Οι φυσικοί στο CERN χρησιμοποιούν λέιζερ για να χειριστούν την αντιύλη
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πριν από λίγες ημέρες στο Nature , μια ομάδα φυσικών στο CERN αναφέρει ότι χρησιμοποίησε με επιτυχία ένα λέιζερ για να προκαλέσει αλλαγή της ενεργειακής κατάστασης για ένα άτομο αντιύλης.
Η αντιύλη είναι γνωστό ότι είναι δύσκολο να παραχθεί, να συγκρατηθεί και να χειριστεί, επομένως το πείραμα είναι μνημειώδες καθώς αντιπροσωπεύει μια μεγάλη πρόοδο στην ικανότητα των επιστημόνων να χειρίζονται πειραματικά την αντιύλη, μια από τις πιο μυστηριώδεις και σπανιότερες ουσίες στο σύμπαν μας.
Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες προκάλεσαν με επιτυχία αυτό που είναι γνωστό ως μετάβαση Lyman-alpha σε ένα άτομο αντι-υδρογόνου. Η μετάβαση Lyman-alpha είναι μία από τις θεμελιώδεις διαδικασίες που περιλαμβάνουν ενέργεια σε κανονικά άτομα υδρογόνου, επομένως η ικανότητα επιτυχούς χειρισμού αντι-υδρογόνου όπως το κανονικό του υδρογόνου «ανοίγει μια νέα εποχή στην επιστήμη της αντιύλης» σύμφωνα με τον Takamasa Momose, ένα σωματίδιο φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας και επικεφαλής ερευνητής για την ομάδα που ανέπτυξε το λέιζερ. "Αυτή η προσέγγιση είναι μια πύλη για την ψύξη του αντιυδρογόνου, η οποία θα βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια των μετρήσεών μας και θα μας επιτρέψει να δοκιμάσουμε πώς αλληλεπιδρούν η αντιύλη και η βαρύτητα, κάτι που εξακολουθεί να είναι μυστήριο."
Θεωρείται ότι η πρόοδος σε τέτοιες πειραματικές τεχνολογίες θα βοηθήσει στη διερεύνηση θεμελιωδών συμμετριών και αντισυμμετριών μεταξύ ύλης και αντιύλης, απαντώντας πιθανώς σε μακροχρόνια κοσμολογικά ερωτήματα σχετικά με την παρουσία άνισων ποσοτήτων ύλης και αντιύλης στο παρατηρήσιμο σύμπαν.
Ύλη και Αντιύλη
Όλοι είμαστε εξοικειωμένοι με την κανονική ύλη, που αποτελείται από τρεις τύπους σωματιδίων. θετικά φορτισμένα πρωτόνια, ουδέτερα φορτισμένα νετρόνια και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια, η αντιύλη ορίζεται ως η ύλη που αποτελείται από αντισωματίδια—σωματίδια της ίδιας μάζας αλλά αντίθετου ηλεκτρικού φορτίου ή κβαντικού αριθμού των σωματιδίων της συνηθισμένης ύλης. Για παράδειγμα, ένα αντιπρωτόνιο είναι ένα σωματίδιο ίδιας μάζας με ένα κανονικό πρωτόνιο, αλλά με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο.
Ομοίως, ένα αντιηλεκτρόνιο (συχνά αποκαλούμενο «ποζιτρόνιο») έχει την ίδια μάζα με ένα ηλεκτρόνιο, αλλά θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Με άλλα λόγια, μπορεί κανείς να θεωρήσει την αντιύλη ως ένα είδος κατοπτρικής εικόνας της συνηθισμένης ύλης. το μέγεθος και το σχήμα είναι τα ίδια, αλλά άλλες ιδιότητες έχουν αντιστραφεί. Στην πραγματικότητα, οι φυσικοί θεωρούν ότι τα αντισωματίδια θα πρέπει να μπορούν να συνδυάζονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως τα κανονικά σωματίδια, οδηγώντας σε έναν ολόκληρο κατάλογο «αντι» ουσιών και χημικών ενώσεων όπως αντι-οξυγόνο, αντι-νερό και αντι-μεθάνιο κ.λπ.
Όταν η ύλη και η αντιύλη έρχονται σε επαφή, και τα δύο εκμηδενίζονται πλήρως και το 100% της μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια. Αντίθετα, οι πιο αποτελεσματικές δυνατές βόμβες πυρηνικής σύντηξης θα μετατρέπουν μόνο περίπου το 7-10% της μάζας των αρχικών αντιδραστηρίων σε ενέργεια. Χρήση της εύχρηστης εξίσωσης του Αϊνστάιν για ισοδυναμία μάζας-ενέργειας E =mc , μπορούμε να προσδιορίσουμε ότι μόνο ένα γραμμάριο ύλης και ένα μόνο γραμμάριο αντιύλης που αλληλεπιδρούν θα παράγουν 0,002 kg ×(2,98×10) =~1,8×10 τζάουλ ενέργειας—περίπου το ισοδύναμο των 43 χιλιάδων τόνων της TNT. Αυτό το υψηλό ενεργειακό δυναμικό έχει κάνει την αντιύλη να ενδιαφέρει τους φυσικούς και η κερδοσκοπική τεχνολογία αντιύλης υψηλής ενέργειας αποτελεί βασικό στοιχείο των συγγραφέων επιστημονικής φαντασίας για δεκαετίες.
Δεδομένου ότι οι κοσμολογικές εξισώσεις προβλέπουν ότι ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης θα έπρεπε να είχαν δημιουργηθεί στη Μεγάλη Έκρηξη, είναι περίεργο το γεγονός ότι το παρατηρήσιμο σύμπαν αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από κανονική ύλη. Η αντιύλη δημιουργείται μερικές φορές κατά τη διάρκεια γεγονότων υψηλής ενέργειας, όπως ηλιακές εκλάμψεις ή συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας, αλλά αυτά τα αντισωματίδια εκμηδενίζονται αμέσως μόλις έρθουν σε επαφή με τη συνηθισμένη ύλη. Η ασυμμετρία ύλης και αντιύλης στο παρατηρήσιμο σύμπαν είναι ένα από τα μεγάλα άλυτα προβλήματα στη φυσική.
Λέιζερ και αντιύλη
Η μετάπτωση Lyman μετράται ως μια σειρά υπεριωδών φασματικών γραμμών, που εκπέμπονται όταν ένα ηλεκτρόνιο υδρογόνου μεταβαίνει από ένα χαμηλό τροχιακό σε ένα υψηλό τροχιακό. Η μετάβαση Lyman είναι μια από τις πιο θεμελιώδεις διαδικασίες στη φύση και αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της σύγχρονης κβαντικής θεωρίας. Χρησιμοποιώντας μια σειρά από εκρήξεις λέιζερ με ακριβή χρονισμό, η ομάδα μπόρεσε να προκαλέσει μια παρόμοια μετάβαση στο ποζιτρόνιο ενός ατόμου αντι-υδρογόνου.
Χρησιμοποιώντας ισχυρά μαγνητικά πεδία, η ομάδα κατάφερε να παγιδεύσει μερικές εκατοντάδες άτομα αντι-υδρογόνου και να τα αιωρήσει στο κενό. Το λέιζερ που χρησιμοποιείται είναι αξιοσημείωτο καθώς αντιπροσωπεύει μεγάλες εξελίξεις της τεχνολογίας. έχοντας μια πηγή στερεάς κατάστασης και είναι ικανή να παράγει παλμούς μεγάλου μήκους νανοδευτερόλεπτου. Καθώς το λέιζερ περνούσε τους κύκλους του, η ομάδα κατέγραψε τα εκπεμπόμενα φωτόνια, τη χαρακτηριστική εκπομπή για όταν ένα διεγερμένο σωματίδιο αλλάζει ενεργειακή κατάσταση. Αυτό που βρήκαν ήταν ότι οι καταγεγραμμένες μετρήσεις φασματικής γραμμής συνέπεσαν με τις μετρήσεις για ένα άτομο κανονικού υδρογόνου με ακρίβεια 8 σημαντικών ψηφίων, μια από τις πιο ακριβείς μετρήσεις των ιδιοτήτων της αντιύλης μέχρι σήμερα. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι προκάλεσαν με επιτυχία μια μετάβαση Lyman σε περίπου 966 άτομα αντι-υδρογόνου σε διάστημα 2 ωρών.
Ειδικότερα, η ομάδα ελπίζει ότι οι νέες τεχνικές της θα παρέχουν τρόπους ελέγχου για συμμετρία CPT, τη θεμελιώδη θεωρία ότι η αντιστροφή φορτίου, η αντιστροφή ισοτιμίας και η αντιστροφή χρόνου είναι συμμετρικές. Δηλαδή, μια «καθρέφτης» του σύμπαντός μας θα λειτουργούσε ακριβώς το ίδιο. Η συμμετρία CPT φαίνεται να υπονοείται τόσο από την κβαντική μηχανική όσο και από τη θεωρία της σχετικότητας, αλλά μπορεί να υπάρχουν ορισμένες εξαιρέσεις. Συγκεκριμένα, η επικράτηση της ύλης έναντι της αντιύλης στο πρώιμο σύμπαν θα μπορούσε να προέκυψε από κάποια διαδικασία που παραβιάζει τη συμμετρία CPT. Αυτό που χρειαζόταν είναι ένας τρόπος χειρισμού της αντιύλης με αρκετά ακριβή τρόπο ώστε να ελεγχθούν για συμμετρίες και τυχόν πιθανές ασυμμετρίες μεταξύ ύλης και αντιύλης.
Το επόμενο βήμα για την ομάδα είναι να βελτιώσει τη μέθοδό της για να επιτρέψει την παραγωγή ποσοτήτων ψυχρού αντι-υδρογόνου επαρκείς για ακριβή φασματοσκοπία μάζας και μέτρηση βαρύτητας. Η πρόοδος τέτοιων πειραματικών μεθόδων θα φτάσει σε μεγάλο βαθμό στην εξερεύνηση των θεμελιωδών συμμετριών και ασυμμετριών της ύλης και της αντιύλης. Ο Momose είπε, "Αυτό μας φέρνει λίγο πιο κοντά στην απάντηση σε μερικές από αυτές τις μεγάλες ερωτήσεις στη φυσική."
