Otrzymanie antymaterii

Odkrycia

Otrzymanie antymaterii

Pierwszymi

obserwowanymi

antycz

stkami

były  pozytony  czyli  dodatnie  elektrony,
wykryte  w  1932  roku  w  promieniowaniu
kosmicznym.  Obecnie  jako  źródło  pozytonów
wykorzystuje

się

sztucznie

wytworzone

substancje  promieniotwórcze,  na  przykład
sód  22,  który  ulega  rozpadowi  beta  plus.
Antyprotony  po  raz  pierwszy  uzyskano  w
1955  roku  w  w  Lawrence  Berkeley  National
Laboratory,

bombardując

atomy

miedzi

protonami  rozpędzonymi  w  akceleratorze
Bevatron.
Pierwsze  najprostsze  antyatomy  czyli  atomy
antywodoru  zostały  wytworzone w  1995  roku
przez  naukowców  z

CERN

pod Genewą.

Fizycy bombardowali atomy gazu ksenonu
(Xe)

antyprotonami

powstałymi

akceleratorze.

Bardzo

rzadko

podczas

przelotu antyprotonu poprzez atom ksenonu
powstają pary cząstek elektron-pozyton.

Jeszcze  rzadziej  ich  prędkości  i  kierunki  były  na  tyle  podobne,  Ŝeby  antyproton  przechwycił
pozytron  na  swoją  orbitę  i  wiązał  się  w  atom  antywodoru.  Naukowcy  stworzyli  w  ten  sposób
dziewięć  antyatomów  poruszających  się  z  prędkością  bliską  prędkości  światła.  Z  tego  powodu
prawie  natychmiast  po  przyjściu  na  świat  atomy  antywodoru  uderzały  w  ścianki  urządzenia  i
znikały  w  zderzeniu  z  atomami  materii.  W  podobnym  eksperymencie  w  Frmilab  w  USA,  który
został przeprowadzony w 1998 roku, wytworzono 57 antyatomów wodoru.
Antycząstek nie moŜna trzymać w Ŝadnym zwyczajnym naczyniu poniewaŜ materia i antymateria
nie mogą istnieć razem, a gdy się spotkają, następuje anihilacja. Naładowane antycząstki moŜna
przetrzymywać  w  specjalnych  urządzeniach  zwanych  pułapkami  Penninga,  w  których  pola
magnetyczne i elektryczne utrzymują ładunki w małej przestrzeni.
Atomy  antywodoru  są  jeszcze  gorsze  do  przechowywania  poniewaŜ  są  obojętne  elektrycznie.
Chcąc  dokładnie  zbadać  antyatomy,  fizycy  muszą  je  przechowywać  w  urządzeniach  zwanych
pułapkami  atomowymi,  co  staje  się  w  przypadku  obojętnych  cząstek  dopiero  po  spowolnieniu  i
ochłodzeniu  ich  do  temperatury  poniŜej  0,5K.  Ten  cel  starają  się  osiągnąć  w  CERN  dwa  zespoły
badawcze ATRAP i ATHENA.
DuŜe ilości antywodoru  otrzymał  we wrześniu
2002  zespół  ATHENA,  a  kilka  tygodni  później
równieŜ

ATRAP.

Niestety

temperatura

atywodoru nadal jest wysoka i wynosi 2400K.
Temperatury  nie  moŜna  chłodzić  ciekłym
helem  ani  Ŝadnym  innym  zimnym  ośrodkiem
zwykłej  materii.  Atomy  antywodoru  trzeba
było

początku

kompletować

zimne,

mieszając zimne składniki - antyprotony i
pozytony.
Gorące,

czyli

szybkie

antyprotony,

produkowane  w  jednym  z  akceleratorów
CERN  fizycy  spowolnili  w  zderzeniach  ze
zwykłymi  elektronami.  Nie  zawsze  bowiem,
kiedy  zderzą  się  rozpędzona  materia  z
antymaterią, następuje anihilacja. Im większe
są  prędkości  cząstek,  a  co  za  tym  idzie
równieŜ  ich  energie,  tym  mniejsza  jest
szansa,  Ŝe  anihilacja  nastąpi.  Dlatego  moŜna
z  początku  chłodzić  antyprotony  cząstkami
zwykłej  materii.  Spowolnione  antyprotony
oddziela  się  od  elektronów  i  gromadzi  w

Schemat anihilacji atomu antywodoru utrwalony przez detektory
programu ATHENA. Antyproton anihiluje zmieniając się w cztery
naładowane piony (Ŝółty ślad), które są wykrywane przez detektory

Page 1 of 2

Otrzymanie antywodoru, antymateria, antywodór

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no1.html

magnetycznej  pułapce,  gdzie  oddzielone  są
od  ścianek  magnetyczną  poduszką.  Pozytony
pochodzą  z  rozpadu  radioaktywnego  izotopu
sodu  22.  Zbiera  się  je  w  osobnej  pułapce,
gdzie  są  równieŜ  schładzane  po  to,  aby  maksymalnie  zmniejszyć  ich  prędkość.  Następnie
antyprotony  i  pozytony  miesza  się  razem  w  zagnieŜdŜonych  jedna  w  drugiej  pułapkach
magnetycznych.  Ich  ruchy  są  juŜ  na  tyle  powolne,  Ŝe  gdy  się  spotkają,  moŜe  dojść  do
przechwycenia  pozytonu  przez  antyproton  i  utworzenia  antywodoru.  Powstały  atom  nie  ma  juŜ
ładunku  elektrycznego,  więc nie  więzi  go  juŜ  pole  magnetyczne.  Ucieka  z  pułapki,  gdzie  trafia  w
jedną  ze  ścian  urządzenia  i  ginie  w  anihilacji.  Aby  dowiedzieć  się  o  powstaniu  antywodoru
specjalny  detektor  mierzy  powstałe  dwa  kwanty  promieniowania  elektromagnetycznego,  a  takŜe
cząstki zwane pionami, które są całą pozostałością po anihilowanym antywodorze.
Jednorazowo  w  pułapce  moŜe  się  znajdować  10  tysięcy  antyprotonów  i  70  milionów  pozytonów.
Autorzy  eksperymentu  zanotowali  131  sygnałów  anihilacji.  Wiadomo  jednak,  Ŝe  aparatura
wyłapuje  tylko  nieliczne  więc  podczas  eksperymentu  musiało  powstać  duŜo  więcej  antyatomów
wodoru.

Zespół

ATRAP

dąŜąc

wytworzenia

niskotemperaturowych

atomów

opracował

metodę

kontrolowanej

laserowo

produkcji

antywodoru.

Nie

stosuje

się

niej

zagnieŜdŜonych  pułapek  magnetycznych,  a
pozytony  i  antyprotony  są  utrzymywane  w
sąsiadujących  ze  sobą  pułapkach.  Atomy  cezu
przelatują

przez

wiązkę

laserową

odpowiednio dobranych parametrach, która
wybija

elektrony.

Zamknięte

pułapce

pozytony wyłapują wybite elektrony i wiąŜą się
z  nimi  uciekając  z  pułapki  we  wszystkich
kierunkach.  Część  układów  elektron-pozyton
wpada  do  pułapki  antyprotonowej,  gdzie
antyprotony  wyłapują  pozytony  i  wiąŜą  się  z
nimi  w  atomy  antywodoru,  które  uciekają  z

pułapki  we  wszystkich  kierunkach.  Udało  się  na  razie  tą  metodą  zaobserwować  13  antyatomów,
ale  wydaje  się,  Ŝe  ich  temperatura  jest  stosunkowo  niska.  Dalsze  badania  mają  być
kontynuowane dopiero w połowie 2006 roku.
W drugim etapie eksperymentu fizycy będą chcieli sprawdzić, czy antywodór świeci tak samo jak
wodór  (zostaną  porównane  częstości  promieniowania  przy  przeskoku  elektronu  między  dwoma
najbardziej  podstawowymi  poziomami).  Wodór  jest  jednym  z  najlepiej  przestudiowanych
pierwiastków  w  fizyce.  Na  nim  najlepiej  jest  więc  badać  wszelkie  odstępstwa  od  przewidywań
teorii. Do tej pory zmierzono juŜ, Ŝe proton i antyproton mają taką samą masę z dokładnością do
dziesiątego  miejsca  po  przecinku,  a  elektron  i  pozyton  -  taki  sam  moment  magnetyczny  z
dokładnością do dwunastego miejsca. Tymczasem częstość promieniowania wodoru i antywodoru
moŜna będzie sprawdzić aŜ do czternastego miejsca po przecinku.
Potem fizycy postarają się zbadać, czy antywodór ma taki sam cięŜar w polu grawitacyjnym Ziemi
jak  wodór.  Model  Standardowy  zakłada,  Ŝe  antycząstki  są  niemal  wiernymi  kopiami  cząstek
zwykłej materii. A dokładnie: gdyby odbić nasz świat w zwierciadle, zmienić wszystkim cząstkom
znak  ładunku  elektrycznego  i  jeszcze  zmienić  kierunek  upływu  czasu,  to  powinniśmy  otrzymać
antyświat, czyli świat zbudowany z antycząstek i nie powinno być Ŝadnej róŜnicy między nimi.

Odkrycia

krzemowe

(róŜowe).

Proton

anihiluje

dwa

fotony

promieniowania gamma (czerwone ślady, które są wykrywane
przez kryształ CsI (czerwone sześcianiki). Naładowane piony
równieŜ przekazują energię kryształom CsI (Ŝółte sześcianiki)

Page 2 of 2

Otrzymanie antywodoru, antymateria, antywodór

2008-03-29

http://www.fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no1.html