Λονδίνο, Ηνωμένο Βασίλειο
Πώς μπορεί κανείς να μελετήσει κάτι που εξαϋλώνεται ακαριαία όταν τοποθετηθεί σε οποιοδήποτε δοχείο; Κι όμως, τελικά υπάρχει τρόπος: Χρησιμοποιώντας μια έξυπνη μαγνητική παγίδα, ερευνητές του CERN κατάφεραν για πρώτη φορά να συλλάβουν μερικά άτομα αντιυδρογόνου, ενός πολύτιμου υλικού που προσφέρει στοιχεία για τις θεμελιώδεις αρχές του Σύμπαντος.
«Είμαστε εκστασιασμένοι. Το καταφέραμε έπειτα από πέντε χρόνια σκληρής δουλειάς» δήλωσε ο Τζέφρι Χάνγκστ, εκπρόσωπος του πειράματος ALPHA, σχολιάζοντας την εξέλιξη στο περιοδικό Nature όπου δημοσιεύονται τα αποτελέσματα.
Ουδέτερα άτομα αντιύλης είχαν δημιουργηθεί και στο παρελθόν (σε ακόμα μεγαλύτερες ποσότητες), εξαφανίστηκαν όμως αμέσως μετά το σχηματισμό τους.
Αντιστάρ
Η αντιύλη είναι όμοια με την αντιύλη σε όλα τα χαρακτηριστικά της εκτός από ένα: αποτελείται από σωματίδια με αντίθετα φορτία. Τα πρωτόνια που βρίσκονται στον πυρήνα των κανονικών ατόμων είναι φορτισμένα θετικά, ενώ τα αντιπρωτόνια της αντιύλης αρνητικά. Ομοίως, το αντι-ηλεκτρόνιο της αντιύλης, γνωστό και ως ποζιτρόνιο, έχει θετικό φορτίο και όχι αρνητικό όπως το ηλεκτρόνιο.
Θεωρητικά, ολόκληρα πλανητικά συστήματα και ζωντανά όντα θα μπορούσαν να αποτελούνται από αντιύλη. Όμως το παράξενο αυτό υλικό απουσιάζει από τον κόσμο γύρω μας, αφού, αν ερχόταν σε επαφή με την κανονική ύλη, θα εξαφανιζόταν μαζί της σε μια λάμψη υψηλής ενέργειας.
Η αντιύλη φαίνεται όμως να απουσιάζει όχι μόνο από τη γειτονιά μας αλλά και από ολόκληρο το Σύμπαν. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η γέννηση του Σύμπαντος δημιούργησε περισσότερη ύλη παρά αντιύλη.
Η μελέτη του αντιυδρογόνου αναμένεται να αποκαλύψει στο μέλλον γιατί συνέβη αυτό, ή, όπως το ονομάζουν οι φυσικοί, γιατί υπάρχει αυτή η παρατηρούμενη ασυμμετρία ύλης-αντιύλης.
Εφόσον καταφέρουν να παγιδεύσουν λίγο περισσότερα άτομα αντιυδρογόνου, οι ερευνητές θα προσπαθήσουν επίσης να εξακριβώσουν αν οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που δρουν στην αντιύλη είναι ίδιες με αυτές που δέχεται η ύλη όπως την ξέρουμε. Αυτό θα επιβεβαίωνε μια πρόβλεψη του λεγόμενου Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, η οποία, αν και ακούγεται λογική, ουδέποτε έχει επιβεβαιωθεί.
Ένα άλλο σχετικό πείραμα του CERN, με την ονομασία ΑΕgIS, θα εξετάσει αν η ύλη και η αντιύλη αντιδρούν όντως με τον ίδιο τρόπο στη βαρύτητα.
Συλλαμβάνοντας τους ύποπτους
To δύσκολο για τη διεθνή ερευνητική ομάδα του ALPHA δεν ήταν να δημιουργήσει αντιάτομα -περίπου 50.000 άτομα αντιυδρογόνου είχαν παραχθεί σε μια προηγούμενη προσπάθεια το 2002. Σε εκείνη την περίπτωση, όμως, η αντιύλη αντέδρασε με τα γειτονικά άτομα ύλης και εξαφανίστηκε ακαριαία.
Η λύση ήταν να δημιουργηθεί ένα δοχείο που κρατά τα αντιάτομα αιωρούμενα εν κενώ, χωρίς να την αφήνει να έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα.
Αυτό είναι εύκολο να γίνει με τα επιμέρους συστατικά των αντιατόμων, τα ποζιτρόνια και τα αντιπρωτόνια, επειδή τα σωματίδια αυτά είναι φορτισμένα και μπορούν να διατηρηθούν αιωρούμενα με τη χρήση ηλεκτρικών πεδίων.
Το αντιυδρογόνο, όμως, είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και δεν μπορεί να παγιδευτεί έτσι απλά. Επηρεάζεται όμως από τα μαγνητικά πεδία επειδή τα συστατικά της έχουν μια ιδιότητα που ονομάζεται σπιν. Οι ερευνητές δημιούργησαν έναν οκταπολικό μαγνήτη, του οποίου το πεδίο ήταν ισχυρότερο κοντά στα τοιχώματα της παγίδας και εξασθενεί προς το κέντρο του.
Αυτό ανάγκασε τα άτομα αντι-υδρογόνου να συγκεντρωθούν στο κέντρο της παγίδας, όπου και επέζησαν για 170 millisecond πριν τελικά εξαφανιστούν (στην ένθετη αριστερά, αντιάτομα που δεν παγιδεύτηκαν αλληλοεξουδετερώνονται με τα τοιχώματα της παγίδας).
Έπειτα από 335 απόπειρες, οι ερευνητές κατάφεραν να παγιδεύσουν με αυτή τη μέθοδο συνολικά 38 μεμονωμένα άτομα αντιυδρογόνου.
Το επίτευγμα είναι εντυπωσιακό, ωστόσο η απειροελάχιστη αυτή ποσότητα αντιυδρογόνου δεν επαρκεί για τη μελέτη του -οι ερευνητές εκτιμούν ότι η παγίδα πρέπει να περιέχει γύρω στα 100 αντιάτομα κάθε φορά.
Οι ερευνητές του ALPHA θα συνεχίσουν τις προσπάθειες, έχουν όμως να αντιμετωπίσουν τον ανταγωνισμό του ATRAP, ενός άλλου πειράματος στο CERN που επιχειρεί να δημιουργήσει άτομα αντιυδρογόνου που κινούνται με χαμηλότερες ταχύτητες και παγιδεύονται έτσι πιο εύκολα.
«Αντί να προσπαθούμε να δείξουμε ότι μπορούμε να κρατάμε περιορισμένα 18 άτομα για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, αναπτύσσουμε μεθόδους ώστε να παράξουμε και να παγιδεύσουμε μεγαλύτερους αριθμούς ψυχρών ατόμων» εξήγησε στο περιοδικό ο Τζέραλντ Γκάμπριελς, εκπρόσωπος του ATRAP.
«Μένει να δούμε ποια προσέγγιση θα αποφέρει καρπούς» σχολίασε.
«Είμαστε εκστασιασμένοι. Το καταφέραμε έπειτα από πέντε χρόνια σκληρής δουλειάς» δήλωσε ο Τζέφρι Χάνγκστ, εκπρόσωπος του πειράματος ALPHA, σχολιάζοντας την εξέλιξη στο περιοδικό Nature όπου δημοσιεύονται τα αποτελέσματα.
Ουδέτερα άτομα αντιύλης είχαν δημιουργηθεί και στο παρελθόν (σε ακόμα μεγαλύτερες ποσότητες), εξαφανίστηκαν όμως αμέσως μετά το σχηματισμό τους.
Αντιστάρ
Η αντιύλη είναι όμοια με την αντιύλη σε όλα τα χαρακτηριστικά της εκτός από ένα: αποτελείται από σωματίδια με αντίθετα φορτία. Τα πρωτόνια που βρίσκονται στον πυρήνα των κανονικών ατόμων είναι φορτισμένα θετικά, ενώ τα αντιπρωτόνια της αντιύλης αρνητικά. Ομοίως, το αντι-ηλεκτρόνιο της αντιύλης, γνωστό και ως ποζιτρόνιο, έχει θετικό φορτίο και όχι αρνητικό όπως το ηλεκτρόνιο.
Θεωρητικά, ολόκληρα πλανητικά συστήματα και ζωντανά όντα θα μπορούσαν να αποτελούνται από αντιύλη. Όμως το παράξενο αυτό υλικό απουσιάζει από τον κόσμο γύρω μας, αφού, αν ερχόταν σε επαφή με την κανονική ύλη, θα εξαφανιζόταν μαζί της σε μια λάμψη υψηλής ενέργειας.
Η αντιύλη φαίνεται όμως να απουσιάζει όχι μόνο από τη γειτονιά μας αλλά και από ολόκληρο το Σύμπαν. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η γέννηση του Σύμπαντος δημιούργησε περισσότερη ύλη παρά αντιύλη.
Η μελέτη του αντιυδρογόνου αναμένεται να αποκαλύψει στο μέλλον γιατί συνέβη αυτό, ή, όπως το ονομάζουν οι φυσικοί, γιατί υπάρχει αυτή η παρατηρούμενη ασυμμετρία ύλης-αντιύλης.
Εφόσον καταφέρουν να παγιδεύσουν λίγο περισσότερα άτομα αντιυδρογόνου, οι ερευνητές θα προσπαθήσουν επίσης να εξακριβώσουν αν οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που δρουν στην αντιύλη είναι ίδιες με αυτές που δέχεται η ύλη όπως την ξέρουμε. Αυτό θα επιβεβαίωνε μια πρόβλεψη του λεγόμενου Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, η οποία, αν και ακούγεται λογική, ουδέποτε έχει επιβεβαιωθεί.
Ένα άλλο σχετικό πείραμα του CERN, με την ονομασία ΑΕgIS, θα εξετάσει αν η ύλη και η αντιύλη αντιδρούν όντως με τον ίδιο τρόπο στη βαρύτητα.
Συλλαμβάνοντας τους ύποπτους
To δύσκολο για τη διεθνή ερευνητική ομάδα του ALPHA δεν ήταν να δημιουργήσει αντιάτομα -περίπου 50.000 άτομα αντιυδρογόνου είχαν παραχθεί σε μια προηγούμενη προσπάθεια το 2002. Σε εκείνη την περίπτωση, όμως, η αντιύλη αντέδρασε με τα γειτονικά άτομα ύλης και εξαφανίστηκε ακαριαία.
Η λύση ήταν να δημιουργηθεί ένα δοχείο που κρατά τα αντιάτομα αιωρούμενα εν κενώ, χωρίς να την αφήνει να έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα.
Αυτό είναι εύκολο να γίνει με τα επιμέρους συστατικά των αντιατόμων, τα ποζιτρόνια και τα αντιπρωτόνια, επειδή τα σωματίδια αυτά είναι φορτισμένα και μπορούν να διατηρηθούν αιωρούμενα με τη χρήση ηλεκτρικών πεδίων.
Το αντιυδρογόνο, όμως, είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και δεν μπορεί να παγιδευτεί έτσι απλά. Επηρεάζεται όμως από τα μαγνητικά πεδία επειδή τα συστατικά της έχουν μια ιδιότητα που ονομάζεται σπιν. Οι ερευνητές δημιούργησαν έναν οκταπολικό μαγνήτη, του οποίου το πεδίο ήταν ισχυρότερο κοντά στα τοιχώματα της παγίδας και εξασθενεί προς το κέντρο του.
Αυτό ανάγκασε τα άτομα αντι-υδρογόνου να συγκεντρωθούν στο κέντρο της παγίδας, όπου και επέζησαν για 170 millisecond πριν τελικά εξαφανιστούν (στην ένθετη αριστερά, αντιάτομα που δεν παγιδεύτηκαν αλληλοεξουδετερώνονται με τα τοιχώματα της παγίδας).
Έπειτα από 335 απόπειρες, οι ερευνητές κατάφεραν να παγιδεύσουν με αυτή τη μέθοδο συνολικά 38 μεμονωμένα άτομα αντιυδρογόνου.
Το επίτευγμα είναι εντυπωσιακό, ωστόσο η απειροελάχιστη αυτή ποσότητα αντιυδρογόνου δεν επαρκεί για τη μελέτη του -οι ερευνητές εκτιμούν ότι η παγίδα πρέπει να περιέχει γύρω στα 100 αντιάτομα κάθε φορά.
Οι ερευνητές του ALPHA θα συνεχίσουν τις προσπάθειες, έχουν όμως να αντιμετωπίσουν τον ανταγωνισμό του ATRAP, ενός άλλου πειράματος στο CERN που επιχειρεί να δημιουργήσει άτομα αντιυδρογόνου που κινούνται με χαμηλότερες ταχύτητες και παγιδεύονται έτσι πιο εύκολα.
«Αντί να προσπαθούμε να δείξουμε ότι μπορούμε να κρατάμε περιορισμένα 18 άτομα για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, αναπτύσσουμε μεθόδους ώστε να παράξουμε και να παγιδεύσουμε μεγαλύτερους αριθμούς ψυχρών ατόμων» εξήγησε στο περιοδικό ο Τζέραλντ Γκάμπριελς, εκπρόσωπος του ATRAP.
«Μένει να δούμε ποια προσέγγιση θα αποφέρει καρπούς» σχολίασε.
Newsroom ΔΟΛ, με πληροφορίες από Associated Press
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου