Atomii Antimatter succes stocate pentru prima dată

Source: http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2010/11/17/antimatter-atoms/

Contactaţi ştiinţific: Joel Fajans, 510-984-3601

Impresia unui artist a unui atom antihydrogen - un antiproton negativ perceput de către un orbitat in jurul pozitiv taxă anti-electron, sau pozitronul - prins de câmpuri magnetice. (Grafic de Katie Bertsche) (Click pe imagine pentru cea mai bună rezoluţie.)

Atomi de antimaterie au fost captate şi stocate pentru prima dată de colaborare ALPHA, o echipă internaţională de oameni de ştiinţă care lucrează la CERN, Organizaţia Europeană pentru Cercetări Nucleare de lângă Geneva, Elveţia. Oamenii de stiinta de la Departamentul de Energie al SUA Lawrence Berkeley National Laboratory si la Universitatea din California de la Berkeley au adus contribuţii-cheie la eforturile internaţionale în curs de desfăşurare.

ALPHA stocate atomi de antihydrogen, constând dintr-un singur antiprotonilor incarcate negativ orbitat in jurul de către o singură incarcat pozitiv anti-electroni (pozitroni). În timp ce numărul de prins anti-atomi este mult prea mic pentru a alimenta Starship Enterprise s-materie-antimaterie reactor, acest avans aduce mai aproape ziua in care oamenii de ştiinţă vor putea să facă teste de precizie de simetrii fundamentale ale naturii. Măsurătorile de atomi de anti-ar putea dezvălui modul în care fizica de antimaterie diferă de cea a materiei obişnuite, care domină lumea pe care o cunoaştem astăzi.

Mari cantităţi de atomi de antihydrogen au fost mai întâi făcute la CERN opt ani în urmă cu două alte echipe. Deşi au făcut antimaterie n-au putut păstra, pentru că atomii de anti-a atins pereţii obisnuite materie de experimente în termen de milionimi de secundă, după formare şi au fost anihilaţi instantaneu-complet distruse de conversie la energie şi alte particule.

"Acoperirea antihydrogen sa dovedit a fi mult mai dificil decât crearea antihydrogen,", spune ALPHA membru al echipei Joel Fajans, un om de stiinta in accelerator Berkeley Lab si Fusion Divizia de cercetare (AFRD) si un profesor de fizica la UC Berkeley. "ALPHA face de obicei mii de atomi de antihydrogen într-o singură secundă, dar majoritatea sunt prea" fierbinte ""-prea-energetice ", care va avea loc în capcana. Trebuie să fi norocos la una de captură. "

Colaborarea ALPHA reusit cu ajutorul unui flacon special concepute magnetic numit-o capcana de cel puţin câmp magnetic. Principala componentă este un octupole (opt-magnetic-poli) magnet ale căror domenii menţine anti-atomi de departe de zidurile de capcană şi astfel îi împiedică să anihila. Fajans şi colegii săi în AFRD şi la UC a propus, proiectat, testat şi magnet octupole, care a fost fabricat la Brookhaven. ALPHA membru al echipei Jonathan Wurtele de AFRD, de asemenea, un profesor de fizica la UC Berkeley, a condus o echipa de membri ai personalului Berkeley Lab si oameni de stiinta care au folosit vizită în simulari pe computer, pentru a verifica avantajele capcana octupole.

Într-o problema viitoare a Naturii acum on-line, echipa ALPHA rapoartele rezultatele studiilor experimentale de 335, fiecare cu o durată de o secundă, în care atomii de anti-au fost create şi stocate. Procesele s-au repetat la intervale mai scurte niciodată mult de 15 minute.Pentru a forma antihydrogen in cadrul acestor sesiuni, antiprotoni s-au amestecat cu pozitroni interiorul capcana. De îndată ce magnet capcana a fost "stins", orice prins anti-atomi au fost eliberaţi, şi anihilarea lor ulterioară a fost înregistrat de către detectoarele de siliciu. În acest fel, cercetatorii au înregistrat 38 atomi de antihydrogen, care a avut loc în capcana pentru aproape doua zecimi de secunda.

Poziţiile din cele 38 reale anti-atom annihilations (cercuri şi triunghiuri) se potrivesc prezis antihydrogen de distribuţie (puncte gri în panoul superior), dar nu de distribuţie simulat de antiprotoni goale (puncte colorate în panoul inferior).Antiprotoni plătesc goale ar fi condus la grupe diferite de către diverse domenii electrice (părtinire roşu dreapta, stânga prejudecată albastru, verde nu prejudecată), dar anti-atomii sunt neutri atât de distribuirea lor nu este afectată.(Stele violet este un pozitroni energetic.) (Click pe imagine pentru cea mai bună rezoluţie.)

"Dovada că am prins antihydrogen se bazează pe care se stabileşte că semnalul nostru nu se datorează unui fond", spune Fajans.In timp ce mai multe mult de 38 de atomi antihydrogen sunt susceptibile de a fi fost capturate în timpul studiilor 335, cercetatorii au fost atenţi să confirme că fiecare eveniment candidat a fost, de fapt, o anihilare anti-atom şi nu a fost trecerea unei raze cosmice sau, mai dificil de exclude, anihilarea unui antiprotonilor goale.

Pentru a discrimina între evenimente reale şi de fond, echipa ALPHA utilizat simulări pe computer, pe baza calculelor teoretice pentru a arăta modul în care evenimentele de fond vor fi distribuite în detector faţă de modul în care annihilations reale antihydrogen ar apărea.Fajans şi Francis Robicheaux din Auburn University a contribuit simulări de modul în oglindă-prinse antiprotoni (cele limitat de bobine magnet în jurul valorii de capetele a magnetului octupole) ar putea imita anti-atom annihilations, şi modul în care efectiv antihydrogen-ar comporta in capcana.

Învăţarea din antimaterie

Înainte de 1928, atunci când anti-electroni au fost prezise teoretic pe motive de Paul Dirac, existenţa de antimaterie a fost nebănuite. În 1932 anti-electroni (pozitroni), au fost gasite in moloz cu raze cosmice de Carl Anderson. Antiprotoni prima au fost create deliberat în 1955, la Bevatron Berkeley Lab, acceleratorul cea mai mare energie a particulelor de zi sale.

La prima fizicienii au văzut nici un motiv de antimaterie si materie nu ar trebui să se comporte simetric, care este, respectaţi legile fizicii în acelaşi mod. Dar dacă e aşa, cantitati egale de fiecare ar fi fost făcute în big-bang-caz în care ar fi trebuit să anihilat reciproc, lăsând nimic în urmă. Şi dacă cumva că soarta au fost evitate, cantitati egale de materie si antimaterie ar trebui să rămână astăzi, care nu este în mod clar caz.

În anii 1960, fizicienii au descoperit particulele subatomice care descompune intr-o singura cale posibilă în cazul în care simetrie cunoscut sub numele de conjugare de încărcare şi, paritate (CP) au fost încălcate în acest proces. Ca urmare, cercetătorii au realizat, antimaterie trebuie să se comporte uşor diferit faţă de materia obişnuită. Totuşi, chiar dacă unele încalcă antiparticule CP, antiparticule se deplasează înapoi în timp ar trebui să se supună aceloraşi legi ale fizicii particulelor obişnuite ca nu avansează în timp. CPT simetrie (T este pentru moment) nu ar trebui să fie încălcate.

O modalitate de a testa această ipoteză ar fi pentru a compara nivelurile de energie a electronilor ordinare care orbiteaza un proton obişnuit la nivelele de energie ale pozitroni orbiteaza in jurul un antiproton, care este, comparati spectrele de hidrogen ordinare şi atomi antihydrogen. Testarea CPT simetrie cu atomi antihydrogen este un obiectiv major al experimentului ALPHA.

Cum sa faci si stoca antihydrogen

Pentru a face antihydrogen, acceleratoarele care protonii de alimentare a Large Hadron Collider (LHC) de la CERN abate unele dintre acestea pentru a crea antiprotoni de trântind-le intr-o tinta din metal; antiprotoni care au ca rezultat sunt deţinute în ring CERN decelerator Antimatter, care oferă legături de antiprotoni la ALPHA şi un alt experiment antimaterie.

Wurtele spune, "Este greu pentru a prinde p-baruri"-simbol pentru antiproton este un p litere mici, cu un bar peste el-", deoarece trebuie să se răcească-le pe toate in jos, de la o sută de milioane de electron-volţi până la cincizeci de milionimi dintr-un electron volt. "

În experimentul ALPHA antiprotoni sunt trecute printr-o serie de bariere fizice, câmpuri magnetice şi electrice, precum şi norii de electroni rece, să se răcească în continuare le. În cele din urmă antiprotoni redus de energie sunt introduse în regiune acoperire ALPHA lui.

Între timp, consum redus de energie pozitroni, provenite de la dezintegrări într-o sursă de sodiu radioactive, sunt aduse în capcana de la capătul opus. Fiind particulele încărcate, atât pozitronii şi antiprotoni pot fi păstrate în secţiuni separate ale capcana printr-o combinaţie de câmpuri electrice şi magnetice-un nor de pozitroni într-un "up bine" în centrul şi antiprotoni într-un "bine stabilite" faţă de capete ale capcana.

Pentru a vă alătura pozitroni în bine lor central, antiprotoni trebuie să fie atent nudged de un câmp electric oscilant, care creste viteza lor într-un mod controlat printr-un fenomen numit autoresonance.

"Este ca şi cum împinge un copil pe un leagăn teren de joaca", spune Fajans, care au credite fostul său student absolvent Erik Gilson şi Lazăr Friedland, profesor la Universitatea Ebraică şi vizitatorilor de la Berkeley, cu dezvoltarea timpurie a tehnicii. "Cât de mare leagăn merge nu are la fel de mult de a face cu cat de tare te împinge sau cât de grele copil este sau cât de mult sunt lanţuri, ci cu calendarul de impinge tale."

Antiprotoni şi pozitronii sunt aduse în capcana ALPHA de la capetele opuse şi ţinut acolo de câmpuri electrice şi magnetice. A adus împreună, ele formează anti-atomi neutri responsabil, dar cu un moment magnetic.Dacă energia lor este suficient de scăzut pentru acestea pot fi deţinute de către octupole şi domeniile în oglindă a capcana de cel puţin câmp magnetic. (Click pe imagine pentru cea mai bună rezoluţie.)

Tehnica autoresonance roman sa dovedit a fi esenţiale pentru adăugarea de energie antiprotoni precis, în scopul de a forma relativ redus de energie anti-atomi. Nou format anti-atomii sunt neutri în sarcina, dar din cauza lor de spin şi de distribuţie a taxelor opuse ale componentelor lor, acestea au un moment magnetic; cu condiţia lor de energie este suficient de scăzut, ele pot fi capturate în interiorul câmpului magnetic şi octupole domenii oglindă a capcana de cel puţin câmp magnetic.

De mii de atomi de antihydrogen efectuate în fiecare sesiune de o secundă de amestecare cele mai multe, sunt prea energic pentru a va avea loc şi anihilarea ei înşişi împotriva pereţi capcana.

Setarea ALPHA 38 gratuit

După ce se amestecă şi vânătoarea la capcană-plus "de compensare" de antiprotoni multe goale, care nu s-au format antihydrogen-magnet superconductor care produce câmpul limitându-se brusc oprit-într-o simplă nouă miimi de secunda. Acest lucru face ca magnet pentru a "stinge", o întoarcere rapidă la conductivitate normale care duce la încălzirea rapidă şi stres.

"Potoleşte milisecunde sunt aproape nemaiauzit", spune Fajans. "În mod deliberat dezactivarea un magnet superconductor se face, de obicei, de mii de ori mai lent, şi nu cu o stinge. Am făcut o mulţime de experimente de la Berkeley Lab pentru a fi siguri magnet ALPHA ar putea supravietui mai multe potoleşte rapid. "

De la începutul călire a permis cercetatorilor 30 de miimi de secunda pentru orice antihydrogen blocaţi pentru a scăpa de capcana, precum şi orice antiprotoni goale care ar putea fi încă în capcană. Razele cosmice ar putea umbla, de asemenea, prin experiment în acest interval. Prin folosirea câmpuri electrice pentru a matura capcana de particule încărcate sau mini-le la un capăt al detectoare sau altul, şi prin compararea datelor reale cu simulari pe computer, de candidat annihilations antihydrogen şi uite-deopotrivă evenimente, cercetatorii au reusit sa identifice fără echivoc 38 atomi de antihydrogen care au supravieţuit în capcana timp de cel puţin 172 de milisecunde-aproape doua zecimi de secunda.

Fajans spune, "Raportul nostru în Nature descrie primele succese ALPHA lui la vânătoare cu capcane atomi antihydrogen, dar suntem îmbunătăţirea constantă a numărului şi durata de timp, putem ţine pe ele. Ne apropiem de punctul în care putem face unele clase de experimente privind atomi de antimaterie. Primele încercări va fi crud, dar nimeni nu a făcut vreodată ceva ca ei înainte. "

"Trapped Antihydrogen," de Gorm Andresen, Mohammad Ashkezari Dehghani, Marcelo Baquero-Ruiz, Will Bertsche, Bowe Paul, Eoin Butler, Claudio Cesar Lenz, Steve Chapman, Michael Charlton, Deller Adam, Stefan Eriksson, Fajans Joel, Friesen Tim, Makoto Fujiwara, Dave Gill, Andrea Gutierrez, Jeffrey Hangst, Walter Hardy, Mike Hayden, Andrew Humphries, Richard Hydomako, Matthew Jenkins, Svante Jonsell, Lars Jørgensen, Leonid Kurchaninov, Niels Madsen, Scott Menary, Paul Nolan, Konstantin Olchanski, art Olin, Alex Povilus, Petteri Pusa, Francis Robicheaux, Eli Sarid, Sarah Seif El Nasr, Daniel de Miranda Silveira, Chukman Deci, James Storey, Robert Thompson, Dirk Peter van der Werf, Jonathan Wurtele, şi Yasunori Yamazaki, este disponibil în avans publicaţie on-line de Natura. ALPHA este sustinuta in parte de catre Fundatia Nationala pentru Stiinta si Departamentul american al Energiei Oficiului de Ştiinţe.

Berkeley Lab este un Departamentului de Energie al SUA la Laboratorul Naţional gestionat de la Universitatea din California de Oficiul pentru DOE de ştiinţă. Vizitei noastre site-ul web.