Antihidrogen

Penghasilan

Pada November 2010, untuk kali pertama antihidrogen sejuk telah dihasilkan dan dikurung secara magnetik selama satu perenam saat oleh kumpulan Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) di CERN, dan pada 2011 antihidrogen telah berjaya dikekalkan selama 15 minit. Matlamat penting dalam pengkajian antihidrogen telah diterbitkan pada 7 Mac 2012, di mana para pengkaji kumpulan ALPHA meneroka struktur dalaman H dengan mengubah radas untuk menggunakan radiasi gelombang mikro resonans ke atas antiatom yang dikurung secara magnetik. Para saintis berharap agar kajian terhadap antihidrogen dapat membantu menyelesaikan masalah asimetri Baryon atau mengapa ada lebih banyak jirim daripada antijirim di dalam alam semesta.

Ciri-ciri

Menurut teorem CPT dalam fizik zarah, atom antihidrogen sepatutnya mempunyai ciri-ciri yang sama yang dimiliki oleh atom hidrogen biasa; yakni kedua-duanya perlu ada berat, momen magnet dan kekerapan peralihan antara dua fasa kuantumnya yang sama. Contohnya, antihidrogen yang terangsang dijangkakan akan bersinar dengan warna yang sama dengan hidrogen. Atom antihidrogen sepatutnya tertarik secara graviti ke arah jirim dan antijirim dengan jumlah magnitud tenaga yang sama dengan yang dialami hidrogen biasa. Ini mungkin tidak benar sekiranya antihidrogen memiliki jisim graviti negatif yang dianggap tidak berkemungkinan, tetapi belum disangkal secara empirikal.
Apabila antihidrogen terkena jirim biasa, bahagian-bahagiannya akan musnah habis dengan cepat. Positronnya, iaitu sejenis zarah asas, akan musnah habis dengan elektron, dan tenaga beratnya (mass-energy) dilepaskan dalam bentuk sinar gama. Sebaliknya, antiproton yang terdiri daripada antikuark akan bergabung dengan kuark di dalam proton atau neutron jirim biasa. Proses musnah habis akan menghasilkan pion bertenaga tinggi. Pion-pion ini akan mereput dengan cepat menjadi muon, neutrino, positron dan elektron. Namun, jika antihidrogen digantung di dalam vakum sempurna, ia sepatutnya akan terus selamat.
Sebagai sejenis antiunsur, antihidrogen dijangka akan memiliki ciri-ciri yang tepat sama dengan hidrogen dalam setiap aspek. Misalnya, antihidrogen akan wujud dalam bentuk gas dalam keadaan piawai dan akan bergabung dengan antioksigen untuk membentuk antiair, H₂O.

Penghasilan dengan lebih terperinci

Pada 1995, antihidrogen pertama telah dihasilkan oleh sekumpulan pengkaji yang diketuai oleh Walter Oelert di makmal CERN di Geneva. Eksperimen ini dijalankan di LEAR, di mana antiproton yang dihasilkan dengan pemecut zarah ditembak ke arah kluster xenon. Apabila antiproton datang berhampiran dengan satu nukleus xenon, pasangan elektron-positron boleh dihasilkan, dan dengan beberapa kemungkinan, antiproton akan menangkap positron untuk membentuk antihidrogen. Kemungkinan untuk membentuk antihidrogen daripada satu zarah antiproton adalah kira-kira 10⁻¹⁹, jadi kaedah ini tidak boleh digunakan untuk penghasilan antihidrogen dalam jumlah yang besar, seperti yang dinyatakan pengiraan teliti sebelumnya.
Pada 1997, eksperimen di CERN telah dijalankan semula di Fermilab di Amerika Syarikat di mana keratan rentas proses ini yang sedikit berbeza telah dikenal pasti. Kedua-dua eksperimen telah menghasilkan atom antihidrogen yang bertenaga tinggi, atau "suam", yang tidak sesuai untuk kajian terperinci. Selepas itu, CERN telah membina Penyahpecut Antiproton untuk menyokong usaha penghasilan antihidrogen bertenaga rendah yang boleh digunakan untuk kajian tentang simetri asasi.

Antihidrogen bertenaga rendah

Di dalam eksperimen yang dijalankan oleh kerjasama ATRAP dan ATHENA di CERN, positron daripada natrium radioaktif dan antiproton telah ditemukan di dalam perangkap Penning, di mana sintesis antihidrogen berlaku pada kadar 100 atom antihidrogen per saat. Antihidrogen telah dihasilkan dahulu oleh ATHENA, dan seterusnya oleh ATRAP pada 2002. Menjelang 2004, berjuta-juta antihidrogen dihasilkan dengan cara ini.
Atom antihidrogen bertenaga rendah yang telah disintesis setakat ini mempunyai suhu yang tinggi (kira-kira beberapa ribu kelvin), dan ini menyebabkan ia berlanggar dengan dinding radas dan musnah habis. Eksperimen baru, ALPHA, pengganti pakatan ATHENA dan ATRAP, bertujuan menghasilkan antihidrogen dengan tenaga kinetik yang cukup rendah yang membolehkannya untuk dikurung secara magnetik.
Kebanyakan ujian yang terperinci ke atas antihidrogen hanya boleh dijalankan jika antihidrogen ini terperangkap, yakni dikekalkan di satu tempat untuk jangka masa yang lama. Walaupun antihidrogen adalah neutral secara elektrik, pusingannya membentuk momen magnet. Momen-momen magnet ini akan berinteraksi dengan medan magnet tidak homogen, dan sebahagian darinya akan tertarik kepada minimum magnetik. Minimum ini boleh terhasil dengan gabungan cermin dan medan berbilang kutub. Antihidrogen boleh diperangkap di dalam perangkap minimum magnetik sebegini (minimum-B); pada November 2010, pakatan ALPHA mengumumkan bahawa mereka telah berjaya memerangkap sebanyak 38 atom antihidrogen selama satu perenam saat. Ini adalah kali pertama zarah antijirim neutral dapat diperangkap. Pada Jun 2011, ALPHA mengumumkan bahawa mereka telah berjaya memerangkap sejumlah 309 atom antihidrogen, dan sesetengah daripadanya bertahan selama 1000 saat (17 minit).  Lebih 3 atom antihidrogen telah diperangkap secara serentak.
Faktor penghalang terbesar dalam penghasilan antihidrogen secara besar-besaran ialah ketersediaan antiproton. Data terkini yang dikeluarkan oleh CERN mengatakan bahawa prasarana mereka mampu menghasilkan sebanyak 10⁷ antiproton setiap minit, sekiranya ia berfungsi sepenuhnya. Andainya 100% antiproton berjaya ditukarkan kepada antihidrogen, ia akan mengambil masa selama 100 bilion tahun untuk menghasilkan 1 gram atau 1 mol antihidrogen (6.02 × 10²³ atom antihidrogen).
Atom antijirim yang lebih besar seperti antideuterium (D), antitritium (T) dan antihelium (He) adalah lebih sukar untuk dihasilkan daripada antihidrogen. Setakat ini, nukleus-nukleus antideuterium, antihelium-3 (³He) dan antihelium-4 (⁴He) telah berjaya dihasilkan. Namun, nukleus-nukleus ini mempunyai halaju yang sangat tinggi sehingga menyebabkan proses sintesis atom-atom tersebut mendatangkan beberapa cabaran teknikal.