Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Po raz pierwszy udało się schłodzić antymaterię. Umożliwi to jej precyzyjne porównanie z materią

Recommended Posts

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

Share this post


Link to post
Share on other sites
Posted (edited)

Super! Może to też pierwszy kroczek do tego, aby gromadzić antymaterię w celu dalszego jej wykorzystania.

31 minut temu, KopalniaWiedzy.pl napisał:

Osiągnięcie otwiera drogę do lepszego poznania wewnętrznej struktury antywodoru i zbadania, w jaki sposób zachowuje się on pod wpływem grawitacji.

Ale do tego to chyba jeszcze dużo pracy nas czeka, skoro dopiero co czytałem o dużym osiągnięciu, jakim było zmierzenie oddziaływania grawitacyjnego obiektu o masie pszczoły: https://kopalniawiedzy.pl/oddzialywanie-grawitacyjne-eksperyment-Cavendisha-masa,33470

Natomiast czekam na te wyniki badań, bo sądzę, że antymateria oddziałuje antygrawitacyjnie i byłbym "cały w skowronkach", gdyby to się potwierdziło :)

Edited by Sławko

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Obowiązujący od ponad 70 lat powłokowy model jądra atomowego trzyma się dobrze. Jednak badania przeprowadzone właśnie w ramach eksperymentu ISOLDE w CERN są kolejnymi dającymi sprzeczne informacje odnośnie liczb magicznych.
      Z modelu powłokowego możemy wywnioskować, że te jądra, których powłoki są wypełnione, mają większą energię wiązania niż inne, są zatem stabilniejsza niż inne jądra. Liczby protonów i neutronów, dla których powłoki są wypełnione, nazywane są liczbami magicznymi. Obecnie uznane liczby magiczne zarówno dla protonów jak i neutronów to 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126. Jeśli mamy do czynienia z jądrem, dla którego i protony i neutrony występują w liczbie magicznej, mówimy o jądrze podwójnie magicznym. Jądrem podwójnie magicznym jest np. jądro tlenu, zawierające 8 protonów i 8 neutronów.
      Od mniej więcej dwóch dekad kolejne eksperymenty wskazują, że liczbą magiczną, przynajmniej dla neutronów, może być 32. W 2013 roku naukowcy z CERN badając izotopy wapnia bogate w neutrony zauważyli nagły spadek energii separacji neutronów poza liczbą N=32. Literami N i Z oznacza się, odpowiednio, liczbę neutronów i protonów w jądrze. Spadek taki wskazuje zaś, że 32 może być liczbą magiczna. Jeszcze wcześniej ci sami naukowcy podczas badania spektrum wzbudzenia wapnia-52 zaobserwowali wyższe niż spodziewane wzbudzenie przy wartościach Z=20 i N=32. Jako, że wiemy, iż 20 jest liczbą magiczną, sugerowałoby to istnienie w tym przypadku jądra podwójnie magicznego. Jakby tego było badania prowadzone w japońskim RIKEN wskazują na zmiany pobudzenia nie tylko jądra wapnia-52 (N=32), ale też wapnia-54 (N=34).
      Z drugiej jednak strony badania promieni kwadratowych jąder potasu-51 i wapnia-52, dla których N=32 nie wykazało żadnych oznak, że mamy do czynienia z jądrami magicznymi.
      Naukowcy z ISOLDE badali teraz bardzo egzotyczne jądro potasu-52 (N=33). Poszukiwali w nim nagłego relatywnego wzrostu promienia kwadratowego, co jest silnym wskazaniem, że N=32 jest liczbą magiczną. Jednak niczego takiego nie zauważyli.
      Nowe badania wprowadzają tylko więcej zamieszania. Nie odrzucamy wyników wcześniejszych badań, gdyż były one wykonane prawidłowo, na sprzęcie najwyższej klasy. Kwestionujemy tylko płynące z nich wnioski, że 32 jest liczbą magiczną dla neutronów, mówi Thomas Cocolios, fizyk atomowy z Uniwersytetu Katolickiego w Leuven (KU Leuven). Teraz uczeni planują przeprowadzenie podobnych pomiarów dla wapnia-53 i wapnia-54, by zweryfikować twierdzenia, iż N=34 jest liczbą magiczną.
      Wiele wskazuje na to, że teoretycy będą musieli przemyśleć problem dotyczący N=32. Badanie energii wskazuje, że jest to liczba magiczna, jednak badanie wielkości jądra temu przeczy. Obserwujemy tutaj sprzeczność pomiędzy badaniami, które dają wiarygodne wyniki. Muszą się tym zająć teoretycy, mówi Gerda Neyens, fizyk teoretyczna z KU Leuven, która kieruje eksperymentem ISOLDE.
      Uczona dodaje, że zrozumienie tego fenomenu nie będzie łatwe, gdyż interakcje pomiędzy protonami a neutronami nie zachodzą bezpośrednio, a na poziomie kwarków. To utrudnia nam zrozumienie jąder atomowych, szczególnie tych egzotycznych. Im więcej badamy egzotycznych jąder, tym bardziej zdajemy sobie sprawę, że nasze modele teoretyczne mają coraz większe kłopoty ze spójnym opisaniem zjawisk w nich zachodzących, dodaje Cocolios.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zderzenia pomiędzy wysoko energetycznymi protonami po raz pierwszy pozwoliły na przyjrzenie się niezwykłym hiperonom. Zaliczane są one do cząstek dziwnych. To bariony zawierające co najmniej jeden kwark dziwny. Hiperony prawdopodobnie występują w jądrach gwiazd neutronowych, zatem ich badanie może sporo zdradzić na temat samych gwiazd oraz środowisk o tak ekstremalnie upakowanej materii.
      Hiperony są hadronami, czyli cząstek złożonych z co najmniej dwóch kwarków. Interakcje pomiędzy hadronami mają miejsce za pośrednictwem oddziaływań silnych. Niezbyt wiele wiemy o oddziaływaniach pomiędzy hadronami, a większość tej wiedzy pochodzi z badan, w których używane są protony i neutrony. Natura oddziaływań silnych powoduje, że bardzo trudno jest czynić w ich przypadku przewidywania teoretyczne. Trudno jest więc teoretycznie badać, jak hadrony oddziałują między sobą. Zrozumienie tych oddziaływań jest często nazywane „ostatnią granicą” Modelu Standardowego.
      Protony, neutrony i hiperony składają się z trzech kwarków. O ile jednak protony i neutrony zbudowane są wyłącznie z kwarków górnych i dolnych, to hiperony zawierają co najmniej jeden kwark dziwny. Badanie hiperonów daje nam zatem nowe informacje na temat oddziaływań silnych.
      Podczas badań naukowcy z CERN, pracujący przy eksperymencie ALICE, przyglądali się wynikom zderzeń wysoko energetycznych protonów, w wyniku których w otoczeniu miejsca kolizji pojawiają się „źródła” cząstek. Dochodzi do interakcji kwarków i gluonów, tworzących nowe cząstki. Powstają też pary hiperonów i protonów. Naukowcy, mierząc korelacje momentów pędu w takich parach zbierają informacje na temat sposobu ich interakcji.
      Interakcje takie można w ograniczonym stopniu przewidywać na podstawie modelowania zachowania kwarków i gluonów. Najnowsze badania wykazały, że przewidywania niemal idealnie zgadzają się z pomiarami.
      Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Nature.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Jak wiemy z teorii kwantowej, cząstki mogą jednocześnie przyjmować dwa różne stany. To superpozycja. Podręczniki mówią, że akt obserwacji czy też pomiaru stanu cząstek, prowadzi do kolapsu funkcji falowej, czyli zniszczenia superpozycji, i cząstka zajmuje tylko jedną lokalizację. Fizycy spierają się, jak do tego dochodzi. Teraz jedno z najpowszechniej przyjętych wyjaśnień, które zakłada rolę grawitacji w kolapsie, otrzymało poważny cios w postaci badań przeprowadzonych w słynnym włoskim Laboratorium Narodowym Gran Sasso.
      Hipoteza o roli grawitacji bierze swoje początki w pracach dwóch węgierskich fizyków, Károlyházego Frigyesa w latach 60. i Lajosa Diósiego w latach 80. Podstawę ich teorii stanowi stwierdzenie, że pole grawitacyjne obiektu wykracza poza teorię kwantową. Gdy cząstka zostaje wprowadzona w superpozycję, jej pole grawitacyjne próbuje tego samego, lecz nie jest w stanie długo jej utrzymać. Dochodzi do kolapsu, który pociąga za sobą kolaps superpozycji cząstki. Wielkim zwolennikiem grawitacyjnego kolapsu – który rezygnuje z antropocentrycznej koncepcji obserwatora – jest wybitny matematyk Roger Penrose.
      Od dawna twierdzi on, że spontaniczne załamanie superpozycji, a więc lokalizacja cząstki, ma związek z geometrią czasoprzestrzeni, zatem z grawitacją. Stwierdził on wprost, że do załamania superpozycji dochodzi, gdy mamy do czynienia z sytuacjami, które w dostatecznym stopniu różnią się geometrią czasoprzestrzeni.
      Dotychczas jednak wydawało się, że nie jest możliwe przeprowadzenie badań dowodzących prawdziwości powyższej teorii. Sam Diosi, który jest jednym ze współautorów eksperymentu w Gran Sasso, mówi, że przez 30 lat był "krytykowany we własnym kraju za spekulacje na temat czegoś, czego nie można przetestować".
      Najnowsze osiągnięcia nauki umożliwiły jednak to, co do niedawna było niemożliwe. Naukowcy stwierdzili, że cząstka, która podlega kolapsowi, gwałtownie zmieni pozycję, co doprowadzi do ogrzania systemu, którego jest częścią. To tak, jakby dodatkowo ją popchnąć, mówi współautor badań Sandro Donadi. Jeśli taka cząstka ma ładunek, wyemituje ona foton. Jeśli zaś będziemy mieli całą grupę cząstek w superpozycji, dojdzie do zgodnej emisji.
      Grupa Diosiego, chcąc przetestować taką ideę, stworzyła detektor z dużego kryształu germanu, który miał wykrywać nadmiarową emisję promieniowania gamma oraz rentgenowskiego z jąder germanu. Kryształ został otoczony ołowianą osłoną, a eksperyment przeprowadzono w Gran Sasso, 1,4 kilometra pod powierzchnią ziemi, co miało osłonić całość od innych zakłóceń. W czasie 2 miesięcy badań detektor zarejestrował 576 fotonów. To niewiele więcej niż przewidywane dla tego eksperymentu 506 fotonów.
      Tymczasem model Penrose'a przewidywał, że pojawi się 70 000 takich fotonów. Powinniśmy zarejestrować kolapsy, ale ich nie odnotowaliśmy, zauważa biorąca udział w badaniach Cătălina Curceanu z Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej w Rzymie. To zaś wskazuje, że nie dochodzi do spontanicznego kolapsu pod wpływem samej tylko grawitacji.
      Jednak, jak zauważa Ivette Fuentes z University of Southampton, żeby potwierdzić uzyskane wyniki należy sztucznie stworzyć superpozycje, a nie polegać na naturalnie zachodzących procesach. Jej zespół pracuje obecnie nad stworzeniem superpozycji 100 milionów atomów sodu.
      Sam Penrose pochwalił eksperyment, jednak dodał, że nie jest on wystarczający do przetestowania prawdziwości jego modelu. Uczony zauważa, że nie jest zwolennikiem teorii o gwałtownej zmianie pozycji cząstki, gdyż może to powodować, że wszechświat zyskuje lub traci energię, co narusza podstawy fizyki. Penrose dodaje, że w czasie przerwy spowodowanej pandemią udoskonalał swój model. W jego wyniku nie powstaje ciepło czy promieniowanie, dodaje.
      Fizyk teoretyczny Maaneli Derakhshani z Rutgers University mówi, że nawet jeśli sama grawitacja powoduje kolaps, to cały proces jest bardziej złożony niż pierwotny model Penrose'a.
      Praca Underground test of gravity-related wave function collapse opublikowana została na łamach Nature Physics.

      « powrót do artykułu
    • By 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
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...