Nowa pułapka zmieni oblicze badań nad antymaterią
Fizycy z Czech, Chin, USA i Niemiec zbudowali urządzenie, które może zmienić oblicze badań nad antymaterią. Nowa pułapka jonowa stworzona przez naukowców z Uniwersytetu Karola w Pradze, Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i Północno-Wschodniego Uniwersytetu Pedagogicznego w Changchun jest w stanie uwięzić cząstki o znacząco różnych charakterystykach i może – przynajmniej teoretycznie – przechowywać różne cząstki w tym samym czasie. Twórcy pułapki opublikowali na łamach Physical Review A artykuł, w którym stwierdzają, że może ona posłużyć do syntetyzowania antywodoru.
Fizycy od dziesięcioleci próbują rozwiązać jedną z największych tajemnic Wszechświata – jego istnienie w obecnej formie. Skoro przy Wielkim Wybuchu powstało tyle samo materii co antymaterii – a tak wskazują obliczenia – do dlaczego nie doszło do anihilacji, ich całkowitego wzajemnego unicestwienia? Asymetria między materią a antymaterią to jedna z największych zagadek współczesnej fizyki.
Jedną z najbardziej obiecujących dróg na znalezienie tej odpowiedzi są badania antywodoru. Jego odpowiednik, wodór, jest najdokładniej zbadanym atomem, więc antywodór to świetna platforma do precyzyjnych porównań, które mogą rzucić światło na problem asymetrii materii i antymaterii. Problem jednak w tym, że obecnie antywodór wytwarzany jest tylko w jednym miejscu na świecie – w Fabryce Antymaterii w CERN-ie. Ten mimowolny monopol znacząco ogranicza tempo badań i uniemożliwia eksperymentowanie z antywodorem w innych laboratoriach.
Chociaż ostatnio pojawiła się nadzieja na transport antymaterii poza CERN, naukowcy z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga i ich koledzy z Czech, Chin i USA postanowili stworzyć antywodór we własnym laboratorium. Rozpoczęli więc projekt pod tytułem AMOC (AntiMatter-on-a-Chip, Antymateria na chipie).
Kluczowym problemem jest uwięzienie cząstek. W tym celu od dawna używa się pułapek jonowych, takich jak pułapka Paula, w której utrzymuje się cząstki za pomocą pola elektrycznego. Problem jednak w tym, że każda cząstka ma inne wymagania co do właściwości pola, więc w pułapce można przechowywać jeden rodzaj cząstek. Antywodór składa się zaś z antyprotonu i pozytonu. Pozytony mają małą masę i do uwięzienia potrzebują pól o częstotliwości liczonej w gigahercach. Znacznie bardziej masywne antyprotony utrzymuje się w pułapce za pomocą pól o częstotliwościach megahercowych.
Autorzy nowej pułapki stworzyli urządzenie, które jest w stanie więzić cząstki o bardzo różnych wymaganiach. Ponieważ antyprotony i pozytony są trudno dostępne, działanie pułapki zaprezentowali na przykładzie elektronów i ciężkich jonów wapnia 40Ca+. Urządzenie nie wymaga wielkich magnesów ani skomplikowanej infrastruktury. I, co najważniejsze, działa.
Pułapka składa się z trzech płytek drukowanych oddzielonych ceramicznymi przekładkami. Płytka środkowa generuje pole o częstotliwości gigaherców, które jest używane do więżenia elektronów, natomiast płytka górna i dolna generują pola megahercowe, w które chwytane są jony. Dzięki tej technice przechowywaliśmy elektrony lub jony. Uwięzienie obu jednocześnie okazało się wyzwaniem, mówi doktor Hendrik Bekker z Moguncji.
Dziesiątki elektronów lub jonów można było uwięzić na czas do 10 milisekund, a niewielka ich część pozostawała w pułapce przez setki milisekund. Eksperymenty pokazały też, jak wiele jest do poprawienia. Okazało się przede wszystkim, że pole przeznaczone do łapania jonów destabilizuje elektrony, podczas gdy pole dla elektronów praktycznie nie przeszkadza jonom. Problemy sprawia też chropowatość powierzchni elektrod, niedokładności montażowe czy gromadzenie się ładunku w dielektrykach.
Projekt AMOC ma ambitny cel – przeniesienie badań nad antymaterią ze środowiska wielkiego akceleratora do zwykłego laboratorium fizycznego. Pierwszy krok w tym kierunku – wykazanie, że pracująca w dwóch częstotliwościach pułapka Paula działa – został właśnie zrobiony.
Komentarze (0)