ALPHA: международна колаборация за улов и изследване на антиводород
Сътрудничеството ALPHA е група физици от около 11 университета, които работят заедно (или "сътрудничат"), за да се опитат да уловят неутрална антиматерия. Неутралната антиматерия, за която се работи, е антиводород. Това е версията на антиматерията на водорода - първия атом в периодичната таблица. Антиводородът, както и водородът, има две противоположно заредени частици. Водородът има протон и електрон, така че антиводородът би имал антипротон и позитрон. Позитронът е общоприетото наименование на антиелектрона.
Цели и научно значение
Основната цел на ALPHA е да произведе, улови и изучи антиводородни атоми достатъчно дълго, за да се направят прецизни експерименти върху техните свойства. Това има няколко ключови научни мотива:
- Тестване на фундаментални симетрии: Сравняването на спектралните линии и други свойства на водорода и антиводорода позволява изпитване на CPT-инвариантността — фундаментален принцип в квантовата теория на полето, според който закони на физиката трябва да са еднакви за материя и антиматерия.
- Прецизна спектроскопия: измерване на преходи, като например 1S–2S или хиперфиното разделяне, с цел да се открият най-малки отклонения от очакваните стойности.
- Гравитационно поведение на антиматерията: въпросът дали антиматерията взаимодейства с гравитацията по същия начин като материята остава отворен и е предмет на отделни и съвместни експерименти.
Как работят експериментите
Уловът и изследването на антиводород са предизвикателни поради две основни причини: 1) антипротоните и позитроните се създават със значителна енергия и трябва да бъдат охладени, за да образуват свързани атоми; 2) антиводородът, при контакт с нормална материя, анхилира моментално, затова експериментите използват полета и вакуум за да го задържат далеч от стените.
Практическите техники включват:
- Улов на заредени частици в Пенингова (Penning) и други капани: антипротоните и позитроните първо се улавят и охлаждат чрез магнитни и електрически полета.
- Формиране на антиводород: чрез комбинация на охладени антипротони и позитрони в специални конфигурации, които позволяват рекомбинация и образуване на неутрални атоми.
- Магнитни капани за неутрални атоми: тъй като неутралните атоми не се улавят от електрически полета, се използват пространствени градиенти на магнитни полета (магнитни „минимуми“), които задържат атомите благодарение на техния магнитен момент.
- Лазерна и радиочестотна спектроскопия: за измерване на енергийните преходи и сравнение със стойностите за водород.
Исторически бележки и постижения
Експериментите с антиводород напреднаха значително през последните десетилетия. Първото образуване на студен антиводород в лаборатория беше важна стъпка, следвана от успешното улавяне на отделни антиводородни атоми в магнитни капани. След това бяха проведени първите спектроскопски измервания и други доказващи концепцията опити. Тези резултати отвориха пътя към все по-прецизни тестове на фундаментални закони.
Организация и международно сътрудничество
ALPHA е типичен пример за международно научно сътрудничество: групи от различни университета и институции комбинират експертни познания по плазмена физика, лазерна техника, магнитно каптиране, електроника и анализ на данни. Работата изисква сложна апаратура, вакуумни системи и суперпроводящи магнити, както и синхронизация с доставки на антипротони от ускорителни комплекси.
Какво следва
Бъдещите стъпки включват подобряване на броя и въведенията на уловените антиводородни атоми, удължаване на времето им на задържане, по-остра лазерна и микровълнова спектроскопия и експерименти, насочени към разбиране на взаимодействието с гравитацията. Всичко това помага да се стесни пространството за възможни отклонения от сега приетите теории и да се разшири нашето разбиране за фундаменталните свойства на Вселената.
CERN
Експериментът на колаборацията ALPHA се провежда в ЦЕРН в Женева, Швейцария. ЦЕРН е единственото място в света, което може да осигури "бавни" антипротони, които могат лесно да бъдат уловени от ALPHA. След това ALPHA вкарва тези антипротони в контакт с позитрони и образува антиводород.
Антиводородът, подобно на много други атоми и особено на водорода, има малък магнитен диполен момент. Диполният момент е друг начин да се каже, че атомът се държи така, сякаш е малък магнит със северен и южен полюс. Обикновено такива малки магнити се привличат от други магнити. Въпреки това някои атоми в някои състояния се държат така, че се отблъскват от магнитни полета. Това означава, че атомите евентуално биха могли да бъдат уловени в пространството, като направят минимално магнитно поле. ALPHA се опитва да направи точно това с антиводород. Чрез умело подреждане на магнити ALPHA разполага с така наречения капан на магнитния минимум, в който може да бъде уловен антиводородът.
Това е труден процес. Магнитните сили върху тези атоми са доста слаби, така че капанът може да съдържа само антиводородни атоми с много ниска двигателна (кинетична) енергия, т.е. при много ниска температура. Сегашният модерен капан ALPHA може да съдържа антиводородни атоми в основното им състояние, ако те са по-студени от около 0,5 келвина (т.е. 0,5 градуса над абсолютната нула). В момента ALPHA работи по създаването на такъв студен антиводород.
Въпроси и отговори
Въпрос: Какво представлява сътрудничеството на АЛФА?
О: Сътрудничеството ALPHA е група физици от около 11 университета, които работят заедно, за да се опитат да уловят неутрална антиматерия.
В: Каква е неутралната антиматерия, която ALPHA Collaboration се опитва да улови?
О: Неутралната антиматерия, която ALPHA Collaboration се опитва да улови, е антиводород.
В: Какво представлява антиводородът?
О: Антиводородът е версия на антиматерията на водорода, първия атом в периодичната таблица, който има две противоположно заредени частици, също като водорода.
В: Кои са двете противоположно заредени частици в антиводорода?
О: Двете противоположно заредени частици в антиводорода са антипротон и позитрон.
В: Какво представлява позитронът?
О: Позитронът е антиелектрон и е противоположен на електрона.
В: Каква е целта на сътрудничеството ALPHA при улавянето на антиводорода?
О: Целта на ALPHA Collaboration при улавянето на антиводород е да се изследват свойствата и поведението на антиматерията, което може да ни помогне да разберем по-добре фундаменталното функциониране на Вселената.
В: Как работата на ALPHA Collaboration по антиводорода се отнася към периодичната система?
О: Работата на ALPHA Collaboration по антиводорода е свързана с периодичната таблица, тъй като антиводородът е версия на антиматерията на първия елемент в таблицата - водорода.
