Οι πρώτες ματιές μέσα στα αντι-άτομα

Από το Alphagalileo και το PhysicsWeb, 30 Οκτωβρίου 2002

Το πείραμα ATRAP στον επιβραδυντή αντι-πρωτονίων στο CERN έχει ανιχνεύσει μεγάλο αριθμό από ψυχρά άτομα αντι-υδρογόνου. Οι μετρήσεις στο ATRAP στηρίζονται στον ιονισμό που παθαίνουν τα άτομα όταν βρεθούν μέσα σε ένα χωρικά μεταβαλλόμενο ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο και μας επιτρέπουν να ρίξουμε τις πρώτες ματιές στο εσωτερικό των αντι-ατόμων. Μας δίνουν επίσης τις πρώτες πληροφορίες για τη φυσική των αντιατόμων. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων έχουν γίνει δεκτά προς δημοσίευση στο περιοδικό  Physical Review Letters. 

Στο πείραμα Atrap, η ομάδα του Cern έφτιαξε μια παγίδα για τα αντιπρωτόνια

Η τεχνική του ATRAP στηρίζεται στην παγίδευση ποζιτρονίων μεταξύ δύο δεσμών αντιπρωτονίων με μια δομή από διαδοχικές παγίδες. Τα ποζιτρόνια χρησιμεύουν για να ψύξουν τα αντιπρωτόνια, και όταν τα ποζιτρόνια και τα αντιπρωτόνια φτάσουν σε παρόμοιες θερμοκρασίες, μερικά εξ' αυτών συνδέονται για να σχηματίσουν άτομα αντι-υδρογόνου (ποζιτρόνια τα οποία περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα του αντιπρωτονίου). Το μέλος της ομάδας ATRAP Walter Oelert από το κέντρο Forschungszentrum Jülich της Γερμανίας εξηγεί: "Το 1996 παράγαμε μόνο μερικά άτομα αντι-υδρογόνου, τα οποία είχαν ταχύτητα σχεδόν όση και το φως, η οποία αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 100.000 φορές αυτής που επικρατεί στο εσωτερικό του Ήλιου. Μπορείτε να φανταστείτε ότι ένα τέτοιο υλικό είναι πολύ θερμό για να το χειριστούμε. Τώρα διαθέτουμε αντιυδρογόνο σε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες και με θερμοκρασία μόλις μερικούς βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν." 

Επειδή είναι ηλεκτρικά ουδέτερα τα αντιάτομα ξεφεύγουν από την παγίδα. Εκείνα εξ αυτών που κινούνται κατά μήκος του άξονα της συσκευής, σύντομα βρίσκονται σε μια περιοχή με ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο τα απογυμνώνει από τα ποζιτρόνια. Με τον ιονισμό αυτόν που επιτυγχάνεται με τη βοήθεια του ηλεκτρικού πεδίου, τα αρνητικά φορτισμένα αντιπρωτόνια μπορούν να παγιδευτούν και να μετρηθούν. Ο τρόπος αυτός καταμέτρησης είναι τελείως ελεύθερος από ψευδείς μετρήσεις, αφού τα μόνα σήματα προέρχονται από τα αντιυδρογόνα που έχουν ξεφύγει από την παγίδα. 

Η ομάδα του ATRAP έχει μετρήσει το πεδίο που χρειάζεται για να ιονιστούν τα άτομα αντι-υδρογόνου. Το αποτέλεσμα δείχνει ότι τα αντιάτομα σχηματίζονται σε υψηλά διεγερμένες καταστάσεις. Αυτό ερμηνεύεται με το μοντέλο επανασύνδεσης όπου συμμετέχουν τρία σώματα. Το τρίτο σώμα απομακρύνει την ενέργεια και την ορμή που ελευθερώνεται κατά τον σχηματισμό του αντιυδρογόνου. Η μέθοδος ATRAP επέτρεψε μια πρώτη μέτρηση των φυσικών μεγεθών του αντιυδρογόνου, και είναι ένα σημαντικό βήμα προς τις ακριβείς εκείνες μετρήσεις όπου θα μετρηθούν τα φάσματα αποδιέγερσης των αντι-υδρογόνων από τη στάθμη με n=2 στη στάθμη με n=1,και τότε θα μπορέσουν να γίνουν συγκρίσεις μεταξύ ύλης και αντι-ύλης.  Ο Jerry Gabrielse, από το Harvard και μέλος επίσης της ομάδας ATRAP λέει: "Ο μακροπρόθεσμος στόχος μας είναι να ερευνήσουμε με ακρίβεια αυτό το αντιάτομο, και συγκρίνοντας το απλούστερο άτομο αντι-ύλης με το απλούστερο άτομο ύλης, να ελέγξουμε την ισχύ βασικών θεωριών της φυσικής". Πιο συγκεκριμένα ο στόχος είναι να ελεγχθεί η συμμετρία CPT (φορτίου-ομοτιμίας-χρόνου). Οποιαδήποτε παραβίαση της συμμετρίας CPT θα απαιτούσε μια καινούρια φυσική, πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο. 

Τα νέα αυτά έρχονται λίγο μετά το πείραμα ATHENA, που έγινε επίσης στον επιβραδυντή αντιπρωτονίων, και στο οποίο παρατηρήθηκαν τα ψυχρά αντι-υδρογόνα. Στο ATRAP χρησιμοποιήθηκαν τελείως διαφορετικές τεχνικές ανίχνευσης σε σχέση με το ATHENA. Και τα δύο πειράματα χρησιμοποιούν όμοιες τεχνικές για την παγίδευση των συστατικών του αντι-υδρογόνου, οι οποίες έχουν αναπτυχθεί εδώ και πολλά χρόνια από την ομάδα του Gabrielse. Το γεγονός ότι χρησιμοποιούν διαφορετικές μεθόδους ανίχνευσης, ενισχύει τις μελλοντικές δυνατότητες του CERN για τη μελέτη του αντι-υδρογόνου. 

Σε μια δεύτερη εργασία που θα δημοσιευτεί προσεχώς στο ίδιο περιοδικό Physical Review Letters, η ομάδα του ATRAP αναφέρει μια ακόμα πιο αποτελεσματική μέθοδο παραγωγής αντι-υδρογόνων. Στη μέθοδο αυτή τα αντιπρωτόνια οδηγούνται σε επανειλημμένες συγκρούσεις με ψυχρά ποζιτρόνια. Ο ρυθμός παραγωγής είναι αρκετά υψηλός ώστε μπόρεσε για πρώτη φορά να μετρηθεί μια κατανομή των σχηματιζόμενων κβαντικών καταστάσεων των αντι-υδρογόνων.