Dalam eksperimen ini, ASACUSA memperoleh garis pengeluaran anti-hidrogen • Igor Ivanov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Fizik

Dalam eksperimen ini, ASACUSA telah memperoleh garis pengeluaran anti-hidrogen

Rajah. 1. Pandangan umum pemasangan ASACUSA di CERN, yang direka untuk mendapatkan dan mengkaji antihidrogen. Imej dari cds.cern.ch

Salah satu kumpulan yang mengkaji sifat antimateri di CERN, ASACUSA, melaporkan bahawa selepas satu dekad pembangunan dan penyediaan teknikal, pemasangan mereka telah mula menghasilkan antihidrogen. Matlamat utama eksperimen ini adalah untuk mengukur magnitud pemisahan hiperfin dalam antihidrogen, bandingkan keputusan dengan hidrogen, dan dengan itu cuba untuk mengesan perbezaan antara tahap tenaga mereka. Dalam hal keputusan positif, ini akan mempunyai akibat radikal untuk fizik moden mikroworld.

Mengapa belajar antihidrogen?

Hari lain dalam majalah Komunikasi alam semula jadi Satu artikel telah menerbitkan pelaporan sintesis berjaya anti-hidrogen dalam eksperimen ASACUSA (Gambar 1) – salah satu eksperimen di CERN yang mengkaji antimatter. Sebenarnya, anti hidrogen itu sendiri tidak lagi menjadi berita, lihat lawatan singkat ke sejarah kajian antimateri di bahagian seterusnya berita ini, serta halaman tematik di laman web CERN. Walau bagaimanapun, eksperimen ASACUSA, yang namanya singkatan Spektroskopi Atom Dan Perlanggaran Menggunakan Antiproton Lambat ("Spektroskopi atom dan perlanggaran dengan penggunaan antiproton perlahan"), menetapkan sasaran yang tidak dapat diakses oleh eksperimen lain. Di dalamnya, ahli fizik akan menjalankan, antara lain, pengukuran spektroskopi yang sangat tepat terhadap anti-hidrogen dan membandingkan keputusan dengan hidrogen. Jika terdapat perbezaan antara tahap hidrogen dan anti-hidrogen, penemuan ini akan menjadi hasil revolusi untuk teoretika.

Untuk permulaan, ia patut menjelaskan mengapa fizik atom seperti "membosankan" seolah-olah mempunyai kesan yang meluas untuk peranti microworld itu. Hakikatnya adalah bahawa dalam fizik zarah-zarah asas ada pernyataan yang sangat penting, yang dalam bentuk yang paling ringkas seperti ini: semua sifat-sifat penting zarah dan antipartikel mesti bertepatan. Zarah dan antipartikel mungkin sedikit berbeza dalam pengedaran sudut atau pilihan lain dalam peluruhan atau pelanggaran, tetapi ciri-ciri integral mestilah sama. Dalam teori kuantum, ini dipanggil simetri CPT (lihat penerangannya yang popular), dan hampir semua teori interaksi zarah, sama ada Model Standard atau pelbagai varian Fizik Baru, benar-benar memiliki simetri ini.Apabila digunakan untuk atom antimatter, ini bermakna bahawa semua peringkat tenaga dalam hidrogen dan antihidrogen mestilah sama.

Walau bagaimanapun, terdapat teori yang membenarkan pelanggaran simetri CPT. Walau bagaimanapun, pelanggaran ini diberikan atas alasan: bersama-sama dengan simetri CPT, seseorang perlu "memecahkan" dan teori inversi Lorentz (kemungkinan ini timbul, terutamanya dalam teori superstrings), iaitu seseorang perlu membuat beberapa anggapan radikal mengenai sifat-sifat dunia fizikal. Itulah apabila spektroskopi hidrogen dan antihidrogen akan berbeza. Oleh itu, pemerhatian eksperimen terhadap tahap tenaga yang tidak bertentangan dalam hidrogen dan antihidrogen akan mempunyai akibat drastik untuk fizik moden.

Sudah tentu, semua kesan tersebut harus lemah, jika tidak, manifestasi mereka akan terungkap dalam sifat zarah-zarah asas dan antipartikel mereka. Tetapi kelemahan kesannya tidak harus menakutkan: selepas semua, pengukuran spektroskopi terkenal dengan ketepatan ultra tinggi mereka. Contohnya, dalam hidrogen yang sama, perbezaan tenaga di antara paras 1S dan 2S (iaitu, di antara tanah dan keadaan teruja pertama elektron) telah diukur dengan ketepatan lebih baik daripada 10-14. Itulah sebabnya ada harapan bahawa yang paling jauh dilihat dalam perkara ini akan menjadi percubaan pada tahap pengukuran tenaga ultra-tepat dalam atom antihidrogen.

Kajian teori menunjukkan bahawa yang paling sensitif kepada pelanggaran CPT hipotetikal adalah perbezaan tenaga tidak antara 1S dan 2S, tetapi di antara dua tahap tenaga sangat dekat ke mana keadaan tanah elektron dalam pecahan hidrogen (Rajah 2) – ini dipanggil pembahagian hyperfine tahap tenaga. Kedua-dua negeri ini mempunyai pengedaran elektron yang sama, tetapi di dalamnya putaran proton dan elektron berorientasikan secara berbeza berbanding satu sama lain. Negeri apabila berputar bertentangan dan jumlah putaran atom adalah sifar, mempunyai tenaga yang sedikit lebih rendah daripada keadaan apabila putaran elektron dan proton selari. Perbezaan tenaga ini sangat kecil, sejuta kali kurang daripada jarak ke tahap 2S yang teruja, tetapi ia diukur dengan ketepatan yang besar, lebih baik daripada satu trilion (10-12). Dengan cara ini, pemisahan ini sangat penting untuk astrofisika – ia memberikan pautan radio yang terkenal dengan hidrogen antara bintang dengan panjang gelombang 21 cm.

Rajah. 2 Keadaan dasar atom hidrogen dibahagikan kepada dua tahap rapat dengan orientasi bersama yang berbeza dari putaran proton dan elektron (pembahagian hyperfine).Perbezaan dalam tenaga mereka kira-kira sejuta kali kurang daripada tenaga kepada keadaan teruja yang paling dekat.

Oleh itu, untuk pengukuran ultra-tepat kemungkinan pelanggaran CPT, penguji diperlukan untuk (1) membuat antihidrogen, (2) mendaftarkan pembahagian hyperfine dari aras tanah di dalamnya, (3) mengukur nilainya dengan ketepatan maksimum dan membandingkan hasil dengan data hidrogen biasa. Matlamat terang ini didedikasikan untuk program kajian eksperimen yang besar yang dijalankan di pelbagai pusat penyelidikan di seluruh dunia, dan di atas semua di CERN.

Kajian antihidrogen: Sejarah ringkas

Pencapaian utama dalam kajian antimatter: dari asal teori kuantum, melalui penemuan antipartikel, dalam eksperimen moden di CERN. Maklumat dari laman web timeline.web.cern.ch

Secara amnya, antipartikel (positron, antiproton, dan lain-lain) mudah diperolehi: cukup untuk mempercepatkan zarah-zarah untuk tenaga beberapa GeV dan mengarahkan aliran ini ke sasaran mana-mana. Kemudian dalam perlanggaran banyak zarah akan dilahirkan, dan kadang-kadang di antara mereka akan ada zarah antimatter dan juga anti-teras. Dengan bantuan medan elektrik atau magnet, ada kemungkinan untuk memisahkan zarah-zarah jenis yang berbeza, dan dengan itu aliran antiproton atau positron boleh diperolehi. Fizik telah belajar untuk melakukan semua ini lebih daripada setengah abad yang lalu.

Mendapatkan atom antihidrogen adalah tugas yang lebih sukar. Hanya menggabungkan antara satu sama lain aliran positif dan antiproton tidak berguna. Energi zarah adalah besar, kepekatan mereka, sebaliknya, adalah rendah, sehingga walaupun antiproton dan positron bertabrakan secara tidak sengaja, mereka hanya berselerak dan tidak membentuk atom. Untuk menghasilkan atom zarah antimatter perlu dikumpulkan, dan kemudian untuk menyejukkan, iaitu, mengurangkan kelajuan mereka dengan beberapa pesanan magnitud. Ini dengan sendirinya bukan satu tugas yang mudah, kerana antimatter tidak boleh dihubungi dengan perkara biasa untuk masa yang lama, dan memusnahkan. (Walau bagaimanapun, tidak perlu pergi ke ekstrem: penghapusan tidak berlaku sama sekali, dan jika anda melancarkan positron menjadi bahan, maka ia akan mempunyai masa untuk menjalani kehidupan yang agak sibuk sebelum hilang.)

Akhirnya, walaupun atom antimatter diperolehi, mereka masih perlu disimpan dan entah bagaimana didaftarkan. Biasanya mereka disimpan dalam perangkap untuk ini, cuba mengelakkan sentuhan dengan dinding. Tetapi walaupun di bawah keadaan vakum yang mendalam, molekul benda biasa terbang semua dalam perangkap, dan mereka boleh dihapuskan dengan antimatter, jadi tugas ini ternyata agak sukar.Secara umum, sudah ada senarai kecil kesulitan yang jelas menunjukkan bahawa memperoleh dan, lebih-lebih lagi, belajar antimatter adalah tugas yang sangat teknikal.

CERN memainkan peranan aktif dalam kajian antimatter. Di sinilah atom anti-hidrogen pertama kali dihasilkan pada pemasangan LEAR khas pada tahun 1995. Antimatter boleh didapati untuk kajian, dan program penyelidikan antimatter yang lebih luas telah dilancarkan di CERN. Kini ada AD retak antiproton khas, penghilang antiproton (ya, di CERN tidak hanya percepat, tetapi juga penyederhana!), Yang mengurangkan tenaga antiprotons hingga 5 MeV dan membekalkannya kepada lima kemudahan eksperimen. Dalam salah satu daripada mereka, ACE, antiproton digunakan untuk pembangunan terapi anticancer antiproton, dan dalam empat yang lain – untuk sintesis antihidrogen dan untuk menjalankan pelbagai eksperimen dengannya. Oleh itu, pada tahun 2002, dua eksperimen, ATRAP dan ATHENA, melaporkan penciptaan antihidrogen dalam jumlah beribu-ribu atom, dan lebih baru-baru ini, pada tahun 2011, kolaborasi ALPHA bukan sahaja boleh mendapat antihidrogen, tetapi juga menyimpannya dalam perangkap selama lebih dari 15 minit.

Baca lebih lanjut mengenai eksperimen CERN mengenai penghasilan anti-hidrogen boleh didapati dalam kitar cerita popular "Memasang atom dari bahagian longgar", bahagian 1, bahagian 2, bahagian 2.5, bahagian 3.

Sudah tentu, semua kumpulan ini tidak hanya terlibat dalam pengeluaran anti-hidrogen, tetapi juga dalam mengkaji sifatnya. Khususnya, kolaborasi ALPHA untuk kali pertama mencatatkan pembahagian hyperfine keadaan tanah dalam atom antihidrogen. Ketepatan pengukuran adalah, tentu saja, sangat rendah disebabkan oleh bilangan atom yang kecil, tetapi ini bukanlah titik. Dalam semua eksperimen ini, antihidrogen ditangkap dan dikaji dalam perangkap magnet. Tetapi medan magnet sangat mempengaruhi struktur tahap tenaga atom, dan bukan hanya perubahan, tetapi juga "mengikis" mereka dalam tenaga. Semua ini menghadkan ketepatan yang boleh dikira dengan pengukuran spektroskopi anti hidrogen, yang bermakna ia secara mendadak mengurangkan peluang untuk mengesan perbezaan sedikit antara spektrum hidrogen dan anti-hidrogen, yang dibincangkan di atas.

Ia adalah tepat untuk mengatasi "masalah magnet" ini yang merupakan salah satu matlamat utama kerjasama ASACUSA. Dia tidak mahu menangkap dan menahan anti-peluru, dia mahu mengukurnya dengan cepat dan tanpa medan magnet. Ini bererti jarak jauh beberapa meter di antara tempat pengeluaran anti hidrogen (di mana medan magnet tidak dapat dielakkan) dan tempat kajiannya.Di samping itu, aliran anti-hidrogen perlu cukup sengit, dan kelajuannya adalah rendah supaya semasa laluan anti-atom melalui pemasangan, ahli fizik boleh menerima isyarat yang ketara daripada pembahagian hyperfine.

Untuk mencapai tugas-tugas ini, kerjasama ASACUSA telah dibangunkan, didirikan dan diverifikasi gabungan beberapa persediaan eksperimental untuk memegang, melambatkan dan menggabungkan positron dan antiproton, serta bekerja dengan keadaan ultrafin hidrogen dan mengesannya. Sejak beberapa tahun kebelakangan ini, ASACUSA kerap dilaporkan pada peringkat kerja perantaraan, dan kini mereka akhirnya berjaya mengambil langkah penting pertama ke arah pengukuran yang dirancang – garis pengeluaran anti-hidrogen telah siap dan siap untuk eksperimen.

Teknologi pengeluaran antihidrogen dalam ASACUSA

Sekarang berguna untuk mengatakan beberapa perkataan tentang kaedah pengeluaran anti-hidrogen dalam eksperimen ASACUSA. Skim umum kompleks eksperimen untuk mengukur hyperfine yang terbahagi dalam antihidrogen ditunjukkan dalam Rajah. 3. Ia terdiri daripada dua lengan, di mana antiproton dan positron memasuki pemasangan biasa dan digabungkan dengan pembentukan atom antihidrogen.Antiprotons dihasilkan oleh CERN secara berasingan dan dibekalkan kepada ASACUSA dalam bentuk pra-sejuk. Di sini mereka melambatkan lebih banyak lagi, ditangkap dalam perangkap antiproton dan berkumpul di sana untuk kegunaan selanjutnya. Positron diperoleh dengan cara yang berbeza – hasil daripada pereputan isotop radioaktif. 22Na. Mereka terbang dari nukleus yang hancur pada kelajuan tinggi, dan oleh itu mereka juga perlu disejukkan. Pada mulanya, mereka kehilangan tenaga mereka, melalui "ais neon" – lapisan neon pepejal yang didepositkan di dinding corong conical berhampiran sumber. Walaupun nama kedengaran eksotik, teknologi ini telah diketahui selama lebih dari 20 tahun. Kemudian positron memasuki ruang dengan campuran gas, perlahan bahkan lebih, selepas itu mereka sudah dapat diadakan dan terkumpul dalam perangkap positron.

Selepas beberapa juta antiprotons dan positron telah dikumpulkan, perangkap ini terbuka, dan kedua-dua awan zarah memasuki ruang tunggal untuk menggabungkan ke dalam atom antihidrogen. Walaupun proses ini tidak semudah yang sepertinya sepintas lalu. Kedua-dua awan zarah sangat jarang, dan, walaupun terdapat tarikan antara positron dan antiproton, perlanggaran mereka dengan pembentukan keadaan terikat jarang berlaku.Lebih-lebih lagi, antiproton dan positron yang datang dari perangkapnya, walaupun disejukkan, masih bergerak terlalu cepat, dan mereka perlu diperlahankan lagi.

Rajah. 3 Skim percubaan ASACUSA (lihat penjelasan dalam teks). Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Dalam eksperimen ASACUSA, perangkap elektrostatik jenis yang luar biasa, yang dicipta beberapa tahun lalu, digunakan untuk menyelesaikan masalah ini (Rajah 4). Secara umumnya, antiproton dan positron mempunyai caj elektrik yang bertentangan, jadi ia tidak boleh disimpan dalam medan elektrik yang sama. Walau bagaimanapun, anda boleh melakukan ini. Pertama, di tengah-tengah perangkap, potensi elektrostatik dari bentuk dua humped (Rajah 4, kiri) dicipta dan positron diletakkan di sana. Pos positif dicas semula "merasakan" lubang berpotensi di pusat perangkap, dibatasi oleh halangan di sisi, jadi mereka duduk diam di dalam perangkap dan menunggu nasib mereka.

Sekiranya kita memperkenalkan antiproton yang dikenakan caj negatif ke dalam potensi yang sama, mereka hanya akan terbang melewatinya tanpa berlarutan di tengah – bagi mereka, peningkatan potensi berpotensi menurunkan tenaga berpotensi. Oleh itu, pada peringkat kedua, potensi diangkat dari satu kelebihan, yang mengurangkan potensi tenaga antiproton dan membolehkan mereka disuntik dari kelebihan ini (Rajah 4, di pusat).Bergerak dalam potensi berkurang ini, antiproton melambatkan kerana tenaga potensinya meningkat. Tenaga mereka dipilih supaya mereka tidak dapat merangkak ke awan positron. Perangkap itu kemudian ditutup, dan dua awan yang bertindih antipartikel ditangkap di dalamnya (Rajah 4, kanan). Di kawasan persimpangan mereka, atom antihidrogen dibentuk.

Rajah. 4 Ide untuk menggabungkan positron dan antiproton untuk membentuk antihidrogen dalam perangkap elektrostatik bentuk luar biasa. Potensi elektrostatik yang besar bermakna tenaga berpotensi besar untuk positron dan yang kecil untuk antiproton. Manipulasi dengan potensi dan penalaan tenaga antiproton memungkinkan untuk menggabungkan dua awan zarah dengan berkesan, dan di kawasan persilangan anti-hidrogen disintesis (lihat penjelasan dalam teks). Anak panah menunjukkan arah dari mana antiproton disuntik ke dalam perangkap

Penerbangan selanjutnya dari antihidrogen atom

Oleh kerana atom-atom itu adalah neutral, potensi elektrostatik tidak lagi mengehadkan gerakan mereka, dan mereka secara bebas "jatuh" dari perangkap. Dalam perangkap yang sama, terdapat juga medan magnet bentuk kompleks yang dapat memisahkan keadaan hidrogen dengan spin yang berbeza,di mana tahap tenaga utama berpecah (Rajah 2). Akibatnya, arus atom antihidrogen yang tegas akan mengalir keluar dari perangkap (Rajah 5).

Rajah. 5 Tapak penyelidikan dalam pemasangan ASACUSA. Medan magnet yang kompleks di dalam perangkap memisahkan keadaan dengan berputar yang berbeza, supaya output adalah fluks antihidrogen polarisasi. Dalam resonator gelombang mikro dengan kekerapan yang sesuai, ada yang melontar antara negeri-negeri dengan spin yang berbeza, yang disekat oleh magnet sekstuple. Mengukur bilangan atom yang diluluskan dalam pengesan anti-hidrogen, seseorang dapat mengetahui keberkesanan proses pembuangan dan dengan itu, dengan tepat mengukur magnitud pemecahan hyperfine. Dalam eksperimen yang diterangkan, resonator dimatikan. Imej dari asacusa.web.cern.ch

Antihidrogen sedemikian boleh diangkut jauh, jarak beberapa meter dari tempat penerimaan. Medan magnet di tempat ini akan sangat lemah, dan mereka tidak akan mengganggu eksperimen pada pengukuran pembahagian hyperfine. Nah, pengukuran ini sendiri akan dijalankan dengan cara yang standard untuk fizik atom. Atom terbang melalui resonator dengan medan magnet lemah dan dengan gelombang radio berdiri.Apabila kekerapan gelombang bertepatan dengan perbezaan kekerapan antara keadaan berlainan dalam pemisahan hiperfin, proses resonan membuang atom dari satu negeri ke satu yang lain bermula. Kekerapan gelombang radio dapat ditala dengan ketepatan yang sangat tinggi, yang akan membolehkan untuk mengukur pemecahan tahap dengan ketepatan yang sama. Anggaran menunjukkan bahawa ketepatan relatif dari urutan 10-7 agak boleh dicapai dalam eksperimen ASACUSA.

Semua ini baik, tetapi ini hanya perniagaan masa depan. Setakat ini, kerjasama ASAGUSA hanya mahu mengesahkan bahawa pembentukan anti-hidrogen berjaya dijalankan. Untuk tujuan ini, pengesan berdasarkan bismut orthogermanate (Bi3Ge4O12, atau, dalam jargon ahli fizik, hanya kristal BGO, bahan piawai untuk ukuran pemintalan dalam fizik zarah. Kristal ini hanya menyerap anti-atom, di dalamnya penghapusan antimatter terjadi dengan pembebasan tenaga, dan tenaga atom dapat diukur dengan kilat cahaya. Pengukuran tenaga diperlukan untuk membezakan kemasukan atom antihydrogen sebenar dari peristiwa luar.Bilangan peristiwa adalah kecil, hanya beberapa dozen atom dalam satu setengah jam, tetapi ini sangat berbeza dari latar belakang. Oleh itu, aliran antihidrogen adalah – eksperimen ASAGUSA secara rasmi diperolehi.

Ini, sudah tentu, adalah permulaan sahaja. Dalam perjalanan ke pengukuran skala ultrafin dalam anti hidrogen, kerjasama ASACUSA masih perlu mengatasi beberapa masalah teknikal. Contohnya, untuk mengurangkan kesilapan statistik, perlu meningkatkan jumlah atom anti-hidrogen dengan ketara. Satu lagi tugas yang lebih sukar adalah untuk belajar bagaimana untuk mendapatkan bukan sahaja atom anti-hidrogen, tetapi atom dalam keadaan tenaga bumi. Setakat ini, fluks antihidrogen yang berdaftar terdiri daripada atom-atom di kedua-dua negeri dan di negeri-negeri teruja, sehingga tahap sangat teruja dengan nombor kuantum utama n = 43. Pengeksperimen mesti belajar untuk memindahkan atom tersebut ke keadaan dasar, dan dalam masa yang agak singkat. Tetapi ini adalah kesukaran yang biasa untuk semua eksperimen dengan antihidrogen, ASACUSA tidak terkecuali. Walau bagaimanapun, memandangkan peringkat utama teknik yang sukar dilakukan secara menyeluruh, diharapkan pengukuran fizikal sebenar tidak jauh.

Sumber: N. Kuroda et al. (Kerjasama ASACUSA). Satu sumber antihidrogen untuk spektroskopi hyperfine dalam penerbangan Komunikasi alam semula jadi 5. Nombor artikel: 3089 (2014); Artikel ini berada dalam domain awam.

Lihat juga:
1) Percubaan CERN untuk kajian hyperfine;
2) Halaman rasmi ASACUSA Experimental Complex di laman web CERN.
3) Pada titik puncak di ASACUSA, artikel popular di majalah CERN Courier.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: