Odkrycia

Otrzymanie antymaterii

Pierwszymi

obserwowanymi

antycz

ą

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

w

akceleratorze.

Bardzo

rzadko

podczas

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

Jeszcze rzadziej ich prędkości i kierunki były na tyle podobne, żeby 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 można trzymać w żadnym zwyczajnym naczyniu ponieważ materia i antymateria
nie mogą istnieć razem, a gdy się spotkają, następuje anihilacja. Naładowane antycząstki można
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 ponieważ 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 poniżej 0,5K. Ten cel starają się osiągnąć w CERN dwa zespoły
badawcze ATRAP i ATHENA.
Duże ilości antywodoru otrzymał we wrześniu
2002 zespół ATHENA, a kilka tygodni później
również

ATRAP.

Niestety

temperatura

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

od

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
również ich energie, tym mniejsza jest
szansa, że anihilacja nastąpi. Dlatego można
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 (żółty 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 również schładzane po to, aby maksymalnie zmniejszyć ich prędkość. Następnie
antyprotony i pozytony miesza się razem w zagnieżdżonych jedna w drugiej pułapkach
magnetycznych. Ich ruchy są już na tyle powolne, że gdy się spotkają, może dojść do
przechwycenia pozytonu przez antyproton i utworzenia antywodoru. Powstały atom nie ma już
ładunku elektrycznego, więc nie więzi go już 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 także
cząstki zwane pionami, które są całą pozostałością po anihilowanym antywodorze.
Jednorazowo w pułapce może się znajdować 10 tysięcy antyprotonów i 70 milionów pozytonów.
Autorzy eksperymentu zanotowali 131 sygnałów anihilacji. Wiadomo jednak, że aparatura
wyłapuje tylko nieliczne więc podczas eksperymentu musiało powstać dużo więcej antyatomów
wodoru.

Zespół

ATRAP

dążąc

do

wytworzenia

niskotemperaturowych

atomów

opracował

metodę

kontrolowanej

laserowo

produkcji

antywodoru.

Nie

stosuje

się

w

niej

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

przez

wiązkę

laserową

o

odpowiednio dobranych parametrach, która
wybija

elektrony.

Zamknięte

w

pułapce

pozytony wyłapują wybite elektrony i wiążą się
z nimi uciekając z pułapki we wszystkich
kierunkach. Część układów elektron-pozyton
wpada do pułapki antyprotonowej, gdzie
antyprotony wyłapują pozytony i wiążą 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, że 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 już, że 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
można będzie sprawdzić aż do czternastego miejsca po przecinku.
Potem fizycy postarają się zbadać, czy antywodór ma taki sam ciężar w polu grawitacyjnym Ziemi
jak wodór. Model Standardowy zakłada, że 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 żadnej różnicy między nimi.

Odkrycia

krzemowe

(różowe).

Proton

anihiluje

na

dwa

fotony

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

Page 2 of 2

Otrzymanie antywodoru, antymateria, antywodór

2008-03-29

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