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

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
      Wielki Zderzacz Hadronów, a dokładniej jeden z jego mniejszych eksperymentów – LHCb – zarejestrował nowy rodzaj pentakwarka oraz nigdy wcześniej nie widzianą parę tetrakwarków, w skład której wchodzi nowy typ tetrakwarka. Tym samym rodzina hadronów powiększyła się o trzech egzotycznych członków.
      Kwarki to cząstki elementarne. Zwykle kwarki łączą się w grupy po dwa lub trzy, tworząc hadrony. Z trzech kwarków składają się np. protony i neutrony tworzące jądro atomu. Czasem jednak kwarki łączą się w grupy po cztery czy pięć, wówczas mówimy o tetra- i pentakwarkach. ich istnienie przewidziano teoretycznie w tym samym czasie, co istnienie „zwykłych” hadronów. Jednak tetra- i pentakwarki obserwujemy dopiero od początku obecnego wieku.
      Większość odkrytych tetra- i pentakwarków zawiera kwark powabny i antykwark powabny, a pozostałe kwarki to kwark górny, dolny, dziwny lub ich antycząstki. Jednak w ciągu ostatnich lat naukowcy przy LHCb zaczęli rejestrować inne rodzaje egzotycznych hadronów.
      Tak jest i tym razem. Uczeni z LHCb poinformowali właśnie, że podczas rozpadu mezonów B o ładunku ujemnym, zarejestrowano pentakwarka złożonego z kwarka powabnego, antykwarka powabnego oraz kwarków górnego, dolnego i dziwnego. To pierwszy znany pentakwark zawierający kwark dziwny. Poziom ufności (σ) wynosi w przypadku tej obserwacji wynosi 15, czyli znacznie więcej niż sigma 5 przy którym fizycy mówią o odkryciu nowej cząstki.
      Drugie odkrycie to podwójnie naładowany tetrakwark o otwartym powabie, składający się z kwarka powabnego, antykwarka dziwnego, kwarka górnego i antykwarka dolnego. Towarzyszył mu neutralny tetrakwark. W przypadku tetrakwarka podwójnie naładowanego σ=6,5, a w przypadku jego towarzysza jest to 8, więc w obu przypadkach możemy mówić o odkryciu. To pierwszy raz, gdy odkryto parę tetrakwarków.
      Im więcej badań przeprowadzamy, tym więcej odkrywamy egzotycznych hadronów. To podobna sytuacja jak w latach 50. ubiegłego wieku, gdy naukowcy trafili na całe „zoo cząstek”, dzięki czemu w latach 60. mogli stworzyć kwarkowy model hadronów. Teraz tworzymy „zoo cząstek 2.0”" – powiedział koordynator projektu LHCb Niels Tuning.
      Obecnie niektóre modele teoretyczne opisują egzotyczne hadrony jako pojedyncze cząstki składające się ze ściśle powiązanych ze sobą kwarków. Natomiast według innych modeli są to pary luźno powiązanych standardowych hadronów, tworzących struktury podobne do molekuł. Dopiero kolejne badania pozwolą odpowiedzieć na pytanie, czym naprawdę są egzotyczne hadrony.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z CERN-u dokonali najbardziej precyzyjnych pomiarów masy kwarka górnego. To najcięższa z cząstek elementarnych, a poznanie jej masy jest niezbędne do poznania zasad funkcjonowania wszechświata w najmniejsze skali.
      Najnowsze wyniki uzyskane przez zespół pracujący przy eksperymencie CMS (Compact Muon Solenoid) w Wielkim Zderzaczu Hadronów pozwoliły na poznanie masy kwarka górnego z dokładnością około 0,27%. Tak olbrzymią precyzję udało się osiągnąć dzięki wykorzystaniu  nowych metod analitycznych oraz poprawienia procedur dotyczących radzenia sobie z niepewnościami pomiaru.
      Znajomość masy najcięższej z cząstek to kluczowy element, który pozwoli przetestować matematyczną spójność całego modelu cząstek elementarnych. Na przykład, jeśli znalibyśmy dokładną masę bozonu W i bozonu Higgsa, moglibyśmy – korzystając z Modelu Standardowego – poznać dokładną masę kwarka górnego. Podobnie działa to w drugą stronę – poznanie dokładnej masy kwarka górnego i bozonu Higgsa, pozwoli na wyliczenie dokładnej masy bozonu W. Fizyka teoretyczna dokonała na tym polu olbrzymich postępów, jednak wciąż trudno jest dokładnie określić masę kwarka górnego. Tymczasem dla zrozumienia wszechświata, a szczególnie jego stabilności, potrzebujemy jak najbardziej precyzyjnych informacji o masie bozonu Higgsa i kwarka górnego. Z dotychczas dostępnych informacji na temat masy kwarka górnego wiemy, że wszechświat znajduje się bardzo blisko stanu metastabilnego. Jeśli masa kwarka górnego byłaby minimalnie inna, wszechświat w długim terminie byłby mniej stabilny i mógłby zakończyć swój żywot podczas gwałtownego wydarzenia podobnego do Wielkiego Wybuchu.
      Podczas ostatnich badań naukowcy z CMS wykorzystali dane zebrane przez CMS w 2016 roku podczas zderzeń protonów. Wzięli pod uwagę pięć różnych właściwości zderzeń, podczas których powstawała para kwarków górnych. Właściwości te zależą właśnie od masy kwarka górnego. Dotychczas przy tego typu badaniach pod uwagę brano trzy właściwości. Ponadto naukowcy przeprowadzili ekstremalnie precyzyjną kalibrację danych z CMS, dzięki czemu lepiej zrozumieli wszelkie niepewności pomiaru i ich wzajemne zależności. Po przeprowadzeniu odpowiednich obliczeń stwierdzili, że masa kwarka górnego wynosi 171,77±0,38 GeV. Jest ona zatem zgodna zarówno z wcześniejszymi pomiarami, jak i z założeniami Modelu Standardowego.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W CERN zakończono najbardziej precyzyjne w historii eksperymenty, których celem było sprawdzenie czy materia i antymateria reagują tak samo na oddziaływanie grawitacji. Trwające 1,5 roku badania z wykorzystaniem protonów i antyprotonów przeprowadzili specjaliści z eksperymentu BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment).
      Naukowcy zmierzyli stosunek ładunku do masy protonu i antyprotonu z dokładnością 16 części na bilion. To najbardziej precyzyjny ze wszystkich testów symetrii materii i antymaterii przeprowadzony na cząstkach złożonych z trzech kwarków, zwanych barionami, i ich antycząstkach, mówi Stefan Ulmer, rzecznik prasowy BASE.
      Zgodnie z Modelem Standardowym cząstki i antycząstki mogą się od siebie różnić, jednak większość właściwości, szczególnie ich masa, powinno być identycznych. Znalezienie różnicy masy pomiędzy protonami a antyprotonami lub też różnicy w ich stosunku ładunku do masy, oznaczałoby złamanie podstawowej symetrii Modelu Standardowego, symetrii CPT. Byłby to również dowód na znalezienie fizyki wykraczającej poza opisaną Modelem Standardowym.
      Istnienie takiej różnicy mogłoby doprowadzić do wyjaśnienia, dlaczego wszechświat składa się głównie z materii, mimo że podczas Wielkiego Wybuchu powinny powstać takie same ilości materii i antymaterii. Różnice pomiędzy cząstkami materii i antymaterii zgodne z Modelem Standardowym, są o rzędy wielkości zbyt małe, by wyjaśnić obserwowaną nierównowagę.
      Naukowcy z BASE wykorzystali podczas swoich pomiarów antyprotony i jony wodoru, które służyły jako ujemnie naładowane przybliżenia protonów. Umieszczono je w tzw. pułapce Penninga. Badania prowadzono pomiędzy grudniem 2017 roku a majem 2019. Później przystąpiono do opracowywania wyników, a po zakończeniu prac w najnowszym numerze Nature poinformowano o rezultatach.
      Po uwzględnieniu różnic pomiędzy jonami wodoru a protonami okazało się, że stosunek ładunku do masy protonu jest z dokładnością do 16 części na miliard identyczny ze stosunkiem ładunku do masy antyprotonu. To czterokrotnie bardziej dokładne obliczenia niż wszystko, co udało się wcześniej uzyskać, mówi Stefan Ulmer. Aby dokonać tak precyzyjnych pomiarów musieliśmy najpierw znacznie udoskonalić nasze narzędzia. Badania przeprowadziliśmy w czasie, gdy urządzenia wytwarzające antymaterię były nieczynne. Wykorzystaliśmy więc magazyn antyprotonów, w którym mogą być one przechowywane przez lata, dodaje.
      Prowadzenie eksperymentów w pułapce Penninga w czasie, gdy urządzenia wytwarzające antymaterię nie działają, pozwala na uzyskanie idealnych warunków, gdyż nie występują zakłócające badania pola magnetyczne generowane przez „fabrykę antymaterii”.
      Naukowcy z BASE nie ograniczyli się tylko do niespotykanie precyzyjnego porównania protonów i antyprotonów. Przeprowadzili też testy słabej zasady równoważności. Wynika ona z teorii względności i głosi, że zachowanie wszystkich obiektów w polu grawitacyjnym jest niezależne od ich właściwości, w tym masy. Oznacza to, że jeśli pominiemy inne siły – jak np. siłę tarcia – reakcja wszystkich obiektów na oddziaływanie grawitacji jest taka sama. Przykładem może być tutaj piórko i młotek, które w próżni powinny opadać z tym samym przyspieszeniem.
      Orbita Ziemi wokół Słońca ma kształt elipsy, co oznacza, że obiekty uwięzione w pułapce Penninga będą odczuwały niewielkie zmiany oddziaływania grawitacyjnego. Okazało się, że zarówno proton i antyproton identycznie reagują na te zmiany. Uczeni z BASE potwierdzili, że słaba zasada równoważności odnosi się zarówno do materii jak i antymaterii z dokładnością około 3 części na 100.
      Ulmer podkreśla, że uzyskana w tym eksperymencie precyzja jest podobna do założeń eksperymentu, w ramach których CERN chce badać antywodór podczas spadku swobodnego w polu grawitacyjnym Ziemi. BASE nie prowadziło eksperymentu ze swobodnym spadkiem antymaterii w polu grawitacyjnym Ziemi, ale nasze pomiary wpływu grawitacji na antymaterię barionową są co do założeń bardzo podobne do planowanego eksperymentu. To wskazuje, że w dopuszczonym zakresie niepewności nie znaleźliśmy żadnych anomalii w interakcjach pomiędzy antymaterią a grawitacją.

      « powrót do artykułu
    • 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, są zatem stabilniejsze 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 magiczną. 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 mało, 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
      Naukowcy z CERN-u są pierwszymi, którym udało się zaobserwować trzy czarmonia pochodzące z pojedynczego zderzenia dwóch protonów. Odkrycie, dokonane podczas analizy danych z eksperymentu CMS pozwoli lepiej zrozumieć rozkład kwarków i gluonów wewnątrz protonu.
      Czarmonium, zwane też kwarkonium powabnym, to pierwsza odkryta cząstka zawierająca kwark powabny. Jego odkrycie zostało nazwane „rewolucją listopadową fizyki cząstek elementarnych”. Potwierdziło bowiem, że istnieje czwarty rodzaj kwarka, pozwoliło na potwierdzenie kwarkowego modelu hadronów, a Burtonowi Richterowi i Samuelowi Tingowi przyniosło nagrodę Nobla z fizyki (1976). Jako, że obaj odkryli czarmonium niezależnie od siebie, i jeden nazwał je cząstką J, a drugi cząstką psi, czarmonium znane jest też jako mezon J/ψ.
      Dotychczas podczas eksperymentów, również tych prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów, obserwowano jedno lub dwa czarmonia pochodzące z pojedynczego zderzenia. Trzy czarmonia udało się zauważyć dzięki temu, że przeprowadzający analizę naukowcy poszukiwali zmian J/ψ w pary mionów. W ten sposób znaleźli 5 przypadków zderzeń proton-proton, podczas których jednocześnie powstały po trzy cząstki J/ψ. Istotność statystyczna obserwacji wynosi ponad 5σ, zatem można mówić o odkryciu.
      Trzeba jednak pamiętać, że do pojawienia się aż trzech kwarkoniów powabnych dochodzi niezwykle rzadko. Pojedyncze kwarkonium powabne pojawia się 3,7 miliona razy częściej, a dwa kwarkonia powabne – 1800 razy częściej niż trzy takie cząstki.
      Mimo tego, to temat warty zbadania, mówi Stefanos Leontsinis z CERN-u. W przyszłości LHC powinien zebrać większą próbkę trzech mezonów J/ψ pojawiających się w wyniku jednego zderzenia, a dzięki temu lepiej zrozumiemy wewnętrzną strukturę protonu.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...