Dlaczego nie powstaliśmy z antymaterii?
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Ciekawostki
-
Podobna zawartość
-
Fermilab buduje ostatni z wielkich detektorów, które mają znaleźć neutrino sterylne i fizykę poza MSprzez KopalniaWiedzy.pl
W Fermi National Accelerator Laboratory (Fermi Lab), jednej z najbardziej zasłużonych instytucji dla rozwoju fizyki cząstek, trwa właśnie budowa ostatniego z wielkich detektorów, który ma badać neutrino i szukać dowodów na istnienie fizyki poza Modelem Standardowym. Zespół detektorów powstaje w ramach Short-Baselina Neutrino Program.
Projekt składa się ze źródła neutrin i trzech detektorów ustawionych w linii prostej. Short-Baseline Near Detector (SBND), którego budowa właśnie się rozpoczęła, znajdzie się 110 metrów za obszarem, w którym strumień protonów będzie uderzał w cel, generując strumień neutrin mionowych. W odległości 360 metrów za SBND znajduje się MicroBooNE. Urządzenie to rozpoczęło pracę już w 2015 roku. Za MicroBooNE, w odległości 130 metrów, stoi zaś ICARUS, który rozpocznie pracę jeszcze tej jesieni.
Podróżujące przez przestrzeń neutrino podlega oscylacjom, zmienia się pomiędzy trzema różnymi rodzajami: neutrinem mionowym, taonowym i elektronowym. I właśnie te oscylacje mają badać SBND, MicroBooNE i ICARUS. Jeśli okazałoby się, że istnieje czwarty rodzaj neutrin lub też badane neutrina zachowywałyby się w inny sposób, niż obecnie się przewiduje, detektory powinny to wykryć i być może fizyka wyjdzie poza Model Standardowy.
Czujniki detektora SBND będą zawieszone w zbiorniku z płynnym argonem. Gdy neutrino trafi do zbiornika i zderzy się z atomem argonu, powstaną liczne cząstki oraz światło. Zostaną one zarejestrowane przez czujniki, a analizy sygnałów pozwolą fizykom na precyzyjne odtworzenie trajektorii wszystkich cząstek powstałych w wyniku kolizji. Zobaczymy obraz, który pokaże nam olbrzymią liczbę szczegółów w bardzo małej kali. W porównaniu z wcześniejszymi eksperymentami otworzy nam się naprawdę nowe spektrum możliwości, mówi Anne Schukraft, koordynatorka techniczna projektu.
Wewnątrz SBND znajdą się trzy wielkie elektrody. Dwie anody i katoda. Każda z nich będzie mierzyła 5x4 metry. Natężenie pola elektrycznego pomiędzy katodą a każdą z anod wyniesie 500 V/cm. Anody zostaną umieszczone na przeciwnych ścianach pomieszczenia w kształcie sześcianu. Będą one przechwytywały elektrony, a znajdujące się za nimi czujniki będą rejestrowały fotony. W środku detektora umieszczona zostanie folia spełniająca rolę katody. Zamontowano ją pod koniec lipca, a w najbliższych dniach ma zostać ukończony montaż pierwszej anody.
Całość, gdy zostanie ukończona, będzie ważył ponad 100 ton i zostanie wypełniona argonem o temperaturze -190 stopni Celsjusza. Komora będzie znajdowała się w stalowym kriostacie o izolowanych ścianach, którego zadaniem będzie utrzymanie niskiej temperatury wewnątrz. Skomplikowany system rur będzie ciągle filtrował argon, by utrzymać go w czystości.
SBND to przedsięwzięcie międzynarodowe. Poszczególne elementy systemy powstają w wielu krajach, przede wszystkim w USA, Wielkiej Brytanii, Brazylii i Szwajcarii. Schukraft przewiduje, że nowy detektor ruszy na początku 2023 roku.
Gdy prace nad SBND się zakończą, detektor będzie pracował razem z MicroBooNE i ICARUSEM. Naukowcy chcą przede wszystkim poszukać dowodów na istnienie neutrina sterylnego, cząstki, która nie wchodzi w interakcje z oddziaływaniami słabymi. Już wcześniej, podczas eksperymentów prowadzonych w Liquid Scintillator Neutrino Detector w Los Alamos National Lab i MiniBooNE w Fermilab odkryto sygnały, które mogą wskazywać na istnienie takiej cząstki.
Pomysł polega na tym, by umieścić detektor naprawdę blisko źródła neutrin, w nadziei, że uda się złapać ten typ neutrina. Następnie jest kolejny detektor, a dalej jeszcze jeden. Mamy nadzieję, że zobaczymy oscylacje sterylnego neutrina, wyjaśnia Rober Acciarri, współdyrektor prac nad budową detektorów.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Troje astronomów, poszukując źródeł atomów antyhelu, które zostały zarejestrowane przez Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) znajdujący się na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, wpadło na ślad 14 gwiazd zbudowanych z antymaterii – antygwiazd.
Simon Dupourque, Luigi Tibaldo oraz Peter von Ballmoos z Uniwersytetu w Tuluzie znaleźli antygwiazdy w archiwalnych danych Fermi Gamma-ray Telescope. Koncepcja istnienia antygwiazd jest pomysłem kontrowersyjnym, jeśli jednak one istnieją to powinny być widoczne dzięki słabemu sygnałowi promieniowania gamma, który największą moc osiąga przy energii 70 MeV. Sygnał ten pochodzić ma z cząstek materii opadających na gwiazdę i przez nią anihilowanych.
Antyhel-4 uzyskano po raz pierwszy w 2011 roku podczas zderzeń cząstek w Relativistic Heavy Ion Collider w Brookhaven National Laboratory. Wówczas naukowcy doszli do wniosku, że jeśli pierwiastek ten zostanie wykryty w przestrzeni kosmicznej, będzie to oznaczało, że pochodzi on z fuzji we wnętrzu antygwiazd.
W 2018 roku AMS-02 wykrył w promieniowaniu kosmicznym 8 atomów antyhelu: sześć atomów antyhelu-3 oraz dwa antyhelu-4. Wówczas jednak uznano, że atomy te powstały w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego na materię międzygwiezdną, w wyniku czego powstała antymateria.
Jednak kolejne analizy zasiały wątpliwość co do pochodzenia antyhelu. Stwierdzono bowiem, że im więcej nukleonów w jądrze pierwiastka antymaterii, tym trudniej takiemu pierwiastkowi uformować się w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego. Naukowcy obliczyli wówczas, że prawdopodobieństwo, by antyhel-3 powstał w wyniku oddziaływania promieni kosmicznych jest 50-krotnie mniejsze niż powstanie jąder zarejestrowanych przez AMS, a powstanie antyhelu-4 w wyniku oddziaływania promieniowania kosmicznego jest aż 105 mniejsze niż jąder, które zarejestrowano na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
Po tych badaniach naukowcy skupili się więc na poszukiwaniu źródła antyhelu, w tym w stronę mało wiarygodnie brzmiącego wyjaśnienia, mówiącego, że pierwiastek ten powstał w antygwiazdach.
Zgodnie z obowiązującymi teoriami, podczas Wielkiego Wybuchu powinno powstać tyle samo materii i antymaterii. Następnie powinno dojść do ich anihilacji i powstania wszechświata, który będzie pełen promieniowania, a pozbawiony będzie materii. Żyjemy jednak we wszechświecie zdominowanym przez materię, a to oznacza, że podczas Wielkiego Wybuchu musiało powstać więcej materii niż antymaterii. Problem ten wciąż stanowi nierozwiązaną zagadkę.
Większość naukowców od dekad twierdzi, że obecnie we wszechświecie antymateria niemal nie występuje, z wyjątkiem niewielkich ilości powstających w wyniku zderzeń materii, mówi Tibaldo. Jednak odkrycie antyhelu w przestrzeni kosmicznej może podważać to przekonanie. Może bowiem oznaczać, że istnieją antygwiazdy.
Wspomnianych 14 potencjalnych antygwiazd zostało zidentyfikowanych w katalogu obejmującym 5878 źródeł promieniowania gamma zarejestrowanych w ciągu 10 lat przez Fermi Gamma-ray Telescope. Na podstawie tych danych Dupourque, Tibaldo i von Ballmoos wyliczyli pewne cechy, które powinny mieć antygwiazdy obecne w Drodze Mlecznej.
Naukowcy stwierdzają, że jeśli antygwiazdy utworzył się w dysku galaktyki obok zwyczajnych gwiazd, to powinna istnieć 1 antygwiazda na 400 000 zwykłych gwiazd. Jeśli jednak antygwiazdy są gwiazdami pierwotnymi i powstały we wczesnym wszechświecie w czasie, gdy Droga Mleczna dopiero się tworzyła, co oznacza, że znajdują się w najstarszych regionach naszej galaktyki – w galaktycznym halo – to mogą stanowić nawet 20% wszystkich gwiazd.
Jeśli przyjmiemy, że antymateria została uwięziona w antygwiazdach, to mamy tutaj prawdopodobne wyjaśnienie, dlaczego nie doszło do anihilacji. Szczególnie, jeśli antygwiazdy istnieją w regionach, gdzie zwykła materia występuje rzadko, w takich jak galaktyczne halo, mówi von Ballmoos.
Oczywiście trzeba też przyjąć, że zarejestrowanych 14 kandydatów na antygwiazdy to coś zupełnie innego. Dlatego też Dupourque, Tibaldo i von Ballmoos sugerują, że następnym krokiem badań może być sprawdzenie, czy tych 14 źródeł emituje też sygnały w innych zakresach, które mogłyby świadczyć o tym, że są to np. aktywne jądra galaktyk czy pulsary.
Autorzy badań opublikowali ich wyniki na łamach Physical Review D.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy pracujący przy eksperymencie ALPHA prowadzonym w CERN-ie są pierwszymi, którym udało się schłodzić antymaterię za pomocą lasera. Osiągnięcie otwiera drogę do lepszego poznania wewnętrznej struktury antywodoru i zbadania, w jaki sposób zachowuje się on pod wpływem grawitacji.
Antywodór to najprostsza forma atomowej antymaterii. Teraz, gdy mamy możliwość ich chłodzenia, naukowcy będą mogli przeprowadzić porównania atomów antywodoru z atomami wodoru, dzięki czemu poznamy różnice pomiędzy atomami antymaterii i materii. Znalezienie takich ewentualnych różnic pozwoli na lepsze zrozumienie, dlaczego wszechświat jest stworzony z materii.
To zupełnie zmienia reguły gry odnośnie badań spektroskopowych i grawitacyjnych i może rzucić nawet światło na badania nad antymaterią, takie jak tworzenie molekuł antymaterii i rozwój interferometrii antyatomowej, mówi rzecznik prasowy eksperymentu ALPHA, Jeffrey Hangst. Jeszcze przed dekadą laserowe chłodzenie antymaterii należało do dziedziny science-fiction.
W eksperymencie ALPHA atomy antywodoru powstają dzięki antyprotonom uzyskiwanym w Antiproton Decelerator. Są one łączone z pozytonami, których źródłem jest sód-22. Zwykle tak uzyskane atomy antywodoru są więzione w pułapce magnetycznej, co zapobiega ich kontaktowi z materią i anihilacji. W pułapce tej najczęściej prowadzone są badania spektroskopowe, podczas których mierzona jest reakcja antyatomów na wpływ fali elektromagnetycznej – światła laserowego lub mikrofal. Jednak precyzja takich pomiarów jest ograniczona przez energię kinetyczną, czyli temperaturę, antyatomów.
Tutaj właśnie pojawia się potrzeba schłodzenia. Technika laserowego chłodzenia atomów polega na oświetlaniu ich laserem o energii fotonów nieco mniejszej niż energia przejść między poziomami energetycznymi dla danego pierwiastka. Fotony są absorbowane przez atomy, które wchodzą na wyższy poziom energetyczny. A wchodzą dzięki temu, że deficyt energii fotonu potrzebny do przejścia pomiędzy poziomami uzupełniają z własnej energii kinetycznej. Następnie atomy emitują fotony o energii dokładnie dopasowanej do różnicy energii poziomów atomu i spontanicznie powracają do stanu pierwotnego. Jako, że energia emitowanego fotonu jest nieco wyższa od energii fotonu zaabsorbowanego, wielokrotnie powtarzany cykl absorpcji-emisji prowadzi do schłodzenia atomu.
Podczas najnowszych eksperymentów naukowcy z ALPHA przez kilkanaście godzin chłodzili laserem chmurę atomów antywodoru. Po tym czasie stwierdzili, że średnia energia kinetyczna atomów obniżyła się ponad 10-krotnie. Wiele z atomów osiągnęło energię poniżej mikroelektronowolta, co odpowiada temperaturze około 0,012 kelwina. Następnie antywodór poddano badaniom spektroskopowym i stwierdzono, że dzięki schłodzeniu osiągnięto niemal 4-krotnie węższą linię spektralną niż przy badaniach prowadzonych bez chłodzenia laserowego.
Przez wiele lat naukowcy mieli problemy z laserowym chłodzeniem wodoru, więc sama myśl o chłodzeniu antywodoru była szaleństwem. Teraz możemy marzyć o jeszcze większych szaleństwach z udziałem antymaterii, mówi Makoto Fujiwara, który zaproponował, by przeprowadzić powyższy eksperyment.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Specjaliści z Fermilab stworzyli najpotężniejszy na świecie magnes do akceleratorów cząstek. Magnes pozwala na wygenerowanie pola magnetycznego o indukcji 14,5 tesli. Poprzedni rekord wynosił 14,1 tesli i również został ustanowiony w Fermilab.
Obecne osiągnięcie to niezwykle ważny krok dla budowy przyszłych akceleratorów cząstek. Bez silniejszych magnesów nie powstaną bowiem przyszłe akceleratory, takie jak proponowany przez CERN 100-kilometrowy Future Circural Collider (FCC). O ile bowiem Wielki Zderzacz Hadronów wykorzystuje magnesy generujące pole 7,8 tesli, to w FCC naukowcy będą potrzebowali nawet 16 tesli.
Naszym kolejnym celem jest przekroczenie poziomu15 tesli i zwiększenie maksymalnej siły pola naszych magnesów do 17 tesli albo i więcej. To znakomicie zwiększy wydajność magnesów i zoptymalizuje koszty, mów Alexander Zlobin, który stoi na czele grupy pracującej nad magnesami. Osiągnięcie wyznaczonych przez nas celów położy silne podwaliny pod przyszłe akceleratory cząstek, dodaje uczony.
W akceleratorach magnesy są używane do kontrolowania wiązki cząstek poruszających się niemal z prędkością światła. Im silniejszy magnes tym łatwiej wiązkę kontrolować.
Warto zauważyć, że Fermilab znacząco przyspieszyło postęp w dziedzinie magnesów. Prace nad przekroczeniem granicy 14 tesli trwały przez kilkanaście lat. W 2011 roku w Lawrence Berkeley National Laboratory osiągnięto 13,8 tesli. Rekord ten utrzymał się do 2019 roku, kiedy to w Fermilab osiągnięto 14,1 tesli. Wystarczył rok, by osiągnąć 14,5 tesli.
Tworzenie coraz silniejszych magnesów to konieczność, jeśli chcemy mieć coraz doskonalsze akceleratory. Nie jest to jednak łatwe zadanie. Problem nie tylko w samej technologii, ale też w konieczności opracowywania nowych materiałów. W Wielkim Zderzaczu Hadronów pracują magnesy niobowo-tytanowe. Nie są one w stanie wytrzymać napięcia prądu elektrycznego potrzebnego do wygenerowania 15 tesli. Z odpowiednimi napięciami mogą pracować magnesy niobowo-cynowe, jednak ą one bardzo kruche i mogą rozsypać się pod wpływem działających na nie sił.
Dlatego w Fermilab już podczas bicia poprzedniego rekordu stworzono specjalną architekturę magnesu, która go wzmacnia i pozwala przetrzymać ściskające i rozciągające go siły. Dziesiątki przewodów o okrągłym przekroju zostało skręconych w odpowiedni sposób, by uzyskane przewody spełniały specyficzne wymagania elektryczne i mechaniczne. Po utworzeniu z kabli zwojów całość była podgrzewana przez dwa tygodnie w temperaturach sięgających niemal 650 stopni Celsjusza, co nadało materiałowi właściwości nadprzewodzące. Następnie zwoje zostały zamknięte w żelaznych obejmach zamkniętych aluminiowymi klamrami, na co nałożono powłokę ochronną z nierdzewnej stali, która ma ochronić zwoje przed ich deformacją.
I to właśnie magnesy niobowo-cynowe mają pozwolić na osiągnięcie 17 tesli. Zlobin nie wyklucza, że w przyszłości, dzięki nowym materiałom, uda się wygenerować nawet 20 tesli.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z CERN-u wykorzystali zaawansowane techniki spektroskopii laserowej do zbadania, po raz pierwszy w historii, struktury subtelnej antywodoru. Okazało się, że przesunięcie Lamba – niewielkie rozbieżności między obserwowanymi poziomami energetycznymi, a przewidywaniami równania Diraca – jest tutaj takie samo jak w przypadku wodoru.
Fakt że w kosmosie wydaje się istnieć bardzo niewiele antymaterii od dawna niepokoi fizyków. Tworzenie i badania atomów antymaterii to jeden ze sposobów na poznanie przyczyn tej asymetrii. Szczególnym zainteresowaniem cieszy się tutaj badanie anomalii w spektrach antyatomów i porównywanie ich ze spektrami atomów, za pomocą którego możemy odkryć i wyjaśnić naruszenie symetrii CPT.
ALPHA tworzy atomy antywodoru łącząc antyprotony dostarczane przez Antiproton Decelerator z antyalektronami. Następnie całość umieszcza w pułapce magnetycznej w próżni, dzięki czemu antywodór nie wchodzi w reakcję z materią i nie ulega anihilacji. Na atomy antywodoru kierowane jest następnie światło lasera, za pomocą którego dokonywane są pomiary.
Na łamach Nature opisano najnowszy eksperyment, podczas którego uczeni z ALPHA badali strukturę subtelną antywodoru znajdującego się w pierwszym stanie wzbudzonym. Pomiary wykonano za pomocą setek antyatomów, które wytwarzano w grupach po około 20 średnio co 4 minuty. Antyatomy były przez dwa dni przechowywane w pułapce magnetycznej. Następnie za pomocą krótkich impulsów światła ultrafioletowego poziom wzbudzenia był zmieniany ze stanu podstawowego do 2P1/2 lub 2P3/2. Gdy antyatomy wracały do stanu 1S niektóre z nich uciekały z pułapki i ulegały anihilacji z atomami z jej ścianek.
W ten sposób naukowcy byli w stanie określić różnice pomiędzy oboma stanami 2P, a stanem 1S. Pomiarów z dokładnością 16 części na miliard. Okazało się, że rozszczepienie struktury subtelnej atomów wodoru i antywodoru jest takie samo. Niepewność obliczeń nie przekracza tutaj 2%. Również badania przesunięcia Lamba wykazały wysoką zgodność pomiędzy atomami wodoru i antywodoru. Tutaj różnice nie przekraczają 11%.
Randolf Pohl z Uniwersytetu w Moguncji mówi, że zespół ALPHA osiągnął spektakularny sukces w dziedzinie spektroskopii laserowej antywodoru. Szczególnie ważnym osiągnięciem jest zmniejszenie niepewności pomiaru przesunięcia Lamba do mniej niż 1/10000. Dalsze uściślenie pomiarów powinno pozwolić na zbadanie czy rzeczywiście dochodzi do naruszenia symetrii CPT.
Stwierdzenie, że pomiędzy tymi dwiema formami materii nie ma żadnej różnicy, może wstrząsnąć podstawami fizyki opartej na Modelu Standardowym. Nasze nowe pomiary dotyczą pewnych aspektów związanych z interakcją antymaterii, takich jak przesunięcie Lamba, które od dawna chcemy badać, mówi Jeffrey Hangst, rzecznik prasowy grupy ALPHA.
W następnym etapie naszych badań chcemy wykorzystać najnowocześniejszą technikę do schłodzenia dużych ilości antywodoru. Tego typu techniki umożliwią niezwykle precyzyjne porównanie materii i antymaterii, dodaje.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.