Trong thử nghiệm, ASACUSA kiếm được một dây chuyền sản xuất chống hydro • Igor Ivanov • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Vật lý

Trong thử nghiệm, ASACUSA đã giành được một dây chuyền sản xuất chống hydro

Hình 1. Tổng quan về cài đặt ASACUSA tại CERN, được thiết kế để có được và nghiên cứu antihydrogen. Hình ảnh từ cds.cern.ch

Một trong những nhóm nghiên cứu tính chất phản vật chất tại CERN, ASACUSA, báo cáo rằng sau một thập kỷ phát triển và chuẩn bị kỹ thuật, quá trình cài đặt của họ đã bắt đầu tạo ra thuốc kháng histamin. Mục tiêu chính của thí nghiệm này là đo độ lớn của phân tách siêu phân tử trong antihydrogen, so sánh kết quả với hydro, và do đó cố gắng phát hiện sự khác biệt giữa mức năng lượng của chúng. Trong trường hợp của một kết quả tích cực, điều này sẽ có hậu quả cực đoan cho vật lý hiện đại của thế giới vi mô.

Tại sao nên nghiên cứu antihydrogen?

Một ngày khác trong một tạp chí Giao tiếp tự nhiên Một bài báo đã được công bố báo cáo sự tổng hợp thành công của chống hydro trong thí nghiệm ASACUSA (Hình 1) – một trong những thí nghiệm tại CERN đang nghiên cứu phản vật chất. Trong thực tế, chống hydro trong chính nó không còn là một tin tức, xem một chuyến tham quan ngắn gọn vào lịch sử nghiên cứu phản vật chất trong phần tiếp theo của tin tức này, cũng như trang chuyên đề trên trang web CERN. Tuy nhiên, thử nghiệm ASACUSA, có tên viết tắt của Quang phổ nguyên tử và va chạm sử dụng Antiprotons chậm ("Quang phổ nguyên tử và va chạm với việc sử dụng các phản proton chậm"), đặt ra các mục tiêu không thể tiếp cận với các thí nghiệm khác. Trong đó, các nhà vật lý sẽ thực hiện, trong số những thứ khác, các phép đo phổ rất chính xác về chống hydro và so sánh kết quả với hydro. Nếu sự khác biệt được tìm thấy giữa các mức năng lượng của hydro và chống hydro, tìm kiếm này sẽ là một kết quả mang tính cách mạng cho các thiên văn học.

Để bắt đầu nó là giá trị giải thích lý do tại sao một vật lý nguyên tử dường như "nhàm chán" có thể có hậu quả sâu rộng như vậy cho các thiết bị của thế giới vi mô. Thực tế là trong vật lý của các hạt cơ bản có một tuyên bố rất quan trọng, trong đó hình thức đơn giản nhất của nó nghe như thế này: tất cả các tính chất thiết yếu của hạt và phản hạt phải trùng khớp. Các hạt và phản hạt có thể hơi khác nhau trong các phân bố góc hoặc các sở thích khác trong phân rã hoặc va chạm, nhưng các đặc tính tách rời phải giống nhau. Trong lý thuyết lượng tử, điều này được gọi là đối xứng CPT (xem mô tả phổ biến của nó), và gần như tất cả các lý thuyết về tương tác hạt, có thể là Mô hình Chuẩn hay nhiều biến thể của Vật lý Mới, thực sự có tính đối xứng này.Khi áp dụng cho các nguyên tử phản vật chất, điều này có nghĩa là tất cả các mức năng lượng trong hydro và antihydrogen đều giống nhau.

Tuy nhiên, có một lớp lý thuyết cho phép vi phạm đối xứng CPT. Tuy nhiên, vi phạm này được đưa ra vì một lý do: cùng với đối xứng CPT, người ta phải “phá vỡ” và lý thuyết bất biến Lorentz (khả năng này, đặc biệt, trong lý thuyết siêu năng lực), đó là, phải đưa ra một số giả định hoàn toàn về tính chất của thế giới vật chất. Đó là khi quang phổ của hydro và antihydrogen sẽ khác nhau. Do đó, việc quan sát thực nghiệm các mức năng lượng không trùng hợp trong hydro và antihydrogen sẽ có những hậu quả quyết liệt cho vật lý hiện đại.

Tất nhiên, tất cả các hiệu ứng như vậy sẽ yếu, nếu không biểu hiện của chúng sẽ được tiết lộ trong các thuộc tính của các hạt cơ bản và các phản hạt của chúng. Nhưng sự yếu kém của các hiệu ứng không nên sợ hãi: sau khi tất cả, phép đo quang phổ nổi tiếng với độ chính xác siêu cao của chúng. Ví dụ, trong cùng một hydro, sự khác biệt năng lượng giữa các mức 1S và 2S (có nghĩa là, giữa các trạng thái kích thích mặt đất và đầu tiên của một electron) đã được đo với độ chính xác cao hơn 10-14. Đó là lý do tại sao có hy vọng rằng cái nhìn xa nhất trong vấn đề này sẽ là những thí nghiệm về phép đo siêu năng lượng chính xác trong nguyên tử antihydrogen.

Các nghiên cứu lý thuyết cho thấy nhạy cảm nhất với vi phạm CPT giả định sẽ là sự khác biệt năng lượng không phải giữa 1S và 2S, nhưng giữa hai mức năng lượng rất gần mà trạng thái cơ bản của một electron trong phân tách hydro (Hình 2). phân tách siêu mịn mức năng lượng. Hai trạng thái này có cùng phân bố electron, nhưng trong chúng các spin của proton và electron được định hướng khác nhau tương đối với nhau. Trạng thái khi spin quay ngược lại và tổng spin của nguyên tử bằng không, có năng lượng hơi thấp hơn trạng thái khi spin của electron và proton song song. Sự chênh lệch năng lượng này rất nhỏ, ít hơn một triệu lần so với khoảng cách tới mức 2S kích thích, tuy nhiên, nó được đo với độ chính xác cao, tốt hơn một tỷ tỷ (10)-12). Bằng cách này, sự phân chia này rất quan trọng đối với vật lý thiên văn – nó mang lại liên kết vô tuyến nổi tiếng của hydro giữa các vì sao với bước sóng 21 cm.

Hình 2 Trạng thái cơ bản của nguyên tử hydro được chia thành hai mức gần với các hướng khác nhau của các spin của proton và electron (tách siêu phân tách).Sự khác biệt về năng lượng của chúng thấp hơn năng lượng gần một triệu lần so với trạng thái kích thích gần nhất.

Do đó, đối với một phép đo siêu chính xác của một vi phạm CPT có thể, các nhà thực nghiệm phải yêu cầu (1) tạo ra antihydrogen, (2) đăng ký tách siêu phân tử ở mặt đất, (3) đo giá trị của nó với độ chính xác tối đa và so sánh kết quả với dữ liệu về hydro bình thường. Mục tiêu sáng sủa này dành riêng cho một chương trình nghiên cứu thực nghiệm lớn được thực hiện tại nhiều trung tâm nghiên cứu khác nhau trên khắp thế giới, và trên hết là tại CERN.

Nghiên cứu Antihydrogen: Một lịch sử tóm tắt

Các cột mốc chính trong nghiên cứu phản vật chất: từ nguồn gốc của lý thuyết lượng tử, thông qua việc phát hiện các phản hạt, trong các thí nghiệm hiện đại tại CERN. Thông tin từ trang web timeline.web.cern.ch

Nói chung, các phản hạt (positron, phản proton, vv) rất dễ thu được: nó đủ để đẩy nhanh các hạt tới năng lượng của một số GeV và hướng luồng này tới bất kỳ mục tiêu nào. Sau đó, trong các va chạm vô số các hạt sẽ được sinh ra, và đôi khi trong số đó sẽ có các hạt phản vật chất và thậm chí là chống lõi. Với sự trợ giúp của điện trường hoặc từ trường, có thể phân tách các hạt khác nhau, và do đó có thể thu được một dòng các phản proton hoặc positron. Các nhà vật lý đã học cách làm tất cả những điều này hơn nửa thế kỷ trước.

Lấy các nguyên tử antihydrogen là một nhiệm vụ khó khăn hơn nhiều. Chỉ cần kết hợp với một luồng positron và phản proton khác là vô dụng. Năng lượng của các hạt lớn, nồng độ của chúng, ngược lại, là thấp, do đó ngay cả khi các phản proton và positron va chạm vô tình, chúng đơn giản phân tán và không tạo thành một nguyên tử. Để tạo ra các nguyên tử của các hạt phản vật chất cần phải tích tụ, và sau đó để làm mát, có nghĩa là, giảm tốc độ của họ bằng một vài đơn vị độ lớn. Điều này tự nó không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, bởi vì phản vật chất không thể tiếp xúc với vật chất thông thường trong một thời gian dài, và tiêu diệt. (Tuy nhiên, không cần phải đi đến thái cực: sự hủy diệt không xảy ra ngay lập tức, và nếu bạn phóng một positron thành chất, thì nó sẽ có thời gian để sống một cuộc sống khá bận rộn trước khi biến mất.)

Cuối cùng, ngay cả khi các nguyên tử của phản vật chất thu được, chúng vẫn cần phải được giữ và bằng cách nào đó đã được đăng ký. Thông thường chúng được giữ trong bẫy cho điều này, cố gắng tránh tiếp xúc với các bức tường. Nhưng ngay cả trong điều kiện chân không sâu, các phân tử vật chất bình thường bay như nhau trong một cái bẫy, và chúng có thể tiêu diệt bằng phản vật chất, vì thế nhiệm vụ này hóa ra lại là một điều khó khăn.Nói chung, đã có một danh sách nhỏ những khó khăn rõ ràng cho thấy rằng có được và, hơn nữa, nghiên cứu phản vật chất là một nhiệm vụ rất kỹ thuật.

CERN đóng một vai trò tích cực trong nghiên cứu phản vật chất. Ở đây, các nguyên tử chống hydro lần đầu tiên được sản xuất tại một cài đặt LEAR đặc biệt vào năm 1995. Phản vật chất đã có sẵn để nghiên cứu, và một chương trình nghiên cứu phản vật chất rộng lớn hơn đã được đưa ra tại CERN. Bây giờ có một chất khử độc tố AD đặc biệt, một chất khử giảm phản proton (có, tại CERN không chỉ các máy gia tốc, mà còn là người kiểm duyệt!), Làm giảm năng lượng của các phản proton đến 5 MeV và cung cấp chúng cho năm cơ sở thí nghiệm. Trong một trong số họ, ACE, các phản proton được sử dụng để phát triển liệu pháp chống ung thư antiproton, và trong bốn loại khác – để tổng hợp antihydrogen và tiến hành các thí nghiệm khác nhau với nó. Vì vậy, vào năm 2002, hai thí nghiệm, ATRAP và ATHENA đã báo cáo việc tạo ra antihydrogen với số lượng hàng ngàn nguyên tử, và gần đây hơn, vào năm 2011, sự hợp tác ALPHA không chỉ có thể nhận được antihydrogen mà còn giữ nó trong một cái bẫy trong hơn 15 phút.

Tìm hiểu thêm về các thí nghiệm CERN về sản xuất chống hydro có thể được tìm thấy trong chu kỳ của những câu chuyện phổ biến "Lắp ráp một nguyên tử từ các bộ phận rời", phần 1, phần 2, phần 2.5, phần 3.

Tất nhiên, tất cả các nhóm này đều không chỉ tham gia vào việc sản xuất chống hydro mà còn trong nghiên cứu về tính chất của nó. Đặc biệt, sự hợp tác ALPHA lần đầu tiên đăng ký phân tách siêu mịn của trạng thái cơ bản trong một nguyên tử antihydrogen. Độ chính xác của đo lường, tất nhiên, rất thấp do số nguyên tử nhỏ, nhưng đây không phải là vấn đề. Trong tất cả các thí nghiệm này, antihydrogen được bắt và nghiên cứu trong bẫy từ. Nhưng từ trường ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc của các mức năng lượng của các nguyên tử, và không chỉ thay đổi, mà còn “làm xói mòn” chúng trong năng lượng. Tất cả điều này giới hạn độ chính xác mà các phép đo quang phổ chống hydro có thể được tính toán, có nghĩa là nó làm giảm đáng kể khả năng phát hiện sự khác biệt nhỏ giữa quang phổ hydro và chống hydro, mà chúng ta đã thảo luận ở trên.

Nó chính xác là sự khắc phục của "vấn đề từ tính" này là một trong những mục tiêu chính của sự cộng tác ASACUSA. Cô ấy không muốn bắt và giữ các chất chống nguyên tử, cô ấy muốn đo chúng trên bay và không có bất kỳ từ trường nào. Điều này có nghĩa rằng phải có khoảng cách vài mét giữa nơi sản xuất chống hydro (nơi mà từ trường chắc chắn có mặt) và là nơi nghiên cứu của nó.Ngoài ra, dòng chảy của chống hydro nên đủ mạnh, và tốc độ của nó là thấp để trong quá trình thông qua các nguyên tử chống thông qua việc cài đặt, các nhà vật lý có thể nhận được một tín hiệu đáng chú ý từ tách siêu lọc.

Để hoàn thành các nhiệm vụ này, sự hợp tác ASACUSA đã phát triển, thiết lập và sửa lỗi kết hợp một số thiết lập thử nghiệm để giữ, làm chậm và kết hợp các positron và phản proton, cũng như làm việc với các trạng thái siêu mịn của hydro và phát hiện chúng. Trong vài năm qua, ASACUSA thường xuyên báo cáo về các giai đoạn công việc trung gian, và bây giờ cuối cùng họ đã đạt được bước quan trọng đầu tiên đối với việc đo lường kế hoạch – dây chuyền sản xuất chống hydro đã sẵn sàng cho các thí nghiệm.

Công nghệ sản xuất antihydrogen trong ASACUSA

Bây giờ rất hữu ích khi nói một vài từ về phương pháp sản xuất chống hydro trong thí nghiệm ASACUSA. Đề án chung của phức hợp thử nghiệm để đo phân tách siêu lọc trong antihydrogen được thể hiện trong hình. 3. Nó bao gồm hai cánh tay, thông qua đó các phản proton và positron nhập cài đặt phổ biến và được kết hợp với sự hình thành của các nguyên tử antihydrogen.Antiprotons được sản xuất bởi CERN một cách riêng biệt và được cung cấp cho ASACUSA ở dạng đã được làm lạnh trước. Ở đây chúng làm chậm hơn nữa, được bắt giữ trong một cái bẫy phản proton và tích lũy ở đó để sử dụng thêm. Các positron thu được khác nhau – là kết quả của sự phân rã của một đồng vị phóng xạ. 22Na. Chúng bay ra khỏi hạt nhân bị phân rã ở tốc độ cao, và do đó chúng cũng cần được làm lạnh. Ban đầu, họ mất năng lượng của mình, đi qua "băng neon" – một lớp neon rắn lắng đọng trên thành của phễu hình nón gần nguồn. Mặc dù tên âm thanh kỳ lạ, công nghệ này đã được biết đến trong hơn 20 năm. Sau đó, các positron đi vào buồng với hỗn hợp khí, làm chậm hơn nữa, sau đó chúng có thể được giữ và tích lũy trong một cái bẫy positron.

Sau vài triệu phản proton và positron đã được thu thập, những cái bẫy này mở ra, và cả hai đám mây hạt đều đi vào một buồng đơn để kết hợp thành các nguyên tử antihydrogen. Ngay cả quá trình này cũng không đơn giản như nó có vẻ thoáng qua. Cả hai đám mây của các hạt rất hiếm, và, mặc dù sự hấp dẫn giữa positron và phản proton, va chạm của chúng với sự hình thành của một trạng thái bị ràng buộc hiếm khi xảy ra.Hơn nữa, các phản proton và positron đến từ bẫy của chúng, mặc dù được làm lạnh, vẫn di chuyển quá nhanh, và chúng cần phải được làm chậm hơn nữa.

Hình 3 Đề án thử nghiệm ASACUSA (xem phần giải thích trong văn bản). Hình ảnh từ bài viết đang thảo luận

Trong thí nghiệm ASACUSA, một loại bẫy tĩnh điện bất thường, được phát minh cách đây vài năm, được sử dụng để giải quyết vấn đề này (Hình 4). Nói chung, các phản proton và positron có điện tích ngược lại, vì vậy chúng không thể được giữ trong cùng một điện trường. Tuy nhiên, bạn có thể làm điều này. Đầu tiên, ở giữa bẫy, điện thế tĩnh điện của dạng hai khối (Hình 4, bên trái) được tạo ra và các positron được đặt ở đó. Positrons tích cực "cảm thấy" một lỗ tiềm năng ở trung tâm của cái bẫy, bị chặn bởi các rào cản ở hai bên, vì vậy họ ngồi lặng lẽ bên trong cái bẫy và chờ đợi số phận của họ.

Nếu chúng ta giới thiệu các phản proton tích điện âm vào cùng tiềm năng, chúng sẽ đơn giản bay qua nó mà không kéo dài ở trung tâm – cho chúng, hạ thấp năng lượng tiềm năng. Do đó, ở giai đoạn thứ hai, tiềm năng được nâng lên từ một cạnh, làm giảm năng lượng của các phản proton và cho phép chúng được tiêm vào cạnh này (Hình 4, ở giữa).Di chuyển trong tiềm năng giảm dần này, các phản proton chậm lại khi năng lượng tiềm năng của chúng tăng lên. Năng lượng của chúng được chọn để chúng có thể bò đến đám mây positron. Cái bẫy sau đó được đóng lại, và hai đám mây phản xạ chồng chéo được bắt gặp trong nó (Hình 4, bên phải). Trong khu vực giao lộ của chúng, các nguyên tử antihydrogen được hình thành.

Hình 4 Ý tưởng kết hợp positron và phản proton để hình thành antihydrogen trong một cái bẫy tĩnh điện có hình dạng bất thường. Một điện thế tĩnh điện lớn có nghĩa là một năng lượng tiềm năng lớn cho positron và một năng lượng nhỏ cho các phản proton. Thao tác với tiềm năng và điều chỉnh năng lượng của các phản proton làm cho nó có thể kết hợp hiệu quả hai đám mây hạt, và trong khu vực giao thoa chống hydro của chúng được tổng hợp (xem phần giải thích trong văn bản). Mũi tên cho thấy hướng mà từ đó các phản proton được tiêm vào bẫy

Chuyến bay tiếp theo của nguyên tử antihydrogen

Vì các nguyên tử là trung tính, điện thế tĩnh điện không còn hạn chế chuyển động của chúng, và chúng tự do "rơi ra" của cái bẫy. Trong cùng một cái bẫy, cũng có một từ trường có hình dạng phức tạp có thể tách các trạng thái chống hydro với các spin khác nhau,vào đó mức năng lượng chính được phân chia (Hình 2). Kết quả là, một dòng nguyên tử antihydrogen phân cực chặt chẽ sẽ chảy ở lối ra của cái bẫy (Hình 5).

Hình 5 Nghiên cứu trang web trong cài đặt ASACUSA. Một từ trường phức tạp bên trong bẫy phân tách các trạng thái với các spin khác nhau, sao cho đầu ra là một dòng antihydrogen phân cực. Trong một bộ cộng hưởng vi sóng với tần số thích hợp, có các trạng thái ném giữa các trạng thái có spin khác nhau, bị chặn bởi một nam châm sextupole. Đo số nguyên tử được truyền qua máy dò chống hydro, người ta có thể tìm ra hiệu quả của quá trình ném và do đó, đo chính xác độ lớn của phân tách siêu mịn. Trong các thí nghiệm được mô tả, bộ cộng hưởng đã bị tắt. Hình ảnh từ asacusa.web.cern.ch

Antihydrogen như vậy có thể được vận chuyển xa, một khoảng cách vài mét từ nơi nhận. Từ trường ở nơi này sẽ cực kỳ yếu, và chúng sẽ không can thiệp vào các thí nghiệm về phép đo tách siêu lọc. Vâng, bản thân phép đo này sẽ được thực hiện theo cách tiêu chuẩn cho vật lý nguyên tử. Nguyên tử bay qua một bộ cộng hưởng với từ trường yếu và có sóng radio đứng.Khi tần số sóng trùng với sự khác biệt tần số giữa các trạng thái khác nhau trong phân tách siêu lọc, quá trình cộng hưởng của việc ném các nguyên tử từ trạng thái này sang trạng thái khác bắt đầu. Tần số của sóng vô tuyến có thể được điều chỉnh với độ chính xác rất cao, điều này sẽ cho phép đo sự chia tách các cấp có cùng độ chính xác. Ước tính cho thấy độ chính xác tương đối của thứ tự 10-7 hoàn toàn có thể đạt được trong thử nghiệm ASACUSA.

Tất cả điều này là tốt, nhưng chỉ có điều này là kinh doanh của tương lai. Cho đến nay, sự hợp tác ASAGUSA chỉ muốn xác minh rằng sự hình thành của chống hydro đang tiến hành thành công. Để kết thúc này, máy dò dựa trên bismuth orthogermanate (Bi3Ge4O12hoặc, trong thuật ngữ của các nhà vật lý, chỉ đơn giản là tinh thể BGO, vật liệu chuẩn cho phép đo chớp nhoáng trong vật lý hạt. Những tinh thể này đơn giản hấp thụ các nguyên tử chống, bên trong chúng hủy diệt phản vật chất xảy ra với sự giải phóng năng lượng, và năng lượng của các nguyên tử có thể được đo bằng một tia sáng. Đo năng lượng được yêu cầu để phân biệt sự xâm nhập của một nguyên tử antihydrogen thực sự từ các sự kiện không liên quan.Số lượng các sự kiện nhỏ, chỉ vài chục nguyên tử trong một tiếng rưỡi, nhưng điều này hoàn toàn khác với nền. Do đó, dòng chảy antihydrogen là – thí nghiệm ASAGUSA chính thức kiếm được.

Điều này, tất nhiên, chỉ là khởi đầu. Trên con đường để đo lường toàn bộ quy mô tách siêu mịn trong chống hydro, sự cộng tác ASACUSA vẫn phải khắc phục một số khó khăn kỹ thuật. Ví dụ, để giảm sai số thống kê, cần tăng đáng kể số nguyên tử chống hydro được tạo ra. Một nhiệm vụ khó khăn khác là tìm hiểu làm thế nào để có được không chỉ các nguyên tử chống hydro, mà là các nguyên tử trong trạng thái năng lượng mặt đất. Cho đến nay, thông lượng antihydrogen đã đăng ký bao gồm các nguyên tử ở trạng thái cơ bản và ở trạng thái kích thích, tới mức độ kích thích cao với số lượng tử chính n = 43. Các nhà thử nghiệm phải học cách chuyển các nguyên tử này sang trạng thái cơ bản, và trong một thời gian tương đối ngắn. Nhưng đây là một khó khăn chung đối với tất cả các thí nghiệm với thuốc kháng histamin, ASACUSA cũng không ngoại lệ. Tuy nhiên, vì giai đoạn then chốt về mặt kỹ thuật khó khăn của toàn bộ kỹ thuật đã được triển khai thành công, nên hy vọng rằng các phép đo vật lý thực sự không xa.

Nguồn: N. Kuroda et al. (Cộng tác ASACUSA). Một nguồn antihydrogen cho quang phổ siêu mịn trong chuyến bay // Giao tiếp tự nhiên 5. Số bài viết: 3089 (2014); Bài viết nằm trong miền công cộng.

Xem thêm:
1) Thử nghiệm CERN cho một nghiên cứu siêu mịn;
2) Trang chính thức của Tổ hợp thử nghiệm ASACUSA trên trang web của CERN.
3) Tại đỉnh của ASACUSA, một bài báo phổ biến trong tạp chí CERN Courier.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: