ALPHA-kollaboratsioon: antivesiniku lõksustamine ja uurimine
ALPHA-kollaboratsioon: antivesiniku lõksustamine ja põhjalik uurimine — tipptasemel eksperimendid antiaine omaduste, gravitatsiooni ja fundamentaalsete füüsikaseaduste avastamiseks.
ALPHA Collaboration on rühm füüsikuid umbes 11 ülikoolist, kes töötavad koos, et püüda kinni ja uurida neutraalset antiainet. Konkreetselt tegelevad nad antivesinikuga — see on antivesinik, antiversioon tavalise vesiniku perioodilisussüsteemi esimese aatomi jaoks. Nagu vesinikul, on ka antivesinikul kaks vastandlaenguga osakest: vesinik koosneb prootonist ja elektronist, ning antivesinik koosneb vastavalt antiprootonist ja positronist. Positron on antielektroni üldnimetus.
Mida ALPHA teeb ja miks see on tähtis
ALPHA eesmärk on toota, külmutada ja pikaajaliselt kinni hoida antivesinikuga neutraalseid antiaatomeid, et neid seejärel täpselt mõõta. Sellised mõõtmised võimaldavad võrrelda antivesiniku omadusi tavalise vesinikuga ja seega testida fundamentaalseid füüsikaseadusi — eelkõige CPT-sümmeetriat (ruumi-, aja- ja laenguteisendus). Kui antivesinik ja vesinik käituksid täpselt identselt, kinnitaks see meie praeguseid teooriaid; igasugune erinevus annaks viidet uuele füüsikale. Lisaks huvitab teadlasi, kuidas antimaterjal käitub gravitatsiooni suhtes — kas see langeb samamoodi kui tavaline aine?
Kuidas antivesinikku toodetakse ja püütakse
Protsess koosneb mitmest etapist:
- Algselt saadakse uurimisüksuses antiprootone ja positrone; need osakesed tuleb kõigepealt jahutada ja lokaalselt konteinersüsteemides hoida.
- Antiprootonid hoitakse sageli kõrgemõõdus elektri- ja magnetvälja kombinatsioonis (sarnased Penning-tüüpi trappidele), mis takistab nende kokkukõrgetamise mateeriaga.
- Positronid segatakse kontrollitud tingimustes antiprootonitega, mille käigus mõnel juhul tekib kolmeelementne rekombinatsioon või muu reaktsioon, mis toodab neutraalseid antivesiniku aatomeid.
- Neutraalsed antivesiniku aatomid ei allu enam elektriväljadele, kuid omavad magnetilist momenti — selle põhjal kasutatakse spetsiifilisi magnetilisi trappe (näiteks minimaalse magnetvälja konfiguratsioone, mille loovad keerukad ja tugeva väljavõimsusega poolused), et neutraalselt laetud antiaatomit ruumis kinni hoida.
- Kui antivesinik puutub kokku tavalise ainega, toimub anihilatsioon (häving), mille käigus vabaneb energiat ja tekkivaid osakesi (näiteks pioone, footoneid) saab detektoritega registreerida. Just anihilatsiooni jälgede abil tuvastatakse trapist pääsenud või hävinenud antiaatomid.
Mõõtmismeetodid ja teaduslikud tulemused
ALPHA kasutab mitut täpset meetodit, et võrrelda antivesiniku omadusi vesinikuga:
- Laser- ja mikrolaine-spektroskoopia võimaldavad mõõta energiaüleminekuid (näiteks 1s–2s üleminek ja hüperfiniitstruktuur). Võrdlus vesinikuga testib väga täpselt, kas looduseseadused kehtivad sama moodi mõlema jaoks.
- Trapis oleva antivesiniku kinnihoidmisaegade ning anihilatsiooniprofiilide analüüs annab infot trapiehituse ja põhimõtete töökindluse kohta ning aitab optimeerida eksperimente.
- Spetsiifilised katsed uurivad materiaalset neutraalsust ja võimalikku massi/gravitatsiooni mõju antimaterjalile — selleks on valmiv või juba toimiv paralleelprojekt, mille eesmärk on mõõta antivesiniku langemist ja vastust gravitatsiooniväljadele.
Tehnilised väljakutsed
Töö antiainega on tehniliselt nõudlik, sest iga kokkupuude tavalise ainega põhjustab anihilatsiooni. Sellepärast on vaja väga puhast vaakumit, täpseid magnetväljade konfiguratsioone, madalat temperatuuri ja täpseid detektoreid. Samuti on antiaine tootmine väga madala efektiivsusega protsess, mistõttu on vajalikud efektiivsed kogumismeetodid ja suure tundlikkusega mõõteseadmed.
Ülevaade tähtsusest ja tulevik
ALPHA töö aitab vastata mõnele kõige põhiküsimusele kaasaegsest füüsikast: kas antimaterjal järgib samu seadusi kui tavaline aine, kas on mingeid peidetud sümmeetriad või erinevusi, mis viitaksid uuele füüsikale, ning kuidas antimaterjal reageerib gravitatsioonile. Need tulemused aitavad paremini mõista universumi varasemat arengut ja matter–antimatter asümmeetriat.
ALPHA on näide rahvusvahelisest koostööst, kus kombineeritakse ekspertiisi eksperimentaalfüüsikas, magnettehnoloogias, detektoritehnoloogias ja teoreetilises modelleerimises. Tulevikus püütakse saavutada veelgi täpsemaid spektroskoopilisi mõõtmisi, pikemaajalist trapikontrolli ja otseseid gravitatsioonikatseid antivesinikuga.
CERN
ALPHA koostöö eksperiment asub CERNis Genfis Šveitsis. CERN on ainus koht maailmas, mis suudab pakkuda "aeglasi" antiprotoneid, mida ALPHA saab hõlpsasti kinni püüda. ALPHA toob need antiprootonid seejärel kokku positronidega ja moodustab antivesiniku.
Antivesinikul on, nagu paljudel aatomitel ja eriti vesinikul, väike magnetiline dipoolmoment. Dipoolmoment on teine viis öelda, et aatom käitub natuke nagu väike magnet, millel on põhja- ja lõunapoolus. Tavaliselt tõmbavad sellised väikesed magnetid teisi magneteid ligi. Mõned aatomid käituvad aga mõnes olekus nii, et magnetväljad tõrjuvad neid. See tähendab, et aatomid võivad olla võimalik, et nad jäävad ruumi lõksu, tehes magnetvälja minimaalseks. ALPHA üritab just seda teha antivesinikuga. ALPHA-l on magnetite nutika paigutuse abil nn magnetiline miinimum lõksu, milles võib olla lõksu pandud antivesinik.
See on keeruline protsess. Nende aatomite magnetilised jõud on üsna nõrgad, mistõttu saab lõksu panna ainult väga madala liikumisenergiaga (kineetilise) anti vesinikuaatomeid, st väga madalal temperatuuril. Praegune moodne ALPHA lõks saab sisaldada antivesinikuaatomeid nende põhiseisundis, kui need on külmemad kui umbes 0,5 kelvini (st 0,5 kraadi üle absoluutse nulli). ALPHA töötab praegu sellise külma antivesiniku valmistamise kallal.
Küsimused ja vastused
K: Mis on ALPHA koostöö?
V: ALPHA Collaboration on rühm füüsikuid umbes 11 ülikoolist, kes töötavad koos, et püüda püüda kinni neutraalset antiainet.
K: Mis on neutraalne antiaine, mida ALPHA Collaboration püüab kinni püüda?
V: Neutraalne antiaine, mille püüdmiseks ALPHA Collaboration töötab, on antivesinik.
K: Mis on antivesinik?
V: Antivesinik on vesiniku, perioodilisussüsteemi esimese aatomi antiaine versioon, millel on kaks vastassuunaliselt laetud osakest nagu vesinikulgi.
K: Millised on kaks vastassuunaliselt laetud osakest antivesinikus?
V: Antivesiniku kaks vastassuunaliselt laetud osakest on antiprooton ja positron.
K: Mis on positron?
A: Positron on antielektron ja on elektroni vastand.
K: Mis on ALPHA Collaborationi eesmärk antivesiniku püüdmisel?
V: ALPHA Collaboration'i eesmärk antivesiniku püüdmisel on uurida antiaine omadusi ja käitumist, mis võib aidata meil paremini mõista universumi põhilisi toiminguid.
K: Kuidas on ALPHA Collaborationi töö antivesiniku kallal seotud perioodilisussüsteemiga?
V: ALPHA Collaboration'i töö antivesiniku kallal on seotud perioodilisustabeliga, sest antivesinik on tabeli esimese elemendi, vesiniku, antiaine versioon.
Otsige