Αντιυδρογόνο

Το αντιυδρογόνο είναι το αντιυλικό ανάλογο του υδρογόνου. Ενώ το άτομο του κοινού υδρογόνου αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, το αντιάτομο του αντιυδρογόνου αποτελείται από ένα αντιπρωτόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Το αντιυδρογόνο άρχισε να παράγεται τεχνητά το 1995, σε πειράματα με επιταχυντές σωματιδίων, αλλά τα άτομα αντιυδρογόνου που παράχθηκαν είχαν τόσο υψηλές ταχύτητες, ώστε συγκρούστηκαν με ύλη και εξαϋλώθηκαν πριν εξεταστούν για λεπτομέρειες. Το τυποποιημένο σύμβολο για το αντιυδρογόνο είναι .

Παραγωγή

Το 1995, παράχθηκε για πρώτη φορά αντιυδρογόνο από μια ομάδα ερευνητών υπό την ηγεσία του Γουόλτερ Ουέλερτ στο CERN της Γενεύης. Το πείραμα έγινε στον δακτύλιο χαμηλής ενέργειας αντιπρωτονίων (Low Energy Anti-Proton Ring (LEAR)), όπου αντιπρωτόνια, που παράχθηκαν με έναν επιταχυντή σωματιδίων, εκτοξεύθηκαν σε συσσωματώματα ξένου. Όταν ένα αντιπρωτόνιο φθάνει κοντά σε έναν πυρήνα ξένου, ένα ζεύγος ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου μπορεί να παραχθεί, και υπάρχει κάποια πιθανότητα το παραγόμενο ποζιτρόνιο να αιχμαλωτιστεί από το αντιπρωτόνιο και να σχηματιστεί έτσι ένα αντιάτομο αντιυδρογόνου. Η πιθανότητα να παραχθεί ένα αντιάτομο αντιυδρογόνου από ένα αντιπρωτόνιο ήταν μόλις 10⁻¹⁹, οπότε αυτή η μέθοδος δεν είναι κατάλληλη για την παραγωγή σημαντικών ποσοτήτων αντιυδρογόνου, όπως έδειξαν οι σχετικοί υπολογισμοί.
Το 1997 τα πειράματα του CERN αναπαράχθηκαν στο Φέρμιλαμπ (Fermilab) των ΗΠΑ, όπου ενα κάπως διαφορετικό κεντρικό συμπέρασμα για τη διαδικασία εντοπίστηκε: Και τα δυο πειράματα κατέληξαν σε υψηλής ενέργειας («θερμά») αντιάτομα αντιυδρογόνου, που ήταν ακατάλληλα για λεπτομερή μελέτη. Επομένως στο CERN κατασκευάστηκε ο επιβραδυντής αντιπρωτονίων με σκοπό να υποστηρίξει τις προσπάθειες παραγωγής χαμηλής ενέργειας («ψυχρά») αντιάτομα αντιυδρογόνου, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για δοκιμές των θεμελιωδών συμμετριών.
Σε πειράματα που εκτελέστηκαν από τις ομάδες ATRAP και ATHENA στο CERN, ποζιτρόνια από μια πηγή ραδιενεργού νατρίου και αντιπρωτόνια οδηγήθηκαν μαζί σε περίφραξη παγίδων, όπου η σύνθεση αντιατόμων αντιυδρογόνου έφτασε σε έναν τυπικό ρυθμό των 100 αντιατόμων αντιυδρογόνου ανά δευτερόλεπτο. Το αντιυδρογόνο παράχθηκε για πρώτη φορά από την ομάδα ATHENA και ακολούθως από την ομάδα ATRAP το 2002. Μέχρι το 2004, εκατομμύρια αντιάτομα αντιυδρογόνου παράχθηκαν με αυτή τη μέθοδο.
Τα χαμηλής ενέργειας («ψυχρά») αντιάτομα αντιυδρογόνου που συντέθηκαν ως τότε είχαν μία σχετικά υψηλή θερμοκρασία (λίγες χιλιάδες Κέλβιν) και έτσι χτυπούσαν στα τοιχώματα της πειραματικής συσκευής και συνεπώς εξαϋλώνονταν. Σε ένα νέο πείραμα, η ομάδα ALPHA, που είναι η διάδοχη ομάδα της ομάδας ATHENA και της ομάδας ATRAP, προσπαθούσε να φτιάξει αντιυδρογόνο με αρκετά χαμηλή κινητική ενέργεια, ώστε επιβεβαιωθούν μαγνητικά.
Οι περισσότερες δοκιμές ακριβείας για τις ιδιότητες του αντιυδρογόνου μπορούν να γίνουν μόνο αν το αντιυδρογόνο παγιδευτεί, δηλαδή κρατηθεί σε ένα χώρο για ένα σχετικά μακρύ χρονικό διάστημα. Ενώ τα αντιάτομα αντιυδρογόνου (όπως και τα άτομα υδρογόνου) είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, η περιστροφή (spin) τους παράγει μαγνητικές ροπές. Αυτές οι μαγνητικές ροπές αλληλεπιδρούν με ένα ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο. Κάποια από τα αντιάτομα αντιυδρογόνου έλκονται σε ένα «μαγνητικό ελάχιστο». Ένα τέτοιο «μαγνητικό ελάχιστο» δημιουργείται με το συνδυασμό ενός κατόπτρου από πολυπολικά πεδία. Το αντιυδρογόνο μπορεί να παγιδευθεί από ένα τέτοιο «μαγνητικό ελάχιστο» (ελάχιστο Β) - παγίδα. Το Νοέμβριο του 2010, η ομάδα ALPHA ανακοίνωσε ότι παγίδεψε 38 αντιάτομα αντιυδρογόνου για χρονικό διάστημα περίπου ίσο με το 1/6 του δευτερολέπτου, από την ομάδα της συσκευής φυσικής λέιζερ αντιυδρογόνου (Antihydrogen Laser Physics Apparatus, ALPHA) του CERN. Αυτή ήταν η πρώτη φορά που παγιδεύθηκε ηλεκτρικά ουδέτερη αντιύλη. Τον Ιούνιο του 2011, η ομάδα ALPHA ανακοίνωσε ότι αυτήν τη φορά παγίδεψε 309 αντιάτομα αντιυδρογόνου, μερικές φορές ως και για 1.000 δευτερόλεπτα. Μέχρι και 3 αντιάτομα αντιυδρογόνου παγιδεύθηκαν ταυτόχρονα.
Ένας σημαντικός στόχος στην έρευνα του αντιυδρογόνου δημοσιεύθηκε στις 7 Μαρτίου 2012, σύμφωνα με την οποία οι ερευνητές της ομάδας ALPHA εξερεύνησαν την εσωτερική δομή του αντιυδρογόνου προσαρμόζοντας τη συσκευή να χρησιμοποιήσει συντονισμένη ακτινοβολία μικροκυμάτων και να παγιδέψει μαγνητικά τα (παραγώμενα) αντιάτομα.
Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι η μελέτη του αντιυδρογόνου μπορεί να βοηθήσει να χυθεί φως στο πρόβλημα ασυμμετρίας των βαρυονίων ή γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη από ότι αντιύλη στο σύμπαν.
Ο μεγαλύτερος περιοριστικός παράγοντας στην παραγωγή αντιύλης είναι η διαθεσιμότητα των αντιπρωτονίων. Πρόσφατα δεδομένα που διατέθηκαν από το CERN, δείχνουν ότι όταν βρίσκονται σε πλήρη λειτουργία οι εγκαταστάσεις τους είναι ικανές να παράγουν 10.000.000 αντιπρωτόνια το λεπτό. Ακόμη και αν υποθέσουμε 100% μετατροπή τους σε αντιάτομα αντιυδρογόνου, θα χρειαστούν 100 δισεκατομμύρια χρόνια για την παραγωγή 1 γραμμαρίου, δηλαδή 1 mole, που αντιστοιχεί σε περίπου 6,023·10²³ (αριθμός Αβογκάντρο) αντιάτομα αντιυδρογόνου.
Μεγαλύτερα αντιάτομα αντιύλης, όπως του αντιδευτέριου (), του αντιτρίτιου () ή και του αντιήλιου () είναι πολύ πιο δύσκολο να παραχθούν από αυτά του αντιυδρογόνου. Πυρήνες αντιδευτέριου, αντιήλιου-3 () και αντιήλιου-4 () έχουν ήδη παραχθεί. Αυτά έχουν τόσο μεγάλες ταχύτητες, που η σύνθεση των αντίστοιχων αντιατόμων από αυτά θέτει αρκετές τεχνικές δυσκολίες.

Χαρακτηριστικά

Σύμφωνα με το θεώρημα CPT της σωματιδιακής φυσικής, τα αντιάτομα αντιυδρογόνου θα πρέπει να έχουν πολλά χαρακτηριστικά από αυτά που έχουν τα άτομα του κανονικού υδρογόνου. Για παράδειγμα θα πρέπει να έχουν την ίδια μάζα, την ίδια μαγνητική ροπή, τις ίδιες συχνότητες λήψης και εκπομπής (δείτε ατομική φασματοσκοπία, για λεπτομέρειες), μεταξύ τις διάφορες ατομικές κβαντικές καταστάσεις. Για παράδειγμα, τα διεγερμένα αντιάτομα αντιυδρογόνου αναμένεται να εκπέμπουν τα ίδια χρώματα που εκπέμπουν τα διεγερμένα άτομα του κανονικού υδρογόνου. Ακόμη, τα αντιάτομα αντιυδρογόνου πρέπει να έλκονται βαρυτικά από άλλα σωμάτια ύλης ή αντιύλης με μια δύναμη του ίδιου μέτρου με αυτή που έλκονται τα κοινά άτομα υδρογόνου. Αυτό δεν θα είναι σωστό στην περίπτωση που η αντιύλη είχε αρνητική βαρυτική μάζα, γεγονός που θεωρείται πολύ απίθανο, αν και αυτό δεν έχει ακόμη εμπειρικά διαψευσθεί.
Όταν ένα αντιάτομο αντιυδρογόνου έρχεται σε επαφή με την κοινή ύλη, εξαϋλώνεται γρήγορα. Το ποζιτρόνιο, που είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο εξαϋλώνεται με ένα ηλεκτρόνιο, με την υλοενέργεια και των δυο να απελευθερώνεται με τη μορφή ακτινοβολίας γ. Το αντιπρωτόνιο, από την άλλη, αποτελείται από αντικουάρκ που όταν συνδυάζονται με κουάρκ από νετρόνια ή πρωτόνια. Η εξαΰλωση των αντικουάρκ με κουάρκ καταλήγει σε υψηλής ενέργειας πιόνια. Αυτά τα πιόνια, με τη σειρά τους, μετατρέπονται γρήγορα με διάσπαση σε μιόνια, νετρίνα, ποζιτρόνια και ηλεκτρόνια. Αν τα αντιάτομα αντιυδρογόνου μπορούσαν να διαχυθούν σε τέλειο κενό, ωστόσο, θα μπορούσαν να επιβιώσουν επ' άπειρο.
Ως ένα αντιστοιχείο, αναμένεται να έχει ακριβώςε τις ίδιες ιδιότητες όπως το υδρογόνο, από κάθε άποψη. Για παράδειγμα, το αντιυδρογόνο αέριο, κάτω από κανονικές συνθήκες θα πρέπει να ενώνεται με το αντιοξυγόνο, για να σχηματίζει αντινερό ().