Mikrokozmosz - makrokozmosz: hova lett az antianyag?

Átírás

1 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 1. fólia p. 1/35 Mikrokozmosz - makrokozmosz: hova lett az antianyag? Horváth Dezső horvath wigner.mta.hu MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 2. fólia p. 2/35 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 2010: 1. Antihidrogén LHC 2012: 1. Higgs-bozon Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 3. fólia p. 3/35

4 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 4. fólia p. 4/35 Előszó A (részecske)fizika egzakt tudomány: A fizika univerzális nyelve a matematika, pontos matematikai formalizmuson alapszik. Egy elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredménye egyezik a kísérlettel. Az igazi fogalmak mérhető mennyiségek, a szavak csak mankók. Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat Alapkérdés: milyen pontossággal adja vissza az elméleti számítás a mérések eredményét? Számítás nélkül nincs fizika, csak spekuláció... de a fizika kísérleti tudomány!

5 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 5. fólia p. 5/35 Mi az az antianyag? Paul Dirac, 1928: Új egyenlet a hidrogénatom precíz matematikai leírására: szépészet?? Két megoldás elektronra (x 2 = 4 x = ±2): 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

6 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 6. fólia p. 6/35 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

7 Ősrobbanás, felfúvódás, sugárzás Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 7. fólia p. 7/35

8 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 8. fólia p. 8/35 Hubble-teleszkóp: a Világegyetem mélye 250 nap megfigyelés egy sötét ponton > tízmilliárd évnél régebbi galaxis

9 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 9. fólia p. 9/35 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?

10 Tükrözési szimmetriák Töltéstükrözés:C részecske antirészecske Tértükrözés:P Jobbkéz balkéz Időtükrözés:T Idő visszafelé CPT-szimmetria: elektromágnesség, mikrovilág T. Nakada, CERN Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 10. fólia p. 10/35

11 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 11. fólia p. 11/35 Tükrözési szimmetriák sérülése 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

12 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 12. fólia p. 12/35 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

13 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 13. fólia p. 13/35 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

14 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 14. fólia p. 14/35 Az első 9H-atom: LEAR, 1996 W 10 19

15 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 15. fólia p. 15/35 A CERN gyorsítói ma

16 A CERN és környéke Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 16. fólia p. 16/35

17 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 17. fólia p. 17/35 A CERN antiproton lassítója (AD) a CPT invariancia ellenőrzésére épült árom CPT kísérlet az AD-nál: TRAP: H(2S 1S) H(2S 1S) LPHA: H(2S 1S) H(2S 1S) SACUSA: q(p) 2 m(p) q(p) 2 m(p) µ l (p) µ l (p) H finomszerkezete örös: 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

18 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 18. fólia p. 18/35 Antihidrogén-spektroszkópiához Antiprotonok lelassítása Antiprotonok csapdázása, hűtése Lassú pozitronok előállítása ( 22 Na) Pozitronok csapdázása, hűtése Összehozni őket közös csapdában Rekombináció antihidrogén Antihidrogén-atomok csapdázása Antihidrogén-atomok legerjesztése (idő!) jelen Antihidrogén-atomok hűtése Lézer-spektroszkópia antihidrogénen Jövő

19 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 19. fólia p. 19/35 Hideg antihidrogén: ATHENA, 2002 Az ATHENA-kísérlet felépítése és egy megfigyelt H-annihiláció a csapda maradékgázán

20 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 20. fólia p. 20/35 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.

21 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 21. fólia p. 21/35 ASACUSA: MUSASHI Monoenergetic Ultra Slow Antiproton Source for High precision Investigations.8 MeV p AD RFQ 00 kev p RFQ csapda (2001) 10 6 p csapdában hűtve (2002) Antihidrogén-nyaláb lassú p kivezetve (2004) sapdázott p összenyomva (2008) ( p, E = 0.3 ev, R = 0.25 mm) H-nyaláb: ASACUSA, 2010

22 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 22. fólia p. 22/35 Spektroszkópia H-nyalábon p antiproton and positron Trap / Recombination + e Sextupole I Microwave Cavity Sextupole II Antihydrogen Detector H-nyaláb röptetése: polarizátor, rezonátor, analizátor Analógia: polarizált fény R.S. Hayano, M. Hori, D. Horváth, E. Widmann, Rep. Progr. Phys. 70 (2007) 1995.

23 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 23. fólia p. 23/35 Eddig tartott a fizika Szép a tudomány, de lehet mindezt valamire használni?

24 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 24. fólia p. 24/35 Az antianyag alkalmazásai? Pozitron-emissziós tomográfia (PET): igen! AD: Antiproton Cell Experiment (ACE): rákterápia antiprotonokkal? Rakéta-hajtóanyag??? Antianyag-bomba... Valóság álom fantazmagória marhaság

25 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 25. fólia p. 25/35 Pozitron-emissziós tomográfia (PET) Metabolizmus vizsgálata Magyarországon úttörő: Debrecen

26 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 26. fólia p. 26/35 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.

27 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 27. fólia p. 27/35 Rakéta-hajtóanyag??? Star Trek Positronics Research LLC (NASA!) Antianyag-tároló megvan (?) 2001: Mars-rakéta antiprotonokkal 2009: Mars-rakéta pozitron-reaktorral (kisebb sugárterhelés)

28 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 28. fólia p. 28/35 an 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.

29 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 29. fólia p. 29/35 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

30 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 30. fólia p. 30/35 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

31 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 31. fólia p. 31/35 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

32 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 32. fólia p. 32/35 Angyalok és démonok: a kiállítás A CERN kiállítása a Globe-ban

33 Antianyag előállítása: az AD céltárgya Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 33. fólia p. 33/35

34 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 34. fólia p. 34/35 A CERN kiállítása: antianyag-tároló A film antianyag-csapdája a kiállításon Az ASACUSA-kísérlet 3-tonnás antiproton-csapdája a CERN-ben

35 Horváth Dezső: Antianyag Berzsenyi gimn, nőnap 35. fólia p. 35/35 Köszönöm a figyelmet! Az Angyalok & Démonok 4-perces filmrészlete az LHC-ről