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. 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: [email protected], WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/
22
Embed
Okno do antisvěta aneb jak najít a získat antihmotu, budeme ji umět využít?
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. - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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.
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)
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
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