Mikrokozmosz - makrokozmosz: hova lett az antianyag?

Átírás

1 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 1/40 Mikrokozmosz - makrokozmosz: hova lett az antianyag? Horváth Dezső horvath rmki.kfki.hu MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 2/40 Vázlat Mi az antianyag? Hova lett az Ősrobbanás után? Az anyag-antianyag szimmetria ellenőrzése Antihidrogén keltése a LEAR-nél Az ATHENA-kísérlet: hideg antihidrogén Az ALPHA-kísérlet: csapdázott antihidrogén Az ASACUSA-kísérlet: antihidrogén-nyaláb Alkalmazások? Angyalok és démonok (antiangyalok?)

3 1. Antihidrogén LHC Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 3/40

4 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 4/40 Mi az az antianyag? Paul Dirac, 1928: Új egyenlet a hidrogénatom precíz matematikai leírására Két megoldás elektronra: Pozitív energiájú és negatív töltésű: e Negatív energiájú és pozitív töltésű: e + Negatív energia nem fizikai, Dirac elektron-hiánynak értelmezte Carl Anderson, 1932: e + kozmikus sugarakban valódi részecske, pozitron Nobel-díjak: Dirac: 1933; Anderson: 1936

5 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 5/40 Antirészecskék Minden anyagi részecskének van antirészecskéje Pl. proton (a hidrogénatom magja) antiproton. e γ Ha részecske antirészecskéjével ütközik, megsemmisülnek, energiájuk szétsugároz. Sugárzás atommag terében részecske + antirészecske párokat tud kelteni. Kisebb energián elektron-pozitron párt, nagy energián pl. (E > 2 proton-tömeg) proton-antiprotont. e + γ e + e γ

6 Ősrobbanás, felfúvódás, sugárzás Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 6/40

7 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 7/40 Hubble-teleszkóp: a Világegyetem mélye 250 nap megfigyelés egy sötét ponton > tízmilliárd évnél régebbi galaxis

8 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 8/40 Hubble-teleszkóp: eredmények A galaxisok kialakulása már az Ősrobbanás után millió évvel megkezdődött Korai galaxisok kisebbek és kevésbé szimmetrikusak gyorsabb formálódás A legtávolabbi felvételeken nyomon követhető csillagok képződése Nem látunk antianyag-galaxisokat: sugárzási övezet lenne körülöttük Fiatal galaxisok Billiomod résszel több részecske keletkezett, mint antirészecske Különbség anyag és antianyag között?

9 Tükrözési szimmetriák Töltéstükrözés:C részecske antirészecske Tértükrözés:P Jobbkéz balkéz Időtükrözés:T Idő visszafelé CPT-szimmetria: elektromágnesség, mikrovilág T. Nakada, CERN Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 9/40

10 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 10/40 Tükrözési szimmetriák sérülése A τ θ paradoxon: Két részecske azonos tulajdonságokkal, csak a paritásuk különböző: τ + 2π θ + 3π (J P (π) = 1 ) Tsung-Dao Lee és Chen-Ning Yang, 1956: Gyenge kölcsönhatás maximális paritássértése balkezes részecskék, jobbkezes antirészecskék Kísérleti igazolás: Chien-Shiung Wu csoportja (és Leon Lederman csoportja), 1957 Nem tudom elhinni, hogy Isten balkezes (Wolfgang Pauli) Nobel-díj: Lee és Yang, 1957 A CP-szimmmetriában mindenki hitt, de a P-sértés felfedezése miatt ellenőrizni kellett Sérül, bár kicsit: Cronin és Fitch, 1964 Nobel-díj, 1980

11 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 11/40 CPT-invariancia A térelmélet alaptétele: CPT p(r,t)> = p( r, t)> p(r,t)> azaz szabad antirészecske részecske, amely téridőben visszafelé mozog. CP T sérülése sértené: e e + γ γ a kölcsönhatások lokalitását azaz a kauzalitást, vagy unitaritást, az anyag, információ,... megmaradását, vagy a Lorentz-invarianciát. Elmélet általában: CP T nem sérül De miért nincsenek antianyag-galaxisok? Az Ősrobbanáskor egyformán kellett keletkezniük Vannak CP T sértő modellek ellenőrizni

12 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 12/40 Kétfotonos spektroszkópia hideg atomon ellentétes irányú lézerek hőmozgási hatás kiküszöbölve Részecske = antirészecske? [m(k 0 ) m(k 0 )]/m(átlag) < proton antiproton? (m, q, µ összehasonlítása) hidrogén antihidrogén? (2S 1S) Kétfotonos bomlás hosszú élettartam keskeny vonal

13 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 13/40 Az első 9 H-atom: LEAR, 1996 W 10 19

14 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 14/40 A CERN gyorsítói ma

15 A CERN és környéke Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 15/40

16 A CERN antiproton lassítója (AD) a CPT invariancia ellenőrzésére épült Három CPT kísérlet az AD-nál: ATRAP: q(p)/m(p) q(p)/m(p) H(2S 1S) H(2S 1S) ALPHA: H(2S 1S) H(2S 1S) ASACUSA: q(p) 2 m(p) q(p) 2 m(p) µ l (p) µ l (p) H finomszerkezete Vörös: működik, zöld: tervben ASACUSA: Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons Tokió, Aarhus, Bécs, Brescia, Budapest, Debrecen, München Barna Dániel, Juhász Bertalan, Sótér Anna, Tőkési Károly, Zalán Péter, Horváth Dezső Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 16/40

17 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 17/40 Antihidrogén-spektroszkópiához Antiprotonok lassítása 10 kev-re Antiprotonok csapdázása, hűtése Lassú pozitronok előállítása ( 22 Na) Pozitronok csapdázása, hűtése Összehozni őket közös csapdában Rekombináció antihidrogén Antihidrogén-atomok csapdázása jelen Antihidrogén-atomok legerjesztése Antihidrogén-atomok hűtése Lézer-spektroszkópia antihidrogénen Jövő

18 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 18/40 Hideg antihidrogén: hogyan? x, cm p és e + közös (nested) Penning-csapdában Keveredés nagy sűrűség mellett p + e + + e + H + e + H-csapda kvadrupólus-térben (e + -spin) jelen H alapállapotra lézerrel V p p _ p e - e - e - - e + p _.. ures csapda e -: szinkrotron 7 _ 10 p be E = 10 kev L = 100 ns e - _ p _ hut " p-t lehult " Kétfotonos spektroszkópia _ p 10 7 _ p be - e + p _

19 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 19/40 Hideg antihidrogén: ATHENA, 2002 Az ATHENA-kísérlet felépítése és egy megfigyelt H-annihiláció a csapda maradékgázán

20 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 20/40 Tényleg antihidrogén? Antiprotont és pozitront keverünk közös csapdában Semleges részecskék keletkeznek, amelyek elhagyják a csapdát, és ionizálhatók pozitronra és antiprotonra A p-t e + hűti: ha túlhűtjük, leáll a rekombináció, mert szeparálódnak. Ha RF-val megrezgetjük (hevítjük) a plazmákat, szabályozható a rekombináció sebessége. Ha H keletkezik az annihilációk nagy része edény falán, ha nem, maradék gázon

21 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 21/40 ALPHA-kísérlet: antihidrogén tárolása 10 7 p e + 38 H p-e + kölcsönhatás: 1 s, töltött részek ki: 170 ms, B = 3 T mágnes le: 9 ms (!!), H-annihiláció: 30 ms. 38 tárolt H-atom azonosítva Zaj (jel nem H-tól): 1 beütés G. B. Andresen,... J.F. Hangst,...Y. Yamazaki: Nature 468 (2010) 673.

22 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 22/40 Lassú antiproton nyaláb ASACUSA: MUSASHI Monoenergetic Ultra Slow Antiproton Source for High precision Investigations 5.8 MeV p AD RFQ 100 kev p RFQ csapda (2001) > 10 6 p csapdában hűtve (2002) lassú p kivezetve (2004) Csapdázott p összenyomva (2008) ( p, E = 0.3 ev, R = 0.25 mm) N. Kuroda,..., D. Barna,..., D. Horváth,... Y. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 100 (2008)

23 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 23/40 H-nyalábon hiperfinom szerkezet p antiproton and positron Trap / Recombination + e Sextupole I Microwave Cavity Sextupole II Antihydrogen Detector H-nyaláb röptetése: polarizátor, rezonátor, analizátor R.S. Hayano, M. Hori, D. Horváth, E. Widmann, Rep. Progr. Phys. 70 (2007) 1995.

24 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 24/40 Antihidrogén-HFS: Paul-csapda Linear antiproton Paul trap Barna Dániel Two-tone antihydrogen production Paul trap Commercial positron source (First Point Scientific Inc.) Beam profile monitor Radiofrequency quadrupole decelerator 1 m Beam profile monitor, differential pumping, conductance limiter Electromagnetic calorimeter ASACUSA Collaboration, Addendum to Proposal, CERN-SPSC p és e + azonos helyen H kevésbé gerjesztett

25 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 25/40 Antihidrogén-HFS: cusp-csapda positron source focusing solenoid cusp trap sextupole magnet MR T electron emitter microwave cavity H detector p from RFQD MUSASHI Trap (catching & cooling of p) Inkább terel, mint csapdáz Y. Enomoto,... B. Juhász,... Y. Yamazaki, Phys. Rev. Lett. 105 (2010)

26 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 26/40 H-nyaláb: cusp-csapda, 2010 Előállt az antihidrogén-nyaláb! p e + keverése 7000 H 2 % p H!! Azonosítva 70 H/keverés (1% észlelési hatásfok) H magasan gerjesztve: n = Y. Enomoto,... B. Juhász,... Y. Yamazaki, Phys. Rev. Lett. 105 (2010) ALPHA és ATRAP fóliával lassítja az AD p-t: 5 MeV kev csapdázáshoz. Csapdázási hatásfok: 0,1 % (ALPHA: csapdázott p ból) ASACUSA MUSASHI-val: 25% lassítási, 1% csapdázási hatásfok ELENA tárológyűrű az AD-ban?

27 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 27/40 Eddig tartott a fizika Szép a tudomány, de lehet mindezt valamire használni?

28 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 28/40 Az antianyag alkalmazásai? Pozitron-emissziós tomográfia (PET): igen! AD: Antiproton Cell Experiment (ACE): rákterápia antiprotonokkal? Rakéta-hajtóanyag??? Antianyag-bomba... Valóság álom fantazmagória marhaság

29 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 29/40 Pozitron-emissziós tomográfia (PET) Metabolizmus vizsgálata Magyarországon úttörő: Debrecen

30 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 30/40 Antiproton Cell Experiment (ACE) Rákterápia-kutatás a CERN Antiproton-lassítójánál Előny: Az antiprotonok az energiájuk legnagyobb részét igen kis térfogatban helyezik el. Az energia megválasztásával a tumor jól behatárolható. Hátrány: az antiproton nagyon drága, az annihilációs sugárzás is terhel.

31 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 31/40 Rakéta-hajtóanyag??? Star Trek Positronics Research LLC (NASA!) Antianyag-tároló megvan (?) 2001: Mars-rakéta antiprotonokkal 2009: Mars-rakéta pozitron-reaktorral (kisebb sugárterhelés)

32 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 32/40 Dan Brown: Angyalok és démonok (2000) Cselekmény: A CERN titkos, föld alatti laboratóriumából ellopnak egy termosznyi antianyagot és fel akarják robbantani vele a Vatikánt, de a főhős, szerencsére, megakadályozza. A CERN a könyvnek honlapot nyitott, amely közölte: A CERN valóban létezik, megépítette a világ legnagyobb részecskegyorsítóját (LHC, 27 km-es gyűrű, 100 m-rel föld alatt). Teljesen nyitott intézmény, nincsenek titkos laboratóriumai és semmi baja a Vatikánnal. Előállít antihidrogén-atomokat (nehezebb atomokat nem tud) az Antiproton-lassítónál (és nem az LHC-ban), tisztán tudományos célra, mikroszkópikus mennyiségben: az nem hordozható és nem alkalmas bombakészítésre.

33 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 33/40 Angyalok és démonok: a film, 2009 A CERN vezetői meghívták a film készítőit és felajánlották a CERN-t helyszínnek a film elejére. Azok mindent lefényképeztek, azután felépítették Los Angelesben az LHC hasonmását, és ott forgattak. Tom Hanks az LHC ATLAS kísérleténél

34 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 34/40 Angyalok és démonok a CERN-ben CERN-honlap és -kiállítás a filmnek: 2009 Sony Pictures hozzájárult, csak azt kérte, ne hangsúlyozzuk, mekkora badarság tudományosan USA: fizikusok előadókörútja a filmről Európa nemigen csinálta, Magyarország sem

35 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 35/40 Angyalok és démonok: a kiállítás Tom Hanks, Ayelet Zurer és Ron Howard a CERN kiállítóterme előtt, ahol éppen megnyílt az Angels & Demons kiállítás CERN: The Globe of Science and Innovation EXPO 2002: A fenntartható fejlődés svájci faépülete

36 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 36/40 Angyalok és démonok: a kiállítás A CERN kiállítása a Globe-ban

37 Antianyag előállítása: az AD céltárgya Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 37/40

38 Horváth Dezső: Mikrokozmosz ATOMKI, március fólia p. 38/40 A CERN kiállítása: antianyag-tároló A film antianyag-csapdája a kiállításon Az ASACUSA-kísérlet 3-tonnás antiproton-csapdája a CERN-ben