אנטי-מימן

היסטורית המחקר

לראשונה זוהה אנטי-מימן, בשנת 1990 בעזרת מאיצי חלקיקים, הוא התגלה לראשונה ברמות אנרגיה גבוהות בהרבה מהאנטי חומר הנחקר היום.  צוות מחקר בשם "ATHENA", אשר עסק במחקר אנטי-חומר, החל לחקור אנטי-מימן "קר" בשנת 2002. בשנת 2010 נלכד אנטי-מימן לראשונה, בעזרת מנגנון לייזר פיזיקלי בשם "Antihydrogen Laser Physics Apparatus) " ALPHA) במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN. הלכידה אפשרה לאבחן את מבנהו של האנטי-מימן וכן לאבחן מאפיינים חשובים נוספים. צוותים שאחראים על מנגנונים כמו AEGIS, GBAR, ממשיכים בחקר אטומי האנטי-מימן מכיוון שעדיין עולות שאלות רבות בנוגע לאנטי-חומר ותכונותיו.

מאפייני האנטי-מימן

על פי תאוריית הסימטריה (CPT (Charge, Parity and Time reversal של פיזיקת החלקיקים, אטומי אנטי-מימן הם בעלי מאפיינים רבים אשר זהים למאפייני אטום המימן, לדוגמה: מסתם זהה, עוצמת השדה המגנטי שהאטום יוצר זהה וכיוונו (מומנט מגנטי) זהה גם כן. מאפיין נוסף הוא  שאטומי האנטי-מימן אשר עברו הליך עירור, מצופים לפלוט קרינה בספקטרום פליטה זהה לזה של אטומי המימן. בנוסף, אטומי אנטי-מימן נמשכים לחומרים או אנטי-חומרים שונים בכוח גרביטציוני בגודל זהה לזה של אטום מימן רגיל. עדיין נבחנת האפשרות שהכוח הגרביטציוני של אנטי-מימן אינו זהה לחלוטין לגודלו של הכוח הגרביטציוני במימן, ובעיקר קיים ספק אם כיוונו של כוח זה זהה או דווקא הפוך מכיוונו של אטום מימן רגיל, אך השערה זו אינה שכיחה בקרב פיזיקאים.
אם כולאים אנטי מימן בוואקום מוחלט, ניתן לצפות מהחלקיקים להיות בעלי סגולות חומר זהות למימן רגיל. לדוגמה, כאשר אנטי-מימן נמצא במצב צבירה גז, ניתן לצפות כי הוא יוכל להתרכב יחד עם אנטי-אטומי חמצן לתצורה של אנטי-מים כתרכובת H₂O.
כאשר הפוזיטרון (אנטי-אלקטרון) מתנגש עם אלקטרון שניהם יחדיו הופכים לאנרגיה בצורת קרינת גמא.
האנטי-פרוטון מורכב מאנטי-קוורקים ואם היה מתנגש עם פרוטון או נייטרון (אשר עשויים מקוורקים) הם היו הופכים לאנרגיה שהייתה יוצרת חלקיקים חדשים, כגון פאיון שהיה דועך במהרה למיואונים, נייטרינו, אלקטרונים ופוזיטרונים.

ייצור

בשנת 1995, האנטי-מימן הראשון יוצר במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים CERN על ידי קבוצה בהנהגת וולטר אולרט. הוא יוצר במסגרת ניסוי בשם Low Energy Antiproton Ring) LEAR), במסגרתו מאיצי החלקיקים יצרו אנטי-פרוטונים ובמקביל יצרו זוגות של אלקטרונים ופוזיטרונים. כך, האנטי-פרוטון יכל ללכוד אליו פוזיטרון וליצור אטום אנטי-מימן.
אנטי-פרוטונים יכולים ללכוד פוזיטרונים  בהסתברות של 10⁻¹⁹, כך ששיטה זו אינה מתאימה לייצור כמות משמעותית של אנטי-מימן. במרכז הלאומי לחקר פיזיקת החלקיקים שבארצות הברית (Fermilab) מדדו חתך הסתברות שונה במקצת, בהתאם לענף הפיזיקה-אלקטרודינמיקה קוונטית. שתי השיטות הביאו לתוצאות בהן אנרגיה גדולה לאנטי-אטומים, או בהן נוצרו אנטי אטומים "חמים", אשר אינם מתאימים למחקר. לאחר מכן, במרכז המחקר CERN, בנו את בנו את מאיץ החלקיקים AD - Anti matter Deaccelerator - אשר בניגוד למאיצים האחרים, מקטין את מהירות החלקיקים הנעים בו ולא מגדיל אותם, וזאת על מנת לתמוך במאמצים לקירור האנטי-מימנים בעלי האנרגיה הנמוכה כדי שיהיה ניתן לחקור אותם.

לכידת אטומי אנטי מימן ומחקרם

בעזרת מאט האנטי-פרוטונים יוצר לראשונה אנטי-מימן "קר" בשנת 2002. בשנת 2004 פותחה שיטה נוספת של צוותי המחקר "ATHENA" ו"ATRAP" בסרן לייצור אנטי-חומר "קר", המבוססת על התנגשויות של חלקיקים חמים עם חלקיקים קרים, שבעקבותיהן מושג שיווי משקל תרמי, וכך מקוררים החלקיקים החמים. בשיטה זו ניתן לייצר 100 אטומי אנטי-חומר בשנייה. אך אלו הושמדו תוך מספר מיקרו שניות, מה שהקשה על מחקר ועל דיוק במחקרים. לכן יצרו לוכד אנטי-חומר, הפועל בשיטה בה מניעים את האנטי-פרוטונים ואת הפוזיטרונים במעגל העטוף בסלילים מוליכי-על היוצרים שדה מגנטי, שבאמצעותו מביאים את החלקיקים לנקודת המרכז ומונעים מהם להתנגש במעטפת המעגל העשויה חומר רגיל. תפקידו הנוסף של השדה המגנטי הוא יצירת זעזועים באנטי-חלקיק הנע בתווך, כאשר זעזועים אלו מזרזים את האטת האנטי חלקיק ומסייעים בלכידתו. לאחר אחסונם מפגישים בין הפוזיטרונים לאנטי-פרוטונים ובכך מביאים ליצירת אנטי-מימן. למרות שמטענו החשמלי נייטרלי והוא אינו מגיב לשדה חשמלי, יש לאנטי-מימן מומנט מגנטי שמגיב לשדות מגנטיים לא אחידים, כך שניתן להשפיע על מיקומם. תוך זמן קצר חלקיקי האנטי-חומר מתנגשים בחלקיקי החומר שבמעטפת, וכתוצאה מכך, משתחררת קרינת גמא.
בנובמבר 2010, צוות "ALPHA" הודיע כי  הצליחו ללכוד לראשונה 38 אטומי של אנטי-מימן ולשמר אותם למשך שישית שנייה. ביוני 2011 פורסם כי הצליחו ללכוד 309 אטומי אנטי-מימן כך שבמשך של כ-1000 שניות היו בכל רגע נתון עד שלושה אנטי-אטומים. בזמן זה חקרו וגילו תכונות של אטום אנטי-מימן כמו מטען, השפעת כוח הכובד (למרות שהנושא עדיין נחקר ולא הגיעו למסקנות חד משמעיות), ומבנה העל-דק של אטומי האנטי-מימן. הצוותים "ALPHA", "GBAR, ו-"AEGIS", במרכז החקר סרן, ממשיכים לחקור את אטומי האנטי-מימן בתקווה לגלות פרטים חשובים נוספים, בעזרת לכידת האטומים לזמן ממושך יותר.