История эксперимента:
Ускорители впервые обнаружили горячий антиводород в 1990-х годах. ATHENA исследовала холодный H в 2002 году. Впервые он был обнаружен командой антиводородного лазерного физического аппарата (ALPHA) в ЦЕРНЕ в 2010 году, которая затем измерила структуру и другие важные свойства. ALPHA, AEGIS и GBAR планируют дальнейшее охлаждение и изучение атомов H.
измерение перехода через 1 с–2 с.
В 2016 году в эксперименте ALPHA был измерен атомный электронный переход между двумя самыми низкими энергетическими уровнями антиводорода, 1s–2s. Результаты, которые идентичны результатам для водорода в пределах экспериментального разрешения, подтверждают идею симметрии материи–антивещества и CPT-симметрии.
В присутствии магнитного поля переход 1s–2s распадается на два сверхтонких перехода со слегка отличающимися частотами. Команда вычислила частоты перехода для нормального водорода под действием магнитного поля в ограниченном объеме как:
fdd = 2466061103064(2) кГц
fcc = 2466061707104(2) кГц
Однофотонный переход между s-состояниями запрещен квантовыми правилами отбора, поэтому, чтобы поднять позитроны основного состояния до уровня 2s, пространство заключения освещалось лазером, настроенным на половину расчетных частот перехода, стимулируя разрешенное поглощение двух фотонов.
Атомы антиводорода, возбужденные до состояния 2s, могут затем эволюционировать одним из нескольких способов:
- Они могут испускать два фотона и возвращаться непосредственно в основное состояние, каким они были
- Они могут поглощать другой фотон, который ионизирует атом
- Они могут испускать один фотон и возвращаться в основное состояние через состояние 2p — в этом случае спин позитрона может перевернуться или остаться прежним.
Результаты как ионизации, так и переворота вращения приводят к тому, что атом выходит из заточения. Команда подсчитала, что, предполагая, что антиводород ведет себя как обычный водород, примерно половина атомов антиводорода будет потеряна при воздействии резонансной частоты по сравнению со случаем без лазера. При настройке лазерного источника на 200 кГц ниже половины частот перехода рассчитанные потери были по существу такими же, как и в случае отсутствия лазера.
Команда ALPHA изготовила порции антиводорода, подержала их в течение 600 секунд, а затем уменьшила удерживающее поле на 1,5 секунды, подсчитывая, сколько атомов антиводорода было аннигилировано. Они сделали это в трех различных экспериментальных условиях:
- Резонанс: – воздействие на ограниченные атомы антиводорода лазерным источником, настроенным ровно на половину частоты перехода, в течение 300 секунд для каждого из двух переходов.,
- Внерезонансное воздействие: – облучение ограниченных атомов антиводорода лазерным источником, настроенным на 200 килогерц ниже двух резонансных частот в течение 300 секунд каждая.,
- Отсутствие лазера: – ограничение атомов антиводорода без какого-либо лазерного освещения.
Два элемента управления, нерезонансный и без лазера, были необходимы для обеспечения того, чтобы само лазерное освещение не вызывало аннигиляции, возможно, путем высвобождения нормальных атомов с поверхности защитного сосуда, которые затем могли бы соединяться с антиводородом.
Команда провела 11 запусков в трех случаях и не обнаружила существенной разницы между запусками вне резонанса и без лазера, но количество событий, обнаруженных после резонансных запусков, снизилось на 58%. Они также смогли подсчитать события аннигиляции во время запусков и обнаружили более высокий уровень во время резонансных запусков, опять же без существенной разницы между запусками вне резонанса и без лазера. Результаты хорошо согласуются с предсказаниями, основанными на нормальном водороде, и могут быть "интерпретированы как проверка симметрии CPT с точностью до 200 п.л.".
Характеристики:
Теорема CPT физики элементарных частиц предсказывает, что атомы антиводорода обладают многими характеристиками, присущими обычному водороду; то есть той же массой, магнитным моментом и частотами перехода состояния атома. Например, ожидается, что возбужденные атомы антиводорода будут светиться тем же цветом, что и обычный водород. Атомы антиводорода должны притягиваться к другой материи или антивеществу гравитационно с силой той же величины, которую испытывают обычные атомы водорода. Это было бы неверно, если бы антивещество имело отрицательную гравитационную массу, что считается крайне маловероятным, хотя пока не опровергнуто эмпирически. Недавно была разработана теоретическая основа для отрицательной массы и гравитации отталкивания (антигравитации) между веществом и антивеществом, и теория совместима с теоремой CPT.
Когда антиводород вступает в контакт с обычной материей, его составляющие быстро аннигилируют. Позитрон аннигилирует с электроном, производя гамма-лучи. Антипротон, с другой стороны, состоит из антикварков, которые соединяются с кварками либо в нейтронах, либо в протонах, в результате чего образуются пионы высокой энергии, которые быстро распадаются на мюоны, нейтрино, позитроны и электроны. Если бы атомы антиводорода были взвешены в идеальном вакууме, они должны были бы существовать неопределенно долго.
Ожидается, что как антиэлемент он будет обладать точно такими же свойствами, как водород. Например, антиводород при стандартных условиях представлял бы собой газ и соединялся бы с антиоксидантом с образованием антиводы, H2O.
Производство:
Первый антиводород был получен в 1995 году командой во главе с Уолтером Элертом из ЦЕРНА с использованием метода, впервые предложенного Чарльзом Мангером-младшим, Стэнли Бродски и Иваном Шмидтом Андраде.
В LEAR антипротоны из ускорителя были выпущены в ксеноновые кластеры, образуя электрон-позитронные пары. Антипротоны могут захватывать позитроны с вероятностью около 10-19, поэтому этот метод не подходит для значительного производства, как было рассчитано. В Fermilab было измерено несколько иное поперечное сечение, в соответствии с предсказаниями квантовой электродинамики. Оба привели к образованию высокоэнергетичных, или горячих, антиатомов, непригодных для детального изучения.
Впоследствии ЦЕРН построил антипротонный замедлитель (AD) для поддержки усилий по созданию низкоэнергетического антиводорода для испытаний фундаментальных симметрий. ОБЪЯВЛЕНИЕ будет поставляться нескольким группам CERN. CERN ожидает, что их установки будут способны производить 10 миллионов антипротонов в минуту.
Низкоэнергетический антиводород.
Эксперименты, проведенные коллаборациями ATRAP и ATHENA в ЦЕРНЕ, объединили позитроны и антипротоны в ловушках Пеннинга, что привело к синтезу с типичной скоростью 100 атомов антиводорода в секунду. Антиводород был впервые произведен ATHENA в 2002 году, а затем ATRAP, и к 2004 году были получены миллионы атомов антиводорода. Синтезированные атомы имели относительно высокую температуру (несколько тысяч кельвинов) и, как следствие, ударялись о стенки экспериментального аппарата и аннигилировали. Большинство точных тестов требуют длительного времени наблюдения.
ALPHA, преемница коллаборации ATHENA, была создана для стабильного улавливания антиводорода.Будучи электрически нейтральным, его спиновые магнитные моменты взаимодействуют с неоднородным магнитным полем; некоторые атомы будут притягиваться к магнитному минимуму, создаваемому комбинацией зеркального и мультипольного полей.
В ноябре 2010 года ALPHA collaboration объявила, что они захватили 38 атомов антиводорода на шестую долю секунды, это первое удержание нейтральной антивещества. В июне 2011 года они захватили 309 атомов антиводорода, до 3 одновременно, на срок до 1000 секунд. Затем они изучили его сверхтонкую структуру, гравитационные эффекты и заряд. ALPHA продолжит измерения наряду с экспериментами ATRAP, AEGIS и GBAR.
Более крупные атомы антивещества.
Более крупные атомы антивещества, такие как антидейтерий (D), антитритий (T) и антигелий (He), гораздо сложнее производить. Ядра антидейтерия, антигелия-3 (3He) и антигелия-4 (4He) были получены с такими высокими скоростями, что синтез соответствующих им атомов создает несколько технических препятствий.
История антиводорода.
1905, 30 июня.
Немецкий журнал «Анналы физики» опубликовал статью «Об электродинамике движущихся тел» молодого сотрудника патентного бюро Альберта Эйнштейна. Эта статья положила начало специальной теории относительности, которая описывает отношения между пространством и временем, а также между энергией и массой с помощью формулы Е = mс2.
Виктор Гесс (в центре) готовится к полёту на воздушном шаре. 1912 год. Фото: American Phisical society / PD
1912, 7 апреля.
Австрийский физик Виктор Гесс открыл космические лучи — естественный источник высокоэнергетических частиц. Он предпринял полёт на воздушном шаре во время почти полного солнечного затмения, измеряя степень ионизации атмосферы вплоть до высоты 5300 м. Поскольку ионизация атмосферы не уменьшилась с высотой даже во время затмения, Гесс сделал вывод, что существует источник излучения, который находится далеко в космосе.
1920–1930.
Эрвин Шрёдингер и Вернер Гейзенберг применили концепцию Планковских квантов энергии к атому и его частям, в результате чего родилась квантовая теория.
1928, 2 января.
Опубликована статья Поля Дирака «Квантовая теория электрона» с уравнением, которое совмещает квантовую теорию со специальной теорией относительности и описывает движение электрона с релятивистской скоростью. Уравнение предполагает существование античастиц, поскольку у него есть два решения: одно — для электрона с положительной энергией, другое — с отрицательной.
В своей нобелевской лекции Поль Дирак предсказывает существование антиматерии: «Если мы допустим полную симметрию между положительным и отрицательным зарядом, то, в соответствии с фундаментальными законами природы, мы должны считать то, что Земля и, предположительно, Солнечная система преимущественно состоят из отрицательных электронов и положительных протонов, случайностью. Вполне вероятно, что некоторые звёзды устроены противоположным образом, и они могут состоять из позитронов и отрицательных протонов. Вообще говоря, возможно, количество звёзд обоих типов одинаково. Они должны иметь идентичные спектры, и современная астрономия не в состоянии отличить один тип звёзд от другого».
1932, 9 сентября.
Карл Андерсон открыл существование позитрона во время изучения космических лучей в пузырьковой камере.
1934, 20 февраля.
Эрнест Лоуренс запатентовал циклотрон — устройство для ускорения частиц с использованием высокого напряжения. Установка в Калифорнийском университете в Беркли использовалась для бомбардировки мишеней из различных материалов разогнанными частицами, что привело к синтезу новых радиоактивных элементов. Так было положено начало ядерной физики высоких энергий.
1954.
Под руководством Лоуренса в Радиационной лаборатории в Беркли построен Беватрон, название которого произведено от «биллиона электронвольт» (в современной физике для этого значения используется приставка «гига»).
Беватрон в Беркли, Калифорния. Фото: Lawrence Berkeley National Laboratory
1955, 1 ноября.
Оуэн Чемберлен, Эмилио Сегре, Клайд Виганд и Томас Ипсилантис из Радиационной лаборатории опубликовали статью об открытии антипротона.
1956, 3 ноября.
Брюс Корк, Глен Ламбертсон, Оресте Пиччоне и Вильям Венцель из той же лаборатории опубликовали статью об открытии антинейтрона. Это открытие доказало, что каждая частица, из которых состоит атом, имеет античастицу.
1964, 27 июля.
Джеймс Кронин и Вал Фитч из Брукхейвенской национальной лаборатории экспериментально обнаружили нарушение СР-симметрии — слабое взаимодействие происходит по-разному для материи и антиматерии.
1965, 1 сентября.
Впервые было синтезировано ядро антиатома, составленное из пары антипротон — антинейтрон. Открытие совершили одновременно две группы физиков: одна — под руководством Антонио Зикики из ЦЕРНа и другая — Леона Ледермана из Брукхейвенской национальной лаборатории.
1978, 18 августа.
В ЦЕРНе научились хранить антипротоны в течение 85 часов. До этого физикам удавалось удержать антипротоны всего на десятитысячную долю секунды.
1981, 4 апреля.
В ЦЕРНе зарегистрированы первые столкновения между протонами и антипротонами группой под руководством Симона ван дер Меера и Карло Руббиа. Установка, используемая для этого эксперимента, также позволила наблюдать кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны.
1995, 15 сентября.
Группа физиков под началом Вальтера Олерта из ЦЕРНа синтезировала первые атомы антиводорода, зарегистрированные благодаря аннигиляции.
1997, 7 февраля.
ЦЕРН принял проект строительства антипротонного замедлителя.
2002.
В двух экспериментах под крышей ЦЕРНа — ATHENA и ATRAP — синтезировали тысячи антиатомов. Физики научились охлаждать антиатомы, то есть замедлять их движение настолько, чтобы можно было успеть изучить их свойства до того, как они аннигилируют.
2011, 5 июня.
ALPHA — одна из новых экспериментальных установок на базе ЦЕРНа, благодаря которой получилось удержать охлаждённые атомы антиводорода на протяжении 1000 секунд.
2011, 28 июля.
ASACUSA — «сосед» ALPHA в прямом и переносном смысле — оба эксперимента получают антипротоны из общего антипротонного замедлителя. Физики из ASACUSA смогли измерить массу атома антиводорода с высокой точностью.
2012, 7 марта.
Коллаборация ALPHA опубликовала результаты первой позитронной парамагнитной спектроскопии атома антиводорода. Резонансное микроволновое излучение в сильном магнитном поле «перевернуло» спин позитрона, вследствие чего магнитный момент антиводорода изменился, атом покинул ловушку и аннигилировал.
2015, 12 августа.
Коллаборация BASE произвела высокоточное сравнение отношения массы к заряду протона и антипротона.
2016, 12 ноября.
Антипротоны в резервуаре BASE отпраздновали первый день рождения.
2016, январь.
Опубликованы результаты эксперимента ALPHA: измерено точное значение электрического заряда антиводорода и подтверждена электронейтральность антиатома.
ЦЕРН строит новое кольцо замедлителя для антипротонов, которое будет носить имя ELENA. Этот 30-метровый в окружности замедлитель сможет производить плотный пучок более медленных антипротонов и подводить их к четырём экспериментам одновременно.
