Антиводород - Antihydrogen

Антиводород состоит из антипротон и позитрон
Антивещество
PositronDiscovery.jpg

Антиводород (
ЧАС
) это антивещество аналог водород. В то время как общий атом водорода состоит из электрон и протон, атом антиводорода состоит из позитрон и антипротон. Ученые надеются, что изучение антиводорода может пролить свет на вопрос, почему их больше. дело чем антивещество в наблюдаемой Вселенной, известной как барионная асимметрия проблема.[1] Антиводород вырабатывается искусственно в ускорители частиц. В 1999 году, НАСА дала оценку затрат в 62,5 триллиона долларов на грамм антиводорода (что эквивалентно 96 триллионам долларов сегодня), что делает его самым дорогим материалом для производства.[2] Это связано с чрезвычайно низким выходом за эксперимент и высоким альтернативные стоимость использования ускоритель частиц.

Экспериментальная история

Ускорители впервые обнаружили горячий антиводород в 1990-х годах. АФИНА учился холодно
ЧАС
 в 2002 г. Он был впервые захвачен Аппаратом физики лазера на антиводороде (АЛЬФА ) команда в ЦЕРН[3][4] в 2010 году, который затем измерил структуру и другие важные свойства.[5] ALPHA, AEGIS и GBAR планируют и дальше остывать и учиться
ЧАС
 атомы.

Измерение переходов 1S – 2S

В 2016 г. АЛЬФА эксперимент измерил атомный электронный переход между двумя низшими уровни энергии антиводорода, 1S – 2S. Результаты, которые идентичны результатам для водорода в пределах разрешающей способности эксперимента, подтверждают идею симметрии вещества и антивещества и Симметрия CPT.[6]

В присутствии магнитного поля переход 1S – 2S расщепляется на два сверхтонкий переходы с немного разными частотами. Команда вычислила частоты переходов для нормального водорода под действием магнитного поля в ограниченном объеме как:

ждд = 2466061 103064 (2) кГц
жcc = 2466061707104 (2) кГц

Однофотонный переход между S-состояниями запрещен квантовой правила отбора Таким образом, чтобы поднять позитроны в основном состоянии до уровня 2S, ограничивающее пространство освещалось лазером, настроенным на половину расчетных частот переходов, стимулируя разрешенные двухфотонное поглощение.

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

  • Они могут испустить два фотона и вернуться прямо в основное состояние, как раньше.
  • Они могут поглотить другой фотон, который ионизирует атом.
  • Они могут испускать одиночный фотон и возвращаться в основное состояние через состояние 2P - в этом случае спин позитрона может измениться или остаться прежним.

И ионизация, и переворот спина заставляют атом вырваться из заключения. 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. Когда лазерный источник настроен на 200 кГц ниже половины частот перехода, расчетные потери были по существу такими же, как и для случая отсутствия лазера.

Команда ALPHA сделала партии антиводорода, выдержала их в течение 600 секунд, а затем уменьшила поле ограничения 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 ограниченные атомы антиводорода лазерным источником, настроенным 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, вне резонанса и без лазера, были необходимы, чтобы гарантировать, что лазерное освещение само по себе не вызывает аннигиляции, возможно, путем высвобождения нормальных атомов с поверхности ограничивающего сосуда, которые затем могут объединиться с антиводородом.

Команда провела 11 прогонов трех случаев и не обнаружила существенный разница между нерезонансным режимом и отсутствием лазера, но уменьшение количества событий, обнаруживаемых после прохождения резонанса, на 58%. Они также смогли подсчитать количество событий аннигиляции во время прогонов и обнаружили более высокий уровень во время прогонов резонанса, опять же без существенной разницы между нерезонансными прогонами и отсутствием лазера. Результаты хорошо согласуются с предсказаниями, основанными на нормальном водороде, и могут быть «интерпретированы как проверка симметрии CPT с точностью до 200 ppt».[7]

Характеристики

В CPT теорема физики элементарных частиц предсказывает, что атомы антиводорода обладают многими характеристиками, присущими обычному водороду; т.е. то же самое масса, магнитный момент, и частоты переходов атомных состояний (см. атомная спектроскопия ).[8] Например, ожидается, что возбужденные атомы антиводорода будут светиться тем же цветом, что и обычный водород. Атомы антиводорода должны быть притягивается к другой материи или антивеществу гравитационно с силой той же величины, что и обычные атомы водорода.[3] Это было бы неверно, если бы антивещество было отрицательным. гравитационная масса, что считается крайне маловероятным, хотя еще не опровергнуто эмпирически (см. гравитационное взаимодействие антивещества ).[9]

Когда антиводород вступает в контакт с обычным веществом, его составляющие быстро уничтожать. Позитрон аннигилирует с электроном, образуя гамма лучи. С другой стороны, антипротон состоит из антикварков, которые соединяются с кварками нейтронов или протонов, что приводит к образованию высокоэнергетических пионы, которые быстро распадаются на мюоны, нейтрино, позитроны, и электроны. Если бы атомы антиводорода были приостановлены в идеальный вакуум, они должны выживать бесконечно.

Ожидается, что как антиэлемент он будет иметь те же свойства, что и водород.[10] Например, антиводород в стандартных условиях будет газом и соединиться с антиоксидантом с образованием антиводы,
ЧАС
2
О
.

Производство

Первый антиводород был произведен в 1995 году командой во главе с Уолтер Олерт в ЦЕРН[11] используя метод, впервые предложенный Чарльз Мангер-младший, Стэнли Дж. Бродский и Иван Шмидт Андраде.[12]

в LEAR, антипротоны из ускоритель были застрелены ксенон кластеры,[13] производящие электрон-позитронные пары. Антипротоны могут захватывать позитроны с вероятностью около 10−19, поэтому, согласно расчетам, этот метод не подходит для значительного производства.[14][15][16] Фермилаб измерил несколько иное поперечное сечение,[17] в соответствии с прогнозами квантовая электродинамика.[18] И то, и другое привело к образованию высокоэнергетических или горячих антиатомов, непригодных для детального изучения.

Впоследствии ЦЕРН построил Антипротонный замедлитель (AD) для поддержки усилий по созданию низкоэнергетического антиводорода для проверки фундаментальных симметрий. AD будет поставлять несколько групп CERN. ЦЕРН ожидает, что их установки будут способны производить 10 миллионов антипротонов в минуту.[19]

Низкоэнергетический антиводород

Эксперименты ЛОВУШКА и ATHENA в ЦЕРН, объединив позитроны и антипротоны в Ловушки Пеннинга, что приводит к синтезу со стандартной скоростью 100 атомов антиводорода в секунду. Антиводород был впервые произведен 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 кельвины ) и, как следствие, ударился бы о стенки экспериментальной установки и аннигилировал. Большинство тестов на точность требуют длительного наблюдения.

ALPHA, преемница коллаборации ATHENA, была создана для стабильного улавливания антиводорода.[19] В то время как электрически нейтральный, его вращение 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 ALPHA объявила, что они захватили 38 атомов антиводорода на шестую долю секунды,[23] первое удержание нейтрального антивещества. В июне 2011 года они захватили 309 атомов антиводорода, до 3 одновременно, на срок до 1000 секунд.[24] Затем они изучили его сверхтонкую структуру, гравитационные эффекты и заряд. ALPHA продолжит измерения вместе с экспериментами ATRAP, AEGIS и GBAR.

Более крупные атомы антивещества

Более крупные атомы антивещества, такие как антидейтерий (
D
), антитритий (
Т
), и антигелий (
Он
) произвести гораздо сложнее. Антидейтерий,[25][26] антигелий-3 (3
Он
)[27][28] и антигелий-4 (4
Он
) ядра[29] были произведены с такими высокими скоростями, что синтез соответствующих им атомов создает несколько технических препятствий.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ BBC News - Атомы антивещества задерживаются еще дольше. Bbc.co.uk. Проверено 8 июня 2011.
  2. ^ «Достижение звезд: ученые исследуют использование антивещества и синтеза для запуска космических кораблей будущего». НАСА. 12 апреля 1999 г.. Получено 11 июн 2010. Антивещество - самое дорогое вещество на Земле
  3. ^ а б Райх, Эжени Самуэль (2010). «Антивещество на допросе». Природа. 468 (7322): 355. Bibcode:2010Натура.468..355р. Дои:10.1038 / 468355a. PMID  21085144.
  4. ^ eiroforum.org - ЦЕРН: антивещество в ловушке В архиве 3 февраля 2014 г. Wayback Machine, Декабрь 2011 г., по состоянию на 08.06.2012.
  5. ^ «Впервые исследована внутренняя структура антиводорода». Мир физики. 7 марта 2012 г.
  6. ^ Кастельвекки, Давиде (19 декабря 2016 г.). «Эфемерные атомы антивещества, обнаруженные в ходе важных лазерных испытаний». Природа. Дои:10.1038 / природа.2016.21193. S2CID  125464517. Получено 20 декабря 2016.
  7. ^ Ахмади, М; и другие. (19 декабря 2016 г.). «Наблюдение перехода 1S – 2S в захваченном антиводороде» (PDF). Природа. 541 (7638): 506–510. Bibcode:2017Натура.541..506A. Дои:10.1038 / природа21040. PMID  28005057. S2CID  3195564.
  8. ^ Гроссман, Лиза (2 июля 2010 г.). «Самые крутые антипротоны». Физический обзор. 26 (1).
  9. ^ «Антиводород в ловушке на тысячу секунд». Обзор технологий. 2 мая 2011 г.
  10. ^ Палмер, Джейсон (14 марта 2012 г.). «Антиводород проходит первое измерение» - через www.bbc.co.uk.
  11. ^ Фридман, Дэвид Х. (январь 1997 г.). «Антиатомы: здесь сегодня».. Откройте для себя журнал.
  12. ^ Мангер, Чарльз Т. (1994). «Производство релятивистских атомов антиводорода путем рождения пар с захватом позитронов». Физический обзор D. 49 (7): 3228–3235. Bibcode:1994ПхРвД..49.3228М. Дои:10.1103 / Physrevd.49.3228. PMID  10017318. S2CID  12149672.
  13. ^ Baur, G .; Boero, G .; Brauksiepe, A .; Buzzo, A .; Eyrich, W .; Гейер, Р .; Грзонка, Д .; Hauffe, J .; Килиан, К .; LoVetere, M .; Macri, M .; Моосбургер, М .; Nellen, R .; Oelert, W .; Passaggio, S .; Поццо, А .; Röhrich, K .; Sachs, K .; Schepers, G .; Sefzick, T .; Саймон, Р.С.; Stratmann, R .; Стинцинг, Ф .; Вольке, М. (1996). «Производство антиводорода». Письма по физике B. 368 (3): 251 и далее. Bibcode:1996ФЛБ..368..251Б. Дои:10.1016/0370-2693(96)00005-6.
  14. ^ Bertulani, C.A .; Баур, Г. (1988). «Образование пар с захватом атомной оболочки при столкновении релятивистских тяжелых ионов» (PDF). Braz. J. Phys. 18: 559.
  15. ^ Бертулани, Карлос А .; Баур, Герхард (1988). «Электромагнитные процессы при столкновениях релятивистских тяжелых ионов» (PDF). Отчеты по физике. 163 (5–6): 299. Bibcode:1988ФР ... 163..299Б. Дои:10.1016/0370-1573(88)90142-1.
  16. ^ Асте, Андреас; Хенкен, Кай; Траутманн, Дирк; Баур, Г. (1993). «Производство электромагнитных пар с захватом» (PDF). Физический обзор A. 50 (5): 3980–3983. Bibcode:1994ПхРвА..50.3980А. Дои:10.1103 / PhysRevA.50.3980. PMID  9911369.
  17. ^ Blanford, G .; Кристиан, округ Колумбия; Gollwitzer, K .; Mandelkern, M .; Munger, C.T .; Schultz, J .; Зиулас, Г. (декабрь 1997 г.). «Наблюдение за атомарным антиводородом». Письма с физическими проверками. Национальная ускорительная лаборатория Ферми. 80 (14): 3037. Bibcode:1997APS..APR.C1009C. Дои:10.1103 / PhysRevLett.80.3037. S2CID  58942287. FERMILAB-Pub-97/398-E E862 ... p и H эксперименты
  18. ^ Bertulani, C.A .; Баур, Г. (1998). «Производство антиводорода и точность приближения эквивалентных фотонов». Физический обзор D. 58 (3): 034005. arXiv:hep-ph / 9711273. Bibcode:1998ПхРвД..58с4005Б. Дои:10.1103 / PhysRevD.58.034005. S2CID  11764867.
  19. ^ а б Мадсен, Н. (2010). «Холодный антиводород: новый рубеж в фундаментальной физике». Философские труды Королевского общества A. 368 (1924): 3671–82. Bibcode:2010RSPTA.368.3671M. Дои:10.1098 / rsta.2010.0026. PMID  20603376.
  20. ^ Amoretti, M .; и другие. (2002). «Производство и обнаружение холодных атомов антиводорода» (PDF). Природа. 419 (6906): 456–9. Bibcode:2002Натура 419..456А. Дои:10.1038 / природа01096. PMID  12368849. S2CID  4315273.
  21. ^ Gabrielse, G .; и другие. (2002). «Управляемое производство холодового антиводорода и первое измеренное распределение антиводородных состояний» (PDF). Phys. Rev. Lett. 89 (23): 233401. Bibcode:2002PhRvL..89w3401G. Дои:10.1103 / PhysRevLett.89.233401. PMID  12485006.
  22. ^ Pritchard, D.E .; Heinz, T .; Шен, Ю. (1983). «Охлаждение нейтральных атомов в магнитной ловушке для прецизионной спектроскопии». Письма с физическими проверками. 51 (21): 1983. Bibcode:1983ПхРвЛ..51.1983Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.51.1983.
  23. ^ Андресен, Г. Б. (АЛЬФА Сотрудничество ); и другие. (2010). «Захваченный антиводород». Природа. 468 (7324): 673–676. Bibcode:2010Натура.468..673A. Дои:10.1038 / природа09610. PMID  21085118. S2CID  2209534.
  24. ^ Андресен, Г. Б. (АЛЬФА Сотрудничество ); и другие. (2011). «Удержание антиводорода на 1000 секунд». Природа Физика. 7 (7): 558–564. arXiv:1104.4982. Bibcode:2011НатФ ... 7..558А. Дои:10.1038 / nphys2025. S2CID  17151882.
  25. ^ Массам, Т; Muller, Th .; Righini, B .; Schneegans, M .; Зичичи, А. (1965). «Экспериментальное наблюдение образования антидейтрона». Il Nuovo Cimento. 39 (1): 10–14. Bibcode:1965NCimS..39 ... 10M. Дои:10.1007 / BF02814251. S2CID  122952224.
  26. ^ Дорфан, Д. Э; Eades, J .; Lederman, L.M .; Lee, W .; Тинг, К. С. (июнь 1965 г.). «Наблюдение за антидейтронами». Phys. Rev. Lett. 14 (24): 1003–1006. Bibcode:1965ПхРвЛ..14.1003Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.14.1003.
  27. ^ Антипов Ю.М. и другие. (1974). «Наблюдение за антигелием3». Ядерная физика. 12: 311.
  28. ^ Arsenescu, R .; и другие. (2003). «Производство антигелия-3 при столкновении свинца со свинцом на 158 г. А ГэВ /c". Новый журнал физики. 5 (1): 1. Bibcode:2003NJPh .... 5 .... 1A. Дои:10.1088/1367-2630/5/1/301.
  29. ^ Агакишиев, Х .; и другие. (2011). «Наблюдение за ядром антивещества гелия-4». Природа. 473 (7347): 353–6. arXiv:1103.3312. Bibcode:2011Натура.473..353S. Дои:10.1038 / природа10079. PMID  21516103. S2CID  118484566.

внешние ссылки