Post on 19-Mar-2016
description
Okno do antisvěta aneb
jak najít a získat antihmotu, budeme ji umět využít?
„Náznak další poruchy,“ rychle pronesl Spock. „Výkon energetického zdroje narůstá exponenciálně. Přetížení a náhlá přeměna veškeré antihmoty na energii proběhne za …".
Gene DeWeese: Star Trek – Enterprise v ohrožení
1. Úvod.
2. Základní vlastnosti hmoty a antihmoty.
2.1 Struktura hmoty. 2.2 Co to antihmota je? 2.3 Jaké jsou její hlavní vlastnosti.
3. Kde a jak antihmota vzniká?
3.1 Existence antihmoty ve vesmíru 3.2 Umělá produkce antičástic a antijader. 3.3 Produkce antiatomů a dalších systémů.
4. Využití antihmoty
4.1 „Anti“ - zrcadlo našeho světa. 4.2 Antihmota v medicíně. 4.3 Zdroj energie pro vesmírné lety?
5. Jak vznikla asymetrie mezi hmotou a antihmotou.
6. Závěr.
Vladimír Wagner
Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/
Teoretická předpověď antičástic – Paul Dirac
Relativistické kvantové pohybové rovnice pro elektron → řešení pro kladnou i zápornou hmotnost → nový typ částic Q → -Q → předpověď pozitronu
Objev pozitronu v kosmickém záření C. D. Andersonem - 1932 Paul Dirac Objev antiprotonu 1955 E.G. Serge a O. Chamberlain – speciálně vybudovaný urychlo-vač BEVATRON (Berkeley) – protony téměř 6 GeV (pevný terč) → těsně pod minimem
Úvod
Detekce anihilace antiprotonu ve fotografické emulsi
Zdroj energie pro BEVATRON
Detektor pro první antiproton
p + anti-p → 2 mpc2 = 1,88 GeV. Využití Fermiho pohybu nukleonů v jádře. p + p → p + p + p + anti-p
Zkoumání vlastnosti antičástic:
Stále výkonnější urychlovače →Produkce antičástic, antijader i antiatomůRozdíly částic a antičástic
Následující léta – urychlovače zdrojem řady dalších antičástic ke známým částicím
Setkání částice a antičástice → anihilace
Nyní?! V budoucnu?!
Hledání antihmoty ve vesmíru Praktické využití?
současný urychlovač protonů i jader v Berkeley
C.D. Anderson E.G. Segre O. Chamberlein
Pozorování antineutronu - 1956
Částice a antičástice
Každá částice má „symetrického“ partnera s opačnou hodnotou nábojů
kvarky antikvarky
leptonyelektron, mion, tauon
antileptonypozitron, antimion, antitauon
hadrony antihadrony
baryony antibaryonymezony antimezony
jádra antijádra
atomy antiatomy
hmota antihmota
qqqqq qqqqqproton, neutron … pí mezony, K mezony … antiproton, antineutron … pí mezony, K mezony …
hvězdy antihvězdy ???
svět antisvět ???Pozor na anihilaci !!
Hmota a antihmota může tvořit i metastabilní útvar
&
Urychlovač (LHC v CERNu) – produkce antičástic Systém detektorů (budování experimentu CMS)- detekce a zkoumání antičástic
Ve většině případů nutná produkce ve dvojicích částice – antičástice( nutné pro dodržení platnosti zákonů zachování )
Produkce antičástic – srážky při velmi vysokých energiích
Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic
Nárůst energie → produkce většího množství antičástic
Největší urychlovače E ~ 100 GeV
Dokončuje se ještě větší LHC s vstřícnými svazky 7 000 GeV
Antisvět – zrcadlo našeho světa
Anihilace – při setkání hmoty a antihmoty dojde k jejich zániku, její klidová energie se mění na jinou formu energie
Stejné velikosti hodnot veličin pouze opačné znaménko u nábojů
Existujeme → musí existovat rozdíl mezi hmotou a antihmotou
Kreace – možnost vzniku páru částice a antičástice při dodání příslušné energie
Úzké spojení se symetriemi
C - nábojové sdružení – záměna částic za antičástice P – prostorové zrcadlení – zrcadlové zobrazení
T – časová inverzeRozlišení antisvěta v zrcadle od našeho světa
(hmotnost, doba života, spin, velikost náboje, magnetického momentu ...)
Anihilace
Setkání hmoty a antihmoty – anihilace → přeměna hmoty na fotony a mezony → mezony se rozpadají v konečném důsledku na fotony a neutrina → uvolnění energie:
E = mc2
přeměna klidové hmotnosti (energie) na energii → nejkompaktnější zdroj energie
Počátek vesmíru → téměř shodné množství hmoty a antihmoty → obrovská anihilace (vzniká reliktní záření) – malý přebytek hmoty zůstává
Největší anihilace v našem vesmíru nastala na jeho počátku a jejím pozůstatkem je reliktní záření
Velká anihilace v představách tvůrců seriálu Star Trek
Jak antihmotu získat?Přírodní zdroje částic antihmoty:
Umělé zdroje částic antihmoty:
1) Rozpad beta plus – zdroj pozitronů
2) Kosmické záření – srážka částic (jader) s vysokou energií → zdroj široké palety antičástic – hlavně antiprotony, vznik těžších antijader nepravděpodobný
1) Urychlovače – podobně jako u kosmického záření – velmi vysoké energie, produkce v
páru, urychlení na rychlosti v ≈ c
Jak antihmotu skladovat?Uchovávání antičástic pomocí magnetického pole v podobě nabitých částic - plazmy → magnetické prstence, magnetické pasti – dnes až několik měsíců
Část zařízení LEAR pro produkci pomalých antiprotonů (protonový urychlovač v CERNu)
akumulační prstenec ISR v CERNu (Ženeva)
Existence antihelia by byla důkazem antihvězd
Let STS 1991 v červnu 1998
J. L. Kavandi F. R. Chang-Diaz
Spektrometr AMS-01Studium prvkového složení, hledání antijader
nenalezeno ani antihelium
Hledání těžších antijader a antihmoty ve vesmíru
Spektrometr a raketoplán Discovery
Nový spektrometr AMS-02: supravodivý magnet 0,8 T, několik let na ISS - zdržení
Známkou existence antihmoty je i anihilace na místech rozhraní mezi hmotou a antihmotou → produkce záření gama
nic takového nepozorováno
Produkce antijaderSrážky těžkých jader → velmi vysoká teplota a hustota.
Dostatek energie → vytváření páru částice antičásticeHodně antiprotonů a antineutronů → možnost slepení jednotlivých antinukleonů → vytvoření antijader
Pozorovány antideuterony, antitritony a anti 3He
Experiment NA52 v CERNu. Poměr mezi antideuterony a antiprotony 3 : 10000
Možnost připravit jen nejlehčí jádra
V budoucnu se čeká:Pro produkci těžších jader – dostatečná hustota pomalých antiprotonů – reakce podobné těm ve hvězdách
Zdroje antiprotonů (urychlovače) & akumulátory (pasti na antiprotony – antiprotony ve formě plazmy ) & dostatečná teplota a hustota plazmy → termojaderné reakce antihmoty
Jak získat antiatomy – hon za antivodíkem:Problém: 1) antiproton a pozitron blízko sebe 2) jejich vzájemná rychlost musí být malá
Řešení:Využití kreace páru pozitron elektron při pohybu nabité částice v poli jádra → pozitron je vytvořen spolu s elektronem samotným antiprotonem → pozitron zachycen (pravděpodobnost 10-19)
Princip přípravy antivodíku v experimentu s rychlými antiprotony
První antivodík připraven v CERN v r. 1996 (experiment PS210)Pouze 9 atomůOpakování FERMILAB – 100 atomů
Identifikace:Antivodík – neutrálníPozitron - anihilaceAntiproton – změřením poměru hmotnosti a náboje
Magnet odklánějící antiprotony
Produkce většího množství chladného antivodíku:
Jeden případ anihilace antivodíku - vznik 4 mezonů (p+ anti-p) a 2 (e+ e+)
Antiprotony ze zpomalovače se dále zpomalí chladnými elektrony v první magnetické pasti Pozitrony z rozpadu 22Na jsou zpomaleny ve druhé pasti
Ve třetí pasti se antiprotony a pozitrony smíchajíNeutrální antivodík z ní vyletí a na stěnách anihiluje
Rok 2002 - ATHENA produkuje prvních 50000 antivodíků
Experiment ATHENA v CERNu pro produkci antivodíku a detekci jeho anihilace
Zlepšování produkce, pochopení mechanismu vzniku, ...
Současná produkce až miliony antivodíkových atomů.
Dlouhodobé zkoumání další past pro neutrální částice schopná udržet antivodík díky jeho magnetickému momentu
Pokračováním projektu ATHENA je projekt ALPHA (2006):
Pomocí laserů výzkum přechodů mezi vzbuzenými stavy atomy antivodíkuNutnost ochlazení antivodíku na teplotu 15 mK
Chladící zařízení projektu ALPHA
Velmi precizní spektroskopie mezi základním a prvním vzbuzeným stavem (10-18)
Velmi přesný test CPT symetrie
Základem je zpomalovač antiprotonů
Vázané systémy částice a antičástice
Protonium – vázaný systém protonu a antiprotonu
Antiprotonový vodík – vodíková molekula H2+ zachytí antiproton
Jejich zkoumání již také probíhá – daří se je produkovat – je třeba je také udržet déle
Pozitronium – vázaný systém elektronu a pozitronu
Exotické systémy (vázané elektrickou silou)
Běžné (vázané silnou interakcí) – mezony – spojení kvarku a antikvarku – doba života až desítky ns (10-8s)
Molekuly pozitronia – vázaný systém dvou pozitronií – vznik v pórech porézního křemíkuMožná využití pro gama laser
Parapozitronium – orientace spinu elektronu a pozitronu proti sobě → rozpad na dva fotony → doba života 0,125 ns
Orthopozitronium – orientace spinu souhlasná → rozpad na tři fotony → doba života 142 ns
Vázaný systém - antimion – elektron
Sestava pro přípravu molekul pozitronia
K+
πK0
π0
π+
ππ0
π0
Snímek experimentu a přívodu svazku antiprotonů k experimentu ASACUSA (zdroj CERN)
Antiprotonové helium (atomkule) – systém helia a antiprotonu – některé vybuzené stavy žijí déle → lépe se studuje
Vázané systémy mezonu a antimezonu
Studuje je experiment DIRAC
Ani
hila
ce v
ázan
ých
syst
émů
mez
onu
a an
timez
onu
Přesnost měření rovnosti setrvačné hmotnosti protonu a antiprotonu až 9 platných cifer
Zkoumání rozdílu mezi hmotou a antihmotou
Zkoumání vyzařování (energetických hladin) atomu antivodíku
Chování antivodíku v gravitačním poli Země – rozdíl „gravitační hmotnosti“ hmoty a antihmoty
Testy CPT symetrie
Testy principu ekvivalence obecné teorie relativity
past na antiprotony a pozitrony experimentu ATRAP → výrobaantivodíku
Porovnávání vlastností (rozpadů) částic a antičástic
Produkce antiprotonu (zdroj CERN)
Výroba antivodíku (zdroj CERN)
K čemu antihmota?V současné realitě: pozitronová emisní tomografieRadioaktivní izotopy s pozitronovým rozpadem → anihilace pozitronu v klidu → vznikdvou fotonů (kvant záření gama) letících v opačném směru → jejich zachycením určení polohy
Mozek čte Mozek poslouchá
Velmi dobré prostorové rozlišení ( 2 mm ), stále nové sloučeniny pro PET kamery (systémy Pozitronové Emisní Tomografie)
PET kamera v GSI Darmstadt
Vložení radioaktivního izotopu do sloučeniny usazující se ve studovaném orgánu (přesná diagnostika a medicinský výzkum): 1) Určení polohy a rozměru rakovinného nádoru 2) Účinnost ozařování při použití těžkých iontů (10C, 11C) 3) Určení prokrvené a neprokrvené části 4) Určení toho, která část mozku zrovna pracuje
Testy využití anihilace antiprotonů při ozařování nádorů
Anihilace – přeměna klidové energie na fotony (energii) → antihmota – nejúčinnější zdroj energie – vysoký specifický impuls
Ekvivalent pohonu raketoplánu – ~ 100 mg antihmoty
Účinnost výroby antiprotonů (nyní) – 105 protonů (Ep=120 GeV) na jeden antiproton → 1,2∙107 GeV/antiproton → 1,16∙1021 J/g . Efektivita 10-8.
Výroba antihmoty (chybí doly na antihmotu):
Současné metody umožňují – zlepšení o 3-4 řády
Nyní v CERNu a Fermilabu – 10 ng antiprotonů za rok
Mezihvězdná loď AIMstar projektovaná na Pensylvanské universitě
Enterprise zatím léta jen ve SCI-FI – zdrojem energie pro její pohon je kapalný antivodík
Skladování – magnetická a elektrická pole
Projekty - zatím jen na papíře
Mikrofúze inicializovaná lasery, antihmotou
Projekt fúzně poháněné sondy využívající proinicializaci antiprotony skladované v magnetickémprstenci.
Nejpropracovanější projekt Pensylvánské university – ICAN-II
využívaly by se reakce deuteria a tritia inicializované antiprotony
Možnosti a problémy k řešeníHlavní problémy:
1) Efektivní produkce – specializované urychlovače na produkci antiprotonu a zpomalovače pro jejich zpomalení a ochlazení – nutný dostatek energie
Produkce při vesmírných vysokoenergetických procesech (výtrysky v průběhu akrece hmoty na kompaktní objekty ...) – možné doly na antihmotu
2) Efektivní uchovávání: V podobě plazmy (nabitých částic) v magnetickém poli – výhodou je jednoduchost (v současnosti dokážeme udržet plazmu řadu měsíců, nevýhodou malá hustota
V podobě kapalného antivodíku – výhodou je vysoká hustota, nevýhodou zatím nevyřešený problém oddělení antihmoty od hmoty
Vhodné pro velké kosmické lodi – různé typy anihilačních motorů: 1) S pevným jádrem – velice efektivní využití energie, menší výtokové rychlosti 2) S plynným nebo plazmovým jádrem – vyšší výtokové rychlosti 3) S paprskovým jádrem – nejvyšší výtokové rychlost, nutné dlouhé trysky (dolet relativistických mezonů před rozpadem)
Proud hmoty z centra galaxie M87 - foto Hubblův teleskop
Proč je v současném vesmíru pouze hmota a ne antihmota?
Existujeme – jsme složení z hmoty vše nezanihilovalo → v minulosti musel vzniknout přebytek hmoty nad antihmotou ← původní rozložení hmoty a antihmoty homogenní (z reliktního záření)
Baryonová asymetrie = poměr mezi počtem baryonů (nukleonů) a fotonů reliktového záření (předpoklad: reliktní fotony vznikly při anihilaci) nb/nγ = 10-9. Platí zákon zachování baryonového čísla → neměnnost počtu baryonů
Baryonovou asymetrii nelze vysvětlit v rámci standardního modelu
Tři podmínky vzniku baryonové asymetrie (A. Sacharov):
1) Existence procesů narušujících zákon zachování baryonového čísla
2) V těchto procesech musí docházet i k narušení C a kombinované CP symetrie (jinak by celkový počet vytvořených baryonů a antibaryonů byl stejný)3) Částice nebo objekty v jejichž rozpadu baryonová asymetrie vzniká nesmí být v tepelné rovnováze s okolím → existují etapy prudkého rozpínání (jinak vznikají částice a antičástice se stejnou hustotou).
Také tato galaxie M51 není z anti-hmoty ale z hmoty (snímek Hubblova dalekohledu – NASA)
Reliktní fotonové záření homogenně rozloženo
Závěr
1) Každá částice má svého antihmotného partnera
2) Vlastnosti úzce souvisí s fundamentálními symetriemi
4) Ve vesmíru pouze ve srážkách jader kosmického záření, produkce na urychlovač
3) Studium antihmoty – rozdílů mezi hmotou a antihmotou, testování fundamentálních fyzikálních zákonitostí a symetrií
4) Podařilo se získat nejlehčí antijádra (antivodík a antihelium) a také atom antivodíku
5) Současné praktické využití v lékařství – diagnostické metody (PET).
6) Problém využití v energetice – nejsou doly na antihmotu – ?možné zdroje ve vesmíru?
7) Nutnost zefektivnit produkci a uchovávání – možnost využití ke kosmickým cestám, zpočátku kombinace s termojadernou fúzí
8) Je třeba najít možnosti uchovávání antivodíku v kapalné podobě