iPon Cikkek

Először mérték meg az antihidrogén spektrumát

Dátum | 2016. 12. 31.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

A fizikusokat több mint egy évszázada, az első kapcsolódó elméleti felvetések felmerülése óta foglalkoztatja az antianyag természete. Főként az, hogy mégis hogyan kellene elképzelni egy olyan anyagot, amelynek részecskéi tömegre megegyeznek az általunk érzékelhető, „normál” anyag részecskéivel, de ellentétes töltésűek. A negatív elektron antirészecske párja például a pozitív töltésű pozitron, a pozitív proton antirészecskéje pedig a negatív antiproton. Az antianyag elviekben pontosan úgy működik, mint a normál anyag, vagyis szubatomi részecskéi képesek nagyobb egységekbe összeállni. Egy antiprotonból és egy pozitronból például antihidrogén lesz, amely az általunk is ismert hidrogén antianyag megfelelője. Mostanáig senki sem tudta azonban igazolni, hogy az antihidrogén ténylegesen úgy viselkedik, mint a hidrogén. A hidrogén reakcióiról és jellemzőiről rengeteget tudunk, de az antihidrogént sokkal nehezebb tanulmányozni, nem utolsósorban azért, mert eleve előállítani sem könnyű.
Az antianyag ugyanis rendelkezik egy, a kutatók számára nagyon bosszantó tulajdonsággal: ha részecskéi normál ellenpárjukkal találkoznak, mindkettő megsemmisül, miközben nagy mennyiségű, tiszta energia szabadul fel. Ezzel szorosan összefüggő probléma, hogy az antianyag mesterséges előállításához sok energiára van szükség. A részecskeütköztetőkben éppen ezért gyakran látni pozitronokat. Ez utóbbiak egyébként egyes radioaktív elemek bomlásakor természetes úton is keletkeznek kis mennyiségben, amiket aztán az orvosi képalkotásban is alkalmaznak, a pozitron emissziós tomográfia, a PET használata során. A nagy energiák azonban nagy sebességeket is jelentenek, vagyis ahhoz, hogy az antirészecskéket érdemben lehessen tanulmányozni, nagyon óvatosan le kell lassítani (hűteni) ezeket. Ha ez sikerül, újabb problémákba ütközik az ember, mert miben tartsa az antirészecskéket? Ha egy normál tárolóba helyezi, az antianyag egy élénk villanás kíséretében elreagál a konténer falának anyagával. Ennek megelőzése érdekében a szakértők mágneseket használnak. A töltött részecskékre hatnak a mágneses mezők, és ha sikerül megfelelően szerkezetű mezőt összerakni, egy mágneses tároló hozható létre, amelyben csapdába esnek az antirészecskék. Erre már évek óta jól bevált módszerek léteznek. A trükk innentől csak annyi, hogy jó sok antirészecskét kell csapdába ejteni. Ha pedig antihidrogént szeretnénk, antiprotonokat és pozitronokat is be kell fogni, majd miután ezek összekapcsolódtak, gondoskodni kell arról is, hogy az atomok megmaradjanak a csapdában. Ami azért gond, mert az antihidrogén már semleges, így rá nem hat a korábban használt mágneses csapda. Az antihidrogén ugyanakkor csak távolról tűnik semlegesnek, közelről továbbra is egy negatív és egy pozitív részecskéből áll, amelyek egy kellően kifinomult mágneses mezővel mégiscsak csapdába ejthetők. Innentől kezdve viszont szabad a pálya, és bátran tanulmányozható az antianyag. Ezzel el is jutottunk tulajdonképpeni témánkhoz, ugyanis a CERN kutatóinak nemrégiben elsőként sikerült megmérniük egy antihidrogén optikai spektrumát. Eredményeikből pedig az derült ki, hogy az antiatom valóban ugyanazon fizikai törvényeknek engedelmeskedik, mint a normál hidrogén. A normál anyag hidrogénjében az egyetlen elektron specifikus módon, adott sugarú körpályán (1s pálya) kering a központi proton körül. Ha energiát közlünk az atommal, az elektron magasabb szintű, nagyobb sugarú pályára (2s pálya) ugrik, tehát másként, de szintén specifikus és jól ismert módon kezd viselkedni. Ahhoz, hogy az elektron átkerüljön egyik pályáról a másikra, meghatározott nagyságú energia kell. Ezt nevezik a témával foglalkozó szakértők egy energiaegységnek, vagyis kvantumnak, és az elméletek szerint az elektromágneses sugárzás mindig ekkora egységekre lebontható csomagokban érkezik.
Az elektron gerjesztése többek közt például fény útján történhet meg, és a megvilágító fény hullámhosszából egyben az is kideríthető, hogy mennyi energia kellett ahhoz, hogy a részecske magasabb pályára ugorjon. Egy állítható hullámhosszú lézerrel tehát jól vizsgálható, hogy az elektron, vagy jelen esetben a pozitron vajon úgy működik-e, ahogy azt a hidrogénen végzett korábbi kutatások alapján várnánk. A CERN szakértői pontosan ezt tették. A kísérlet során persze akadt még egy aprócska probléma, mégpedig az, hogy hogyan tehető mérhetővé a kifejtett hatás. Vagyis honnan lehet tudni, hogy az antihidrogén pozitronja pontosan úgy és akkor reagált a lézernyalábra, ahogy egy elektron tenné. A kutatók végül azt találták ki, hogy addig gerjesztették a pozitront, amíg az végül elhagyta az antiprotont. Amikor ez megtörtént, és a két részecske eltávolodott egymástól, rövidesen beleütköztek a konténer falának anyagába, és fényvillanások közepette megsemmisültek. A fényvillanások elemzéséből pedig utólag kideríthető volt, hogy azokat valóban egy antiproton és egy pozitron okozta.
A kísérlet művészi ábrázolása
Mivel pedig az említett fényvillanásokra pontosan olyan lézerbeállítások mellett került sor, mint amelyekre egy hidrogénatom szétbontásához is szükség van, a kísérlet megerősítette, hogy az antihidrogén szétszedéséhez pontosan ugyanennyi energiára van szükség. Az antihidrogén tehát valóban ugyanúgy működik, ahogy a hidrogén. Attól ugyanakkor még nagyon messze vagyunk, hogy mindent tudjunk az antianyagról. Jelen kísérlet eredményei közel sem olyan pontosak, mint egy hidrogénatom hasonló elemzése esetén lennének. Ami persze értékükből és érdekességükből nem von le semmit, sőt: az új adatok egy nagy lépéssel közelebb visznek a rejtélyes antianyag viselkedésének megfejtéséhez. Még mindig nagyon kevés konkrét tényt tudunk az antianyagról, hangsúlyozza Jeffrey Hangst, a kísérletet elvégző ALPHA-együttműködés szóvivője is. Az utóbbi évszázad során nagyon összetett modelleket építettünk fel arra vonatkozóan, hogyan kellene viselkedniük ezeknek a részecskéknek, a kísérleti eredmények azonban a legtöbb esetben hiányoznak. Ami azonban a rendelkezésre áll, azok alapján úgy tűnik, hogy a teóriák helyesek. A rengeteg felmerülő és egyelőre megválaszolatlan kérdés egyik legizgalmasabbika, hogy az antianyag vajon hogyan viselkedik a gravitációs térben. Ha lenne egy antianyagból készült teniszlabdánk, és azt leejtenénk, felfelé vagy lefelé hullana? A fizikusok többsége azon az állásponton van, hogy ugyanúgy lefelé esne, mint a normál anyagú labda, de akadnak ezzel ellentétes vélemények is. Most azonban, hogy már lehetséges közelről tanulmányozni az antihidrogén atomjait, rövidesen ez a probléma is megoldódhat.
Az antianyag manipulálásával kapcsolatban felmerülő lehetőségek óriásiak. A tudományos-fantasztikus művek szerzői évtizedek óta fantáziálnak arról, mihez lehetne kezdeni az antianyag és az anyag ütköztetése révén nyert energiákkal, ha sikerülne a rejtélyes matériát uralmunk alá hajtani. Arról nem is beszélve, hogy az antianyag révén olyan alapvető erőket és energiákat kezdenek megismerni a szakértők, amelyek a normál anyag mellett szintén az univerzum építőkövei, de sokáig szinte semmit nem tudtunk róluk. (Ennek kapcsán elég, ha belegondolunk abba, hogy az, hogy ezen sorok megjelenhetnek egy számítógép vagy más elektronikus eszköz kijelzőjén, csak azért lehetséges, mert a tudósok rájöttek, hogyan viselkednek az elektronok és az atomok, és hogyan lehetséges ebből hasznot hajtani.) A másik izgalmas kérdés szintén az univerzum szerkezetéhez kapcsolódik. A fizikusok többsége úgy véli, hogy az ősrobbanásban azonos mennyiségű részecske és antirészecske keletkezett. A megfigyelhető világegyetem azonban napjainkban döntően normál anyagból és csak nagyon kevés antianyagból áll. Az aszimmetriára két magyarázat kínálkozik: vagy mégsem keletkezett egyforma mennyiség az anyag két formájából, vagy menet közben történt valami az antianyaggal. Hogy a két feltevés közül melyik lehet az igaz, azt egyelőre nem tudni, de talán lassacskán ezen kérdés megválaszolásához is közelebb kerülünk.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

2. tibaimp
2016.12.31. 19:13
Komoly, de még nagyon messze vannak a Star Trek féle antianyag hajtóművektől.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. dbelam
2017.01.01. 10:54
Titkon reméltem, hogy az antianyag spektrumát végül negatív frekvenciatartományban határozták meg :(
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!