Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 2 – vyšlo 13. ledna, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

2/2017

Hrátky s antivodíkem na experimentu ALPHA přinesly nové výsledky

Miroslav Havránek

Evropská částicová laboratoř CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. provozuje nejen největší urychlovač na světě – LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015., ale i řadu dalších, neméně důležitých experimentálních zařízení. Jedním z nich je částicový zpomalovač – antiprotonový decelerátorAntiproton Decelerator (AD) – antiprotonový zpomalovač. Jde o prstenec v CERNu s obvodem 188 metrů, ve kterém jsou antiprotony drženy magnetickým polem dipólového a kvadrupólového charakteru. Zpomalení antiprotonů je provedeno silným elektrickým polem., který poskytuje pomalé antiprotonyAntiproton – antičástice k protonu. Je stabilní, nicméně rychle anihiluje s okolní látkou. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1959. pro výzkum antihmoty, který probíhá na experimentech ALPHA, ASACUSA, ATRAP a BASE. Další dva experimenty se připravují (AEgIS a GBAR). Pomalé antiprotony je možné zachytávat do magnetických pastí a interakcí s pozitronyPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932. vyrábět antivodík. Na sklonku roku 2016 oznámil výzkumný tým z experimentu ALPHA nové výsledky přesného měření přechodu mezi dvěma stavy antivodíku. Jedná se o první měření tohoto druhu provedené na antiatomu.

Pohled na experiment ALPHA v CERNu. Zdroj: ALPHA homepage.

CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. Antihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů. CP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. CPT symetrie – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnout stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie).

Záchyt antiatomů v experimentu ALPHA

Experiment ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) byl vybudován v roce 2005 jako nástupce úspěšného experimentu ATHENA. Jeho hlavním cílem je výroba a uchování antivodíku pro jeho následné studie. Experiment prochází neustálým zlepšováním, při němž se zefektivňuje výroba a zachycení atomů antivodíku. K první syntéze a zachycení atomů antivodíku došlo v roce 2010, v roce 2011 se podařilo antivodík uchovat po dobu 1 000 sekund a v roce 2012 experiment měřil přechod mezi hyperjemnými hladinamiJemná struktura – rozštěpení energetických hladin v elektronovém obalu způsobené interakcí orbitálního a spinového momentu elektronů. O řád menší je tzv. hyperjemná struktura, která vzniká dalším rozštěpením energetických hladin vlivem interakce elektronů s magnetickým polem jádra atomu. antivodíku, které odpovídají mikrovlnným frekvencím.

Klíčem k úspěšným experimentům s antihmotou je záchyt antičástic po dostatečně dlouhou dobu. Antiprotony a pozitrony jsou elektricky nabité částice a je možné je uchovat ve vhodně konfigurovaných elektrických a magnetických polích. K tomuto účelu slouží Penningova past, která se skládá z cívek generujících magnetické pole a řady elektrod generujících elektrické pole. Magnetické pole omezuje pohyb částic v radiálním směru a elektrické pole v axiálním směru. Částice se proto pohybují pouze kolem centrální části pasti.

Penningova past využívá elektrických a magnetických polí k uchování nabitých částic.
Zdroj: autor.

Atomy antivodíku jsou elektricky neutrální a „obyčejnou“ Penningovu past k jejich záchytu nelze použít. Past pro záchyt antivodíku využívá nepatrného magnetického dipólového momentu antivodíku. Atom se chová jako elementární magnet a je schopen se orientovat v magnetickém poli podobně jako střelka kompasu. Magnetická past v experimentu ALPHA je modifikovaná Penningova past (přesněji Penningova-Malmbergova past), která umožňuje záchyt antiprotonů a pozitronů, syntézu antivodíku a jeho uchování po makroskopicky dlouhou dobu. Uvnitř pasti je ultravysoké vakuum a stěny jsou chlazeny na teplotu 7 až 8 kelvinů. Tato magnetická past využívá nehomogenního magnetického pole generovaného oktupólovým magnetem. Magnetické pole má nejvyšší indukci 2 tesla v oblasti maxima pole a 1 tesla v lokálním minimu. Atomy, jejichž magnetický moment je orientován proti směru magnetického pole, jsou z tohoto pole vypuzovány do oblasti, kde je pole minimální (anglicky se tomuto jevu říká low-field seeking states), a tam mohou být zachyceny, zatímco atomy s magnetickým momentem orientovaným ve směru pole jsou z experimentu vypuzeny ven. Účinnost záchytu takové pasti je omezena pouze na velmi pomalé atomy (díky nepatrné hodnotě magnetického momentu). Střední kinetická energie atomů odpovídá teplotě 0,5 kelvinu. Proto musí být antiprotony před záchytem zpomaleny a ochlazeny.

Experiment ALPHA se skládá z Penningovy-Malmbergovy magnetické pasti obklopené
křemíkovým dráhovým detektorem. Zdroj: Niels Madsen.

Magnetická past je obklopena třemi souosými vrstvami křemíkového vertex detektoru, který umožňuje detekci produktů anihilace antiprotonů, což jsou většinou nabité piony. Data z vertex detektoru umožňují zpětně zrekonstruovat nejen dráhu těchto pionů, ale i bod (vrchol, anglicky vertex) kde k anihilaci došlo.

Obrázek vlevo ukazuje zrekonstruované dráhy částic pocházejících z anihilace antiprotonu. Na obrázku vpravo je vizualizace velkého množství anihilací, ke kterým dochází zejména na stěnách magnetické pasti. Zdroj: ALPHA homepage.

Spektroskopie antivodíku

Současné experimenty ukazují, že antičástice se řídí (až na vzácné výjimky, které narušují CP symetriiCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů.) stejnými fyzikálními zákony jako obyčejné částice. Pozorování případných odchylek mezi chováním částic a antičástic může napovědět, proč ve vesmíru pozorujeme pouze hmotu a ne antihmotu. Velice důležitým testem rovnosti fyzikálních zákonů mezi hmotou a antihmotou je měření spektra antivodíku a jeho porovnání se spektrem obyčejného vodíku. Případné odchylky by ukazovaly na narušení platnosti jak symetrie CPTCPT symetrie – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnout stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie)., tak následně narušení Lorentzovy symetrieLorentzova symetrie – symetrie vyjadřující shodné výsledky experimentů ve dvou navzájem se rovnoměrně přímočaře pohybujících inerciálních soustavách. Důsledkem této symetrie je existence spinu.. Obě tyto symetrie by měly platit za všech okolností.

Nedávno se podařilo týmu vědců z experimentu ALPHA pozorovat přechod mezi dvěma stavy antivodíku 1S a 2S. Jedná se o přechod mezi stavy s různou energií (různým hlavním kvantovým číslem n) avšak stejným celkovým momentem hybnosti. Experiment probíhal tak, že atomy antivodíku, zachycené v magnetické pasti, byly ozařovány laserem o vlnové délce 243 nm. Uvnitř magnetické pasti byla umístěna dvě zrcadla, takže se laserový paprsek mnohonásobně odrážel ve Fabry-Perotově rezonátoru a mohl tak efektivněji interagovat s atomy antivodíku. Samotný přechod mezi těmito stavy není možné uskutečnit absorpcí jediného fotonu z důvodu zachování celkového momentu hybnosti (absorpce fotonu změní moment hybnosti atomu o 1), ale pomocí dvoufotonové absorpce. Proces dvoufotonové absorpce je proces vyššího řádu, kdy atom absorbuje současně dva fotony, kde každý z nich nese část energie potřebné k přechodu mezi dvěma stavy.

Pro přechod atomu antivodíku mezi stavy 1S a 2S je nutná absorpce
dvou fotonů současně. Zdroj: autor.

Experiment probíhal v několika fázích. Nejprve bylo v magnetické pasti syntetizováno průměrně 14 ultrachladných atomů antivodíku, přes které po dobu 300 sekund procházel laserový svazek. Za tuto dobu část atomů v důsledku dvoufotonové absorpce přešla ze stavu 1S do stavu 2S. Část atomů ve stavu 2S absorbovala další fotony z laseru, až došlo k ionizaci atomu (ionizační energie (anti)vodíku je 13,6 eVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.), který pak opustil magnetickou past. Další část atomů 2S deexcitovala jednofotonovou emisí přes stav 2P do původního stavu 1S a nebo do stavu kdy pozitron překlopil svůj spin tak, že atom již nemohl být zachycen v pasti. Výsledně tedy klesá počet atomů zachycených v pasti. Po uplynutí 300 sekund bylo vypnuto magnetické pole a zbylé zachycené atomy antivodíku anihilovaly na stěnách magnetické pasti a produkty anihilace byly detekovány křemíkovým detektorem. Toto měření proběhlo celkem jedenáctkrát a bylo při něm detekováno 67±8,2 atomů antivodíku. Celá série jedenácti měření byla opakována s nepatrně nižší frekvencí laseru (o 200 kHz při nominální frekvenci 1,2×10¹⁵ Hz), avšak již mimo rezonanci. V tomto případě byl počet detekovaných atomů 159±13. Série jedenácti měření byla provedena i bez zapnutého laseru a počet detekovaných atomů byl 142±12.

Výsledky těchto měření ukazují, že rozdíl energie mezi stavy 1S a 2S u antivodíku je stejný jako u obyčejného vodíku s přesností 2×10⁻¹⁰. Do budoucna se plánuje přesnější proměření oblasti kolem rezonance přechodu mezi 1S a 2S, která má šířku pouze několik Hz při 2,5×10¹⁵ Hz. Hlavními omezeními pro přesnější měření jsou přeladitelnost laseru a jeho stabilita.

Závěr

Nové výsledky z experimentu ALPHA potvrzují platnost CPT symetrie s vysokou přesností. Měření však budou probíhat dále nejen na experimentu ALPHA, ale také na ostatních experimentech na antiprotonovém decelerátoru. V současné době probíhá pravidelná zimní odstávka, ale na jaře, až se urychlovače v CERNu „probudí ze zimního spánku“, se bude možné těšit na další nové výsledky.

Animace ukazuje syntézu antivodíku, excitaci do stavu 2S a anihilaci antiatomů
na stěnách vakuové nádoby experimentu ALPHA. Zdroj: CERN. (mp4, 16 MB)

Odkazy