Antimatter Atoms Successfully Stored for the First Time

Kontakt naukowy: Joel Fajans, 510-984-3601

Atomy antymaterii zostały po raz pierwszy uwięzione i przechowane przez ALPHA, międzynarodowy zespół naukowców pracujących w CERN, Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych niedaleko Genewy, w Szwajcarii. Naukowcy z Laboratorium Narodowego Lawrence’a Berkeleya Departamentu Energii USA oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wnieśli kluczowy wkład w trwające międzynarodowe prace.

ALPHA przechowała atomy anty-wodoru, składające się z pojedynczego ujemnie naładowanego antyprotonu, wokół którego krąży pojedynczy dodatnio naładowany antyelektron (pozyton). Chociaż liczba uwięzionych antyatomów jest o wiele za mała, aby zasilić reaktor materii-antymaterii na statku kosmicznym Enterprise, ten postęp przybliża dzień, w którym naukowcy będą w stanie przeprowadzić precyzyjne testy fundamentalnych symetrii natury. Pomiary antyatomów mogą ujawnić, w jaki sposób fizyka antymaterii różni się od fizyki zwykłej materii, która dominuje w świecie, który znamy dzisiaj.

Duże ilości atomów anty-wodoru zostały po raz pierwszy wytworzone w CERN osiem lat temu przez dwa inne zespoły. Chociaż wytworzyły one antymaterię, nie mogły jej przechowywać, ponieważ antyatomy dotknęły ścian eksperymentów ze zwykłej materii w ciągu milionowych części sekundy po uformowaniu się i zostały natychmiast anihilowane – całkowicie zniszczone przez zamianę na energię i inne cząstki.

„Uwięzienie anty-wodoru okazało się o wiele trudniejsze niż jego stworzenie”, mówi członek zespołu ALPHA Joel Fajans, naukowiec z AFRD (Accelerator and Fusion Research Division) w Berkeley Lab i profesor fizyki na UC Berkeley. ALPHA rutynowo wytwarza tysiące atomów anty-wodoru w ciągu jednej sekundy, ale większość z nich jest zbyt „gorąca” – zbyt energetyczna – „aby utrzymać je w pułapce. Musimy mieć szczęście, aby złapać jeden.”

Współpraca ALPHA odniosła sukces dzięki użyciu specjalnie zaprojektowanej butelki magnetycznej zwanej pułapką minimalnego pola magnetycznego. Jej głównym elementem jest ośmiopolowy magnes, którego pola utrzymują antyatomy z dala od ścianek pułapki, co zapobiega ich anihilacji. Fajans i jego współpracownicy z AFRD i UC zaproponowali, zaprojektowali i przetestowali magnes oktupolowy, który został wyprodukowany w Brookhaven. Jonathan Wurtele z AFRD, członek zespołu ALPHA, będący również profesorem fizyki na UC Berkeley, kierował zespołem pracowników Berkeley Lab i wizytujących naukowców, którzy wykorzystali symulacje komputerowe do zweryfikowania zalet pułapki oktupolowej.

W nadchodzącym numerze Nature, dostępnym już online, zespół ALPHA przedstawia wyniki 335 prób eksperymentalnych, z których każda trwała jedną sekundę, podczas których antyatomy były tworzone i przechowywane. Próby były powtarzane w odstępach czasu nigdy nie krótszych niż 15 minut. Aby utworzyć anty-wodór podczas tych sesji, antyprotony były mieszane z pozytonami wewnątrz pułapki. Gdy tylko magnes pułapki był „wygaszany”, wszystkie uwięzione antyatomy były uwalniane, a ich następująca po tym anihilacja była rejestrowana przez krzemowe detektory. W ten sposób badacze zarejestrowali 38 atomów anty-wodoru, które były trzymane w pułapce przez prawie dwie dziesiąte sekundy.

„Dowód, że uwięziliśmy anty-wodór opiera się na ustaleniu, że nasz sygnał nie jest spowodowany tłem,” mówi Fajans. Podczas 335 prób prawdopodobnie udało się wychwycić znacznie więcej niż 38 atomów anty-wodoru, jednak badacze starali się potwierdzić, że każde zdarzenie było rzeczywiście anihilacją anty-atomów i nie było przejściem promienia kosmicznego lub, co trudniejsze do wykluczenia, anihilacją gołego antyprotonu.

Aby odróżnić prawdziwe zdarzenia od tła, zespół ALPHA użył symulacji komputerowych opartych na obliczeniach teoretycznych, aby pokazać, jak zdarzenia tła byłyby rozmieszczone w detektorze, a jak wyglądałyby prawdziwe anihilacje anty-wodoru. Fajans i Francis Robicheaux z Auburn University przeprowadzili symulacje tego, jak antyprotony w pułapce lustrzanej (ograniczone przez cewki magnesu wokół końców magnesu oktupolowego) mogłyby naśladować anihilacje antyatomów oraz jak zachowywałby się rzeczywisty anty-wodór w pułapce.

Uczenie się od antymaterii

Przed 1928 rokiem, kiedy antyelektrony zostały przewidziane na gruncie teoretycznym przez Paula Diraca, istnienie antymaterii nie było podejrzewane. W 1932 roku antyelektrony (pozytony) zostały znalezione w szczątkach promieni kosmicznych przez Carla Andersona. Pierwsze antyprotony zostały celowo stworzone w 1955 r. w Bevatronie w Berkeley Lab, akceleratorze cząstek o najwyższej energii w tamtych czasach.

Na początku fizycy nie widzieli powodu, dla którego antymateria i materia nie miałyby zachowywać się symetrycznie, czyli przestrzegać praw fizyki w ten sam sposób. Ale jeśli tak, to w wielkim wybuchu musiałyby powstać równe ilości każdej z nich – w takim przypadku powinny się wzajemnie unicestwić, nie pozostawiając po sobie nic. A gdyby w jakiś sposób udało się uniknąć tego losu, do dziś powinny pozostać równe ilości materii i antymaterii, co oczywiście nie ma miejsca.

W latach 60. fizycy odkryli cząstki subatomowe, które rozpadały się w sposób możliwy tylko wtedy, gdy symetria znana jako koniugacja ładunków i parzystość (CP) została naruszona w procesie. W rezultacie naukowcy zdali sobie sprawę, że antymateria musi zachowywać się nieco inaczej niż zwykła materia. Jednak nawet jeśli niektóre antycząstki naruszają CP, to antycząstki poruszające się do tyłu w czasie powinny przestrzegać tych samych praw fizyki, co zwykłe cząstki poruszające się do przodu w czasie. Symetria CPT (T oznacza czas) nie powinna być naruszona.

Jednym ze sposobów sprawdzenia tego założenia byłoby porównanie poziomów energetycznych zwykłych elektronów krążących wokół zwykłego protonu z poziomami energetycznymi pozytonów krążących wokół antyprotonu, czyli porównanie widm zwykłych atomów wodoru i atomów anty-wodoru. Testowanie symetrii CPT z atomami anty-wodoru jest głównym celem eksperymentu ALPHA.

Jak wytworzyć i przechowywać anty-wodór

Akceleratory, które dostarczają protony do Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w CERN-ie, kierują część z nich do wytworzenia antyprotonów, uderzając nimi w metalową tarczę; powstałe w ten sposób antyprotony są przechowywane w pierścieniu deceleratora antymaterii CERN-u, który dostarcza wiązki antyprotonów do ALPHY i innego eksperymentu z antymaterią.

Wurtele mówi: „Trudno jest złapać antyprotony p” – symbolem antyprotonu jest mała litera p z kreską nad nią – „ponieważ trzeba je schłodzić od stu milionów elektronowoltów do pięćdziesięciu milionowych części elektronowolta.”

W eksperymencie ALPHA antyprotony przechodzą przez serię barier fizycznych, pola magnetyczne i elektryczne oraz chmury zimnych elektronów, aby je jeszcze bardziej schłodzić. W końcu niskoenergetyczne antyprotony są wprowadzane do obszaru pułapkowania ALPHA.

W tym samym czasie niskoenergetyczne pozytony, pochodzące z rozpadów w radioaktywnym źródle sodu, są wprowadzane do pułapki z przeciwległego końca. Jako cząstki naładowane, zarówno pozytony jak i antyprotony mogą być utrzymywane w oddzielnych sekcjach pułapki przez kombinację pól elektrycznych i magnetycznych – chmura pozytonów w „studni w górze” w centrum, a antyprotony w „studni w dole” na końcach pułapki.

Aby połączyć się z pozytonami w ich centralnej studni, antyprotony muszą być ostrożnie szturchane przez oscylujące pole elektryczne, które zwiększa ich prędkość w kontrolowany sposób poprzez zjawisko zwane autorezonansem.

„To jak pchanie dziecka na huśtawce na placu zabaw” – mówi Fajans, który przypisuje sobie zasługi swojego byłego absolwenta Erika Gilsona i Lazara Friedlanda, profesora na Uniwersytecie Hebrajskim i gościa w Berkeley, za wczesne opracowanie tej techniki. „To, jak wysoko huśtawka się wznosi, nie ma tyle wspólnego z tym, jak mocno się ją pcha, jak ciężkie jest dziecko czy jak długie są łańcuchy, ale z czasem, w jakim się ją popycha.”

Nowa technika autorezonansu okazała się niezbędna do precyzyjnego dodawania energii antyprotonom, w celu utworzenia antyatomów o stosunkowo niskiej energii. Nowo powstałe antyatomy mają neutralny ładunek, ale z powodu ich spinu i rozkładu przeciwnych ładunków ich składników, mają moment magnetyczny; jeśli ich energia jest wystarczająco niska, mogą być przechwycone w oktupolowym polu magnetycznym i polach lustrzanych Pułapki Minimalnego Pola Magnetycznego.

Z tysięcy atomów anty-wodoru wytworzonych podczas każdej jednosekundowej sesji mieszania, większość jest zbyt energetyczna, by je zatrzymać i anihilują o ściany pułapki.

Uwolnienie ALPHA 38

Po wymieszaniu i uwięzieniu – plus „wyczyszczeniu” wielu gołych antyprotonów, które nie utworzyły anty-wodoru – nadprzewodzący magnes wytwarzający pole jest gwałtownie wyłączany – w ciągu zaledwie dziewięciu tysięcznych sekundy. Powoduje to „wygaszenie” magnesu, szybki powrót do normalnego przewodnictwa, co skutkuje szybkim nagrzewaniem i naprężeniami.

„Milisekundowe wygaszenia są prawie niespotykane” – mówi Fajans. „Celowe wyłączenie magnesu nadprzewodzącego jest zwykle wykonywane tysiące razy wolniej, a nie przy pomocy hartowania. W Berkeley Lab przeprowadziliśmy wiele eksperymentów, aby upewnić się, że magnes ALPHA będzie w stanie przetrwać wielokrotne szybkie wygaszanie.”

Od momentu rozpoczęcia wygaszania naukowcy pozostawili 30 tysięcznych sekundy na wydostanie się z pułapki uwięzionego anty-wodoru, a także gołych antyprotonów, które wciąż mogą się w niej znajdować. W tym czasie przez eksperyment mogą również wędrować promienie kosmiczne. Używając pól elektrycznych do omiatania pułapki z naładowanych cząstek lub kierowania ich na jeden lub drugi koniec detektorów, a także porównując rzeczywiste dane z komputerowymi symulacjami potencjalnych anihilacji anty-wodoru i podobnych zdarzeń, naukowcy byli w stanie jednoznacznie zidentyfikować 38 atomów anty-wodoru, które przetrwały w pułapce przez co najmniej 172 milisekundy – prawie dwie dziesiąte sekundy.

Mówi Fajans, „Nasz raport w Nature opisuje pierwsze sukcesy ALPHY w łapaniu atomów anty-wodoru, ale ciągle poprawiamy liczbę i długość czasu, na jaki możemy je zatrzymać. Zbliżamy się do punktu, w którym będziemy mogli przeprowadzić kilka rodzajów eksperymentów na atomach antymaterii. Pierwsze próby będą prymitywne, ale nikt nigdy wcześniej nie zrobił czegoś podobnego.”

„Uwięziony antyhydrogen”, Gorm Andresen, Mohammad Dehghani Ashkezari, Marcelo Baquero-Ruiz, Will Bertsche, Paul Bowe, Eoin Butler, Claudio Lenz Cesar, Steve Chapman, Michael Charlton, Adam Deller, Stefan Eriksson, Joel Fajans, Tim Friesen, Makoto Fujiwara, Dave Gill, Andrea Gutierrez, Jeffrey Hangst, Walter Hardy, Mike Hayden, Andrew Humphries, Richard Hydomako, Matthew Jenkins, Svante Jonsell, Lars Jørgensen, Leonid Kurchaninov, Niels Madsen, Scott Menary, Paul Nolan, Konstantin Olchanski, Art Olin, Alex Povilus, Petteri Pusa, Francis Robicheaux, Eli Sarid, Sarah Seif el Nasr, Daniel de Miranda Silveira, Chukman So, James Storey, Robert Thompson, Dirk Peter van der Werf, Jonathan Wurtele, and Yasunori Yamazaki, jest dostępny w publikacji online w Nature. ALPHA jest wspierana częściowo przez National Science Foundation oraz Biuro Nauki Departamentu Energii USA.

Berkeley Lab jest krajowym laboratorium Departamentu Energii USA zarządzanym przez Uniwersytet Kalifornijski dla Biura Nauki DOE. Odwiedź naszą stronę internetową.