Antivodík je analog vodíku sestávající z antihmoty . Zatímco běžný atom vodíku se skládá z elektronu a protonu , atom antivodíku tvoří pozitron a antiproton . Vědci doufají, že studium antivodíku pomůže objasnit, proč je v pozorovatelném vesmíru více hmoty než antihmoty , známé jako problém baryonové asymetrie [1] . Antivodík se vyrábí uměle v urychlovačích částic .
Vysokoenergetické antivodíkové atomy byly poprvé objeveny v urychlovačích v 90. letech 20. století. Spolupráce ATHENA studovala studený antivodík v roce 2002. Zachycování atomů antivodíku bylo poprvé demonstrováno skupinou Antihydrogen Laser Physics Apparatus ( ALPHA ) v CERNu [2] [3] v roce 2010, která následně měřila strukturu a další důležité vlastnosti [4] . ALPHA, AEGIS a GBAR plánují pokračovat v chlazení a studiu antivodíkových atomů.
V roce 2016 experiment ALPHA změřil elektronický přechod mezi dvěma nejnižšími energetickými hladinami antivodíku, 1S-2S. Výsledky byly totožné s měřeními pro vodík v rámci rozlišení experimentu, což potvrdilo myšlenku symetrie hmoty-antihmoty a CPT [ 5] .
V přítomnosti magnetického pole se přechod 1S-2S rozdělí na dva hyperjemné přechody s mírně odlišnými frekvencemi. Tým vypočítal přechodové frekvence pro normální vodík vystavený magnetickému poli v omezeném objemu jako:
fdd = 2466061103064 (2) kHz fcc = 2466061707104 (2) kHzJednofotonový přechod mezi S-stavy je zakázán pravidly kvantové selekce , proto za účelem přenosu pozitronů ze základního stavu do stavu 2S byl omezený prostor osvětlen laserem naladěným na polovinu vypočtené přechodové frekvence, stimulujícím povolena dvoufotonová absorpce .
Atomy antivodíku excitované do stavu 2S jsou nestabilní a mohou pak přecházet jedním z několika způsobů do jiných stavů:
Ionizace i rotace způsobí únik atomu z pasti. Tým vypočítal, že za předpokladu, že se antivodík chová jako běžný vodík, by se při vystavení rezonanční frekvenci ztratila přibližně polovina atomů antivodíku, ve srovnání s případem bez laseru. S laserovým zdrojem naladěným na 200 kHz pod polovinou dělící frekvence byla vypočtená ztráta v podstatě stejná jako v případě bez laseru.
Tým ALPHA vytvořil antivodíkové shluky, držel je po dobu 600 sekund a poté na 1,5 sekundy redukoval omezující pole, přičemž počítal, kolik atomů antivodíku anihilovalo. Udělali to za tří různých experimentálních podmínek:
Dvě kontroly, mimorezonanční a žádný laser, byly potřeba, aby se zajistilo, že laserové záření samo o sobě nezpůsobí anihilaci, možná uvolněním normálních atomů z povrchu omezující nádoby, které by se pak mohly spojit s antivodíkem.
Tým provedl 11 startů při třech příležitostech a nezjistil žádný významný rozdíl mezi off-rezonančními a bezlaserovými starty, ale 58% snížení počtu událostí detekovaných poté, co rezonance prošla. Byli také schopni počítat anihilační události během sezení a nacházeli vyšší úrovně během rezonančních startů, opět bez významného rozdílu mezi nerezonančními a bezlaserovými starty. Výsledky jsou v dobré shodě s předpověďmi založenými na normálním vodíku a lze je „interpretovat jako test symetrie CPT s přesností 200 ppt “ [6] .
CPT teorém v částicové fyzice předpovídá, že antivodíkové atomy mají mnoho charakteristik běžného vodíku; to znamená, že mají stejnou hmotnost , magnetický moment a frekvence přechodů mezi atomovými stavy (viz atomová spektroskopie ) [7] . Například se očekává, že excitované atomy antivodíku budou emitovat světlo stejné frekvence jako běžný vodík. Atomy antivodíku by měly být přitahovány k jiné hmotě nebo antihmotě gravitačně silou stejné velikosti jako běžné atomy vodíku [2] . To by nemělo platit, pokud má antihmota zápornou gravitační hmotnost , což je považováno za extrémně nepravděpodobné, i když to ještě není empiricky vyvráceno (viz gravitační interakce antihmoty ). Byl však vyvinut teoretický model pro zápornou hmotnost a odpudivou gravitaci (antigravitaci) mezi hmotou a antihmotou a tato teorie je kompatibilní s CPT teorémem [8] .
Když se antivodík dostane do kontaktu s běžnou hmotou, jeho složky rychle anihilují . Pozitron anihiluje s elektronem a vytváří gama paprsky . Na druhé straně je antiproton tvořen antikvarky, které se kombinují s kvarky v neutronech nebo protonech, což vede k vysokoenergetickým pionům , které se rychle rozpadají na miony , neutrina , pozitrony a elektrony . Kdyby byly atomy antivodíku zavěšeny v dokonalém vakuu , existovaly by neomezeně dlouho.
Jako antielement se očekává, že bude mít stejné vlastnosti jako vodík [9] . Například antivodík bude za standardních podmínek plyn a bude se slučovat s antikyslíkem za vzniku antivody .
První antivodíkové atomy byly vytvořeny v roce 1995 týmem vedeným Walterem Ohlertem v CERNu [10] za použití metody, kterou propagovali Charles Munger, Jr. , Stanley Brodsky a Ivan Schmidt Andrade [11] .
V prstencovém urychlovači LEAR narážejí antiprotony z urychlovače na xenonové klastry [12] a vytvářejí páry elektron-pozitron. Antiprotony mohou zachytit pozitrony s pravděpodobností asi 10 -19 , proto podle výpočtů není tato metoda vhodná pro významný výkon [13] [14] [15] . Fermilab naměřil mírně odlišný průřez [16] , což je v souladu s předpověďmi kvantové elektrodynamiky [17] . Obě metody vedly ke vzniku horkých (vysokoenergetických) antiatomů, nevhodných pro podrobné studium.
Následně CERN vytvořil antiprotonový moderátor (AD) na podporu úsilí o vytvoření nízkoenergetického antivodíku pro testování základních symetrií. AD bude dodávat antivodík několika skupinám v CERNu. CERN očekává, že jejich zařízení budou schopna produkovat 10 milionů antiprotonů za minutu [18] .
Experimenty provedené ve spolupráci ATRAP a ATHENA v CERN uspěly při kombinování pozitronů a antiprotonů v Penningových pastích , což vedlo k fúzi typickou rychlostí 100 atomů antivodíku za sekundu. Antivodík byl poprvé vyroben v roce 2002, nejprve ve spolupráci ATHENA [19] a poté ATRAP [20] , a do roku 2004 byly vyrobeny miliony atomů antivodíku. Syntetizované atomy měly relativně vysokou teplotu (několik tisíc kelvinů ) a v důsledku toho narazily na stěny experimentálního zařízení a anihilovaly. Většina testů přesnosti vyžaduje dlouhodobé sledování.
ALPHA, nástupce spolupráce ATHENA, byl navržen tak, aby zachycoval antivodík stabilním způsobem [18] . Být elektricky neutrální, jeho spinové magnetické momenty interagují s nehomogenním magnetickým polem; některé atomy budou přitahovány k magnetickému minimu vytvořenému kombinací zrcadlového a vícepólového pole [21] .
V listopadu 2010 spolupráce ALPHA oznámila, že zachytila 38 atomů antivodíku během šestiny sekundy [22] , což znamená první úspěch v omezení neutrální antihmoty. V červnu 2011 zachytili 309 atomů antivodíku, až 3 najednou, po dobu až 1000 sekund [23] . Poté studovali jeho hyperjemnou strukturu, gravitační účinky a náboj. ALPHA bude pokračovat v měření spolu s experimenty ATRAP, AEGIS a GBAR.
Větší atomy antihmoty jako antideuterium ( D ), antitritium ( T ), antihelium-3 ( 3He ) a antihelium-4 ( 4He ) je mnohem obtížnější vyrobit. Antideuterium [24] [25] , antihelium-3 ( 3 He ) [26] [27] a antihelium-4 ( 4 He ), další jádra [28] vznikají tak vysokou rychlostí, že fúzí jejich odpovídajících atomů vzniká několik technické překážky.