Nauka: CERN coraz bliżej rozwiązania zagadki antymaterii

AKTUALNOŚCI, CIEKAWOSTKI, NAUKA, ŚWIAT, TECHNOLOGIE

Pomiar widma światła, emitowanego przez atomy antywodoru, jest możliwy – wykazali naukowcy z CERN. Porównanie go z widmem zwykłego wodoru pomoże wyjaśnić, dlaczego cała antymateria przepadła a nasz wszechświat jest złożony tylko z materii.

Antymateria to fenomen znany fizykom od dziesięcioleci. Każda cząstka elementarna ma swój anty-odpowiednik, który zasadniczo różni się od niej tym, że ma ładunek elektryczny o przeciwnym znaku. Czyli antyproton jest cząstką o masie i innych własnościach protonu, ale o ujemnym ładunku, zaś antyelektron (inaczej pozyton) ma masę elektronu, ale ładunek dodatni. Mówi się też, że cząstka i anty-cząstka są swoimi lustrzanymi odbiciami.

The CERN accelerator complex


Jednak cząstki i anty-cząstki nie żyją ze sobą w przyjaźni. Gdy cząstka antymaterii zetknie się ze swoją bliźniaczą cząstką materii, to obie ulegają anihilacji, czyli znikają zamieniając się w fotony – czystą energię. Ta własność antymaterii została wykorzystana przez autora powieści „Anioły i demony”, Dana Browna, który opisał ładunek wybuchowy, składający się z małego pojemnika z antymaterią, której siła anihilacji mogła zniszczyć Watykan.

Właśnie z powodu wybuchowych konsekwencji zetknięcia materii z antymaterią nie jest możliwe zaobserwowanie antycząstek trwale istniejących w przyrodzie. Pojawiają się one np. w procesie rozpadu promieniotwórczego jąder atomów i można też wytwarzać je w laboratoriach. Ale niezależnie od tego, jak powstały, cząstki antymaterii nie żyją długo – anihilują natychmiast po zetknięciu ze zwykłą materią, a wraz z nimi w energię zamienia się taka sama liczba zwykłych cząstek.

Natomiast w procesie odwrotnym do anihilacji, nazywanym kreacją, czyli w trakcie zamiany energii w materię, regułą jest tworzenie się takiej samej liczby cząstek i antycząstek. Fizycy są więc zgodni, że w Wielkim Wybuchu musiało powstać tyle samo materii co antymaterii.

To jednak niemożliwe. Gdyby antymaterii i materii było tyle samo, to po zetknięciu ze sobą anihilowałyby i nie powinien istnieć żaden wszechświat, bo cała materia znikłaby, zamieniając się w światło.

Jedynym wytłumaczeniem jest koncepcja, że z jakiegoś powodu materia zyskała wtedy przewagę liczebną nad antymaterią. Skutek był taki, że anihilowała taka sama ilość materii i antymaterii, a „nadwyżka” materii pozostała. Umożliwiło to powstanie materialnego świata: gwiazd, planet i życia na planetach. Fizycy potrafią nawet zmierzyć tę nadwyżkę. Jest to tzw. stosunek barionów do fotonów, czyli materii do energii we wszechświecie. Jest bardzo mały i wynosi kilka dziesięciomiliardowych. Czyli tylko kilka na każde dziesięć miliardów protonów nie mogło znaleźć partnera do anihilacji i pozostało. Z tych resztek powstaliśmy my.

Naukowcy starają się zrozumieć, jak doszło do złamania symetrii i skąd wzięła się ta nadwyżka materii. W tym zadaniu ma pomóc właśnie eksperyment ALPHA, przeprowadzany w CERN.

W jego trakcie fizycy wytwarzają atomy antywodoru, składające się z antyprotonów i pozytonów (antymaterialnych odpowiedników elektronów). Znaleźli też sposób na to, aby przetrzymywać antymaterię w pułapkach magnetycznych, przez stosunkowo długi czas, chroniąc je przed kontaktem ze zwykłą materią i anihilacją. W czerwcu ubiegłego roku przedstawiciele grupy ALPHA poinformowali, że są w stanie utrzymać antywodór w pułapce przez około 1000 sekund.

W środę ukazał się ich artykuł w „Nature”, zawierający wyniki badań wskazujących, że znaleźli sposób, aby uzyskać pomiar widma antywodoru.

Zwykły wodór bada się naświetlając atomy, przez co wzbudzają się one, czyli elektrony obiegające proton przeskakują na wyższe orbity. Później atom „stygnie”, emitując nieco światła. Częstotliwość rozchodzenia się tego światła tworzy charakterystyczne widmo, które można zmierzyć. Zgodnie z podstawowymi założeniami fizyki, antywodór powinien emitować światło o identycznym widmie. I to właśnie chcą sprawdzić członkowie zespołu ALPHA.

„Wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we wszechświecie i wyjątkowo dobrze znamy jego budowę. Teraz możemy ostatecznie zacząć odkrywać prawdę o antywodorze. Czy się różnią? Z pewnością możemy powiedzieć, że czas pokaże” – powiedział rzecznik eksperymentu ALPHA Jeffrey Hangst.

W opublikowanej w środę pracy, uczeni napisali, że udało im się dokonać pierwszych pomiarów widma antywodoru. Atomy antymaterii uwięzione były w złożonej pułapce, wytwarzającej pole magnetyczne odpowiednio dopasowane do biegunów magnetycznych andywodoru. Po naświetleniu mikrofalami o precyzyjnie dobranej częstotliwości, bieguny magnetyczne atomów zmieniają się, co uwalnia antymaterię z pułapki. Kiedy to się dzieje, antywodór napotyka zwykłą materię i anihiluje, pozostawiając charakterystyczny ślad w detektorach, otaczających pułapkę. Umożliwia to rejestrację emisji tej dodatkowej energii, którą dostarczono atomom przez naświetlanie.

Jednocześnie te pomiary pokazują, że przez naświetlanie można zmienić wewnętrzne właściwości antywodoru, podobnie jak robi się to ze zwykłym wodorem. W najbliższej przyszłości zespół ALPHA będzie pracował nad udoskonaleniem pomiarów z użyciem mikrofal i rozpocznie równoległe pomiary z użyciem światła laserowego.

PAP – Nauka w Polsce

Powiązane wpisy


Drogi czytelniku, nasza strona internetowa korzysta z plików cookies
Więcej informacji na ten temat znajdziesz tutaj.

Prawa autorskie © 2010-2014 NEWSFix Magazine.
Wszelkie prawa zastrzeżone.

Powrót do góry