021 г.
- ^ Палмер, Джейсон (14 марта 2012 г.). «Антиводород подвергается первому в истории измерению» . Новости Би-би-си .
- ^ Фридман, Дэвид Х. (январь 1997 г.). «Антиатомы: сегодня здесь…» Журнал Discover .
- ^ Мангер, Чарльз Т. (1994). «Производство релятивистских атомов антиводорода путем парного образования с захватом позитрона». Физический обзор D . 49 (7): 3228–3235. Бибкод : 1994PhRvD..49.3228M . дои : 10.1103/physrevd.49.3228 . ОСТИ 1449799 . ПМИД 10017318 . S2CID 12149672 .
- ^ Баур, Г.; Боэро, Г.; Брауксипе, А.; 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 . дои : 10.1016/0370-2693(96)00005-6 .
- ^ Бертулани, Карлос А.; Баур, Герхард (1988). «Рождение пар с захватом атомной оболочки в столкновениях релятивистских тяжелых ионов» (PDF) . Бразильский физический журнал . 18 :559.
- ^ Бертулани, Карлос А.; Баур, Герхард (1988). «Электромагнитные процессы в столкновениях релятивистских тяжелых ионов» (PDF) . Отчеты по физике . 163 (5–6): 299. Бибкод : 1988PhR...163..299B . дои : 10.1016/0370-1573(88)90142-1 .
- ^ Асте, Андреас; Хенкен, Кай; Траутманн, Дирк; Баур, Г. (1993). «Производство электромагнитных пар с захватом» (PDF) . Физический обзор А. 50 (5): 3980–3983. Бибкод : 1994PhRvA..50.3980A . дои : 10.1103/PhysRevA.50.3980 . ПМИД 9911369 .
- ^ Бланфорд, Г.; Кристиан, округ Колумбия; Голлвитцер, К.; Манделькерн, М.; Мангер, Коннектикут; Шульц Дж.; Зиулас, Г. (декабрь 1997 г.). «Наблюдение атомарного антиводорода». Письма о физических отзывах . 80 (14). Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми: 3037. Бибкод : 1997APS..APR.C1009C . doi : 10.1103/PhysRevLett.80.3037 . S2CID 58942287 .
FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... эксперименты p и H
- ^ Бертулани, Калифорния; Баур, Г. (1998). «Производство антиводорода и точность приближения эквивалентных фотонов». Физический обзор D . 58 (3): 034005. arXiv : hep-ph/9711273 . Бибкод : 1998PhRvD..58c4005B . дои : 10.1103/PhysRevD.58.034005 . S2CID 11764867 .
- ^ Jump up to: а б Мэдсен, Н. (2010). «Холодный антиводород: новый рубеж фундаментальной физики» . Философские труды Королевского общества А. 368 (1924): 3671–3682. Бибкод : 2010RSPTA.368.3671M . дои : 10.1098/rsta.2010.0026 . ПМИД 20603376 .
- ^ Аморетти, М.; и др. (2002). «Производство и обнаружение холодных атомов антиводорода» (PDF) . Природа . 419 (6906): 456–459. Бибкод : 2002Natur.419..456A . дои : 10.1038/nature01096 . PMID 12368849 . S2CID 4315273 .
- ^ Габриэль, Г.; и др. (2002). «Управляемое производство холодного антиводорода и первое измеренное распределение состояний антиводорода» (PDF) . Письма о физических отзывах . 89 (23): 233401. Бибкод : 2002PhRvL..89w3401G . doi : 10.1103/PhysRevLett.89.233401 . ПМИД 12485006 .
- ^ Причард, Делавэр; Хайнц, Т.; Шен, Ю. (1983). «Охлаждение нейтральных атомов в магнитной ловушке для прецизионной спектроскопии». Письма о физических отзывах . 51 (21): 1983. Бибкод : 1983PhRvL..51.1983T . doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1983 .
- ^ Андресен, Великобритания ( Сотрудничество АЛЬФА ); и др. (2010). «Захваченный антиводород». Природа . 468 (7324): 673–676. Бибкод : 2010Natur.468..673A . дои : 10.1038/nature09610 . ПМИД 21085118 . S2CID 2209534 .
- ^ Андресен, Великобритания ( Сотрудничество АЛЬФА ); и др. (2011). «Удержание антиводорода в течение 1000 секунд». Физика природы . 7 (7): 558–564. arXiv : 1104.4982 . Бибкод : 2011NatPh...7..558A . дои : 10.1038/nphys2025 . S2CID 17151882 .
- ^ Амслер, К. и др. ( эксперимент AEgIS ); и др. (2021). «Импульсное производство антиводорода». Физика связи . 4 (1): 19. Бибкод : 2021CmPhy...4...19A . дои : 10.1038/s42005-020-00494-z . hdl : 2434/813338 .
- ^ 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 .
- ^ Дорфан, Д.Э.; Идс, Дж.; Ледерман, LM; Ли, В.; Тинг, CC (июнь 1965 г.). «Наблюдение антидейтронов». Физ. Преподобный Летт . 14 (24): 1003–1006. Бибкод : 1965PhRvL..14.1003D . дои : 10.1103/PhysRevLett.14.1003 .
- ^ Antipov, Y. M.; et al. (1974). "Observation of antihelium3 (in Russian)". Yadernaya Fizika . 12 : 311.
- ^ Арсенеску, Р.; и др. (2003). «Производство антигелия-3 в столкновениях свинца со свинцом при энергии 158 А ГэВ/ c » . Новый журнал физики . 5 (1): 1. Бибкод : 2003NJPh....5....1A . дои : 10.1088/1367-2630/5/1/301 .
- ^ Агакишиев Х.; и др. (2011). «Наблюдение ядра антивещества гелия-4». Природа . 473 (7347): 353–6. arXiv : 1103.3312 . Бибкод : 2011Natur.473..353S . дои : 10.1038/nature10079 . ПМИД 21516103 . S2CID 118484566 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Меррифилд, Майкл; Коупленд, Эд. «Антиводород» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
