mikrokozmosz - makrokozmosz: hova lett az antianyag?horvath/talks/2013/mikro20130308.pdf · 2013....
Post on 25-Aug-2020
1 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Mikrokozmosz - makrokozmosz:hova lett az antianyag?
Horváth Dezsohorvath wigner.mta.hu
MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest
és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 1. fólia – p. 1/35
Vázlat
Mi az antianyag?
Hova lett az Osrobbanás után?
Az anyag-antianyag szimmetriaellenorzése
Antihidrogén keltése a LEAR-nél
Az ATHENA-kísérlet: hideg antihidrogén
Az ALPHA-kísérlet: csapdázottantihidrogén
Az ASACUSA-kísérlet:antihidrogén-nyaláb
Alkalmazások?
Angyalok és démonok (antiangyalok?)
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 2. fólia – p. 2/35
2010: 1. Antihidrogén ... 10. LHC2012: 1. Higgs-bozon
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 3. fólia – p. 3/35
Eloszó
A (részecske)fizika egzakt tudomány:
A fizika univerzális nyelve a matematika, pontosmatematikai formalizmuson alapszik.
Egy elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredményeegyezik a kísérlettel.
Az igazi fogalmak mérheto mennyiségek, a szavakcsak mankók.
Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat
Alapkérdés: milyen pontossággal adja vissza az elméletiszámítás a mérések eredményét?
Számítás nélkül nincs fizika, csak spekuláció....de a fizika kísérleti tudomány!
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 4. fólia – p. 4/35
Mi az az antianyag?
Paul Dirac, 1928:Új egyenlet a hidrogénatom precíz matematikai
leírására: szépészet??
Két megoldás elektronra (x2 = 4 ⇒ x = ±2):
Pozitív energiájú és negatív töltésu: e−
Negatív energiájú és pozitív töltésu: e+
Negatív energia nem fizikai, Diracelektron-hiánynak értelmezte
Carl Anderson, 1932:e+ kozmikus sugarakban
⇒ valódi részecske, pozitron
Nobel-díjak:Dirac: 1933; Anderson: 1936
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 5. fólia – p. 5/35
Antirészecskék
Minden anyagi részecskének vanantirészecskéje
Pl. proton (a hidrogénatom magja) ⇔antiproton.
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−
e+
γ
γ
γ
e−
e+
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 6. fólia – p. 6/35
Osrobbanás, felfúvódás, sugárzás
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 7. fólia – p. 7/35
Hubble-teleszkóp: a Világegyetem mélye
250 nap megfigyelés egy sötét ponton ⇒> 10000 tízmilliárd évnél régebbi galaxis
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 8. fólia – p. 8/35
Hubble-teleszkóp: eredményekA galaxisok kialakulása már azOsrobbanás után 500-800millió évvel megkezdodött
Korai galaxisok kisebbek éskevésbé szimmetrikusak ⇒gyorsabb formálódás
A legtávolabbi felvételekennyomon követheto csillagokképzodése Fiatal galaxisok
Nem látunk antianyag-galaxisokat:sugárzási övezet lenne körülöttük
Billiomod résszel több részecske keletkezett, mintantirészecske
Különbség anyag és antianyag között?Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 9. fólia – p. 9/35
Tükrözési szimmetriákTöltéstükrözés: C
részecske⇓
antirészecske
Tértükrözés: PJobbkéz ⇒ balkéz
Idotükrözés: TIdo visszafelé
CPT-szimmetria:elektromágnesség,
mikrovilágT. Nakada, CERN
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 10. fólia – p. 10/35
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-sértésfelfedezése miatt ellenorizni kellett
Sérül, bár kicsit: Cronin és Fitch, 1964⇒Nobel-díj, 1980
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 11. fólia – p. 11/35
CPT -invarianciaA térelmélet alaptétele:
CPT |p(r, t)> = |p(−r,−t)> ∼ |p(r, t)>
azaz szabad antirészecske ∼ részecske,amely téridoben visszafelé mozog.
e−
e+
γ
γ
CPT sérülése sértené:
a kölcsönhatások lokalitását azaz a kauzalitást, vagy
unitaritást, az anyag, információ, ... megmaradását,
vagy a Lorentz-invarianciát.
Elmélet általában: CPT nem sérül
De miért nincsenek antianyag-galaxisok? AzOsrobbanáskor egyformán kellett keletkezniük
Vannak CPT–sérto modellek ⇒ ellenorizni
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 12. fólia – p. 12/35
Részecske = – antirészecske ?[m(K0)−m(K
0)]/m(atlag) < 10−18
proton ∼ antiproton? (m, q, µ összehasonlítása)
hidrogén ∼ antihidrogén? (2S − 1S)Kétfotonos bomlás ⇒ hosszú élettartam ⇒ keskeny vonal
Kétfotonosspektroszkópiahideg atomon
⇓
ellentétesirányú lézerek
⇓
homozgásihatás
kiküszöbölve
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 13. fólia – p. 13/35
Az elso 9H-atom: LEAR, 1996
W ∼ 10−19
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 14. fólia – p. 14/35
A CERN gyorsítóima
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 15. fólia – p. 15/35
A CERN és környéke
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 16. fólia – p. 16/35
A CERN antiproton–lassítója (AD)a CPT–invariancia ellenorzésére épült
Három CPT–kísérlet az AD-nál:
ATRAP: H(2S − 1S) ↔ H(2S − 1S)ALPHA: H(2S − 1S) ↔ H(2S − 1S)ASACUSA: q(p)2m(p) ↔ q(p)2m(p)
µℓ(p) ↔ µℓ(p)
H finomszerkezete
Vörös: muködik, zöld: tervben
ASACUSA: Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow AntiprotonsTokió, Aarhus, Bécs, Brescia, Budapest, Debrecen, München
Barna Dániel, Juhász Bertalan, Sótér Anna, Tokési Károly,Zalán Péter, Horváth Dezso
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 17. fólia – p. 17/35
Antihidrogén-spektroszkópiához
Antiprotonok lelassítása
Antiprotonok csapdázása, hutése
Lassú pozitronok eloállítása (22Na)
Pozitronok csapdázása, hutése
Összehozni oket közös csapdában
Rekombináció → antihidrogén
Antihidrogén-atomok csapdázása
Antihidrogén-atomok legerjesztése (ido!)jelen
Antihidrogén-atomok hutése
Lézer-spektroszkópia antihidrogénen Jövo
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 18. fólia – p. 18/35
Hideg antihidrogén: ATHENA, 2002
Az ATHENA-kísérlet felépítéseés egy megfigyelt
H-annihiláció a csapdamaradékgázán
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 19. fólia – p. 19/35
ALPHA-kísérlet: antihidrogén tárolása
107 p ⊗ 7 · 108 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.
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 20. fólia – p. 20/35
Antihidrogén-nyalábASACUSA: MUSASHI
MonoenergeticUltraSlowAntiprotonSource forHigh–precisionInvestigations
5.8 MeV p AD ⇒ RFQ
100 keV p RFQ ⇒ csapda (2001)
> 106 p csapdában hutve (2002)
∼ 350000 lassú p kivezetve (2004)
Csapdázott p összenyomva (2008)(5× 105 p, E = 0.3 eV, R = 0.25 mm)
H-nyaláb: ASACUSA, 2010Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 21. fólia – p. 21/35
SpektroszkópiaH-nyalábon
p e
antiproton and positronTrap / R ecombination
S extupole I
MicrowaveC avity
S extupole II
AntihydrogenDetector
+
H-nyaláb röptetése: polarizátor, rezonátor, analizátorAnalógia: polarizált fény
R.S. Hayano, M. Hori, D. Horváth, E. Widmann, Rep. Progr. Phys. 70 (2007) 1995.
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 22. fólia – p. 22/35
Eddig tartott a fizika
Szép a tudomány, de lehet mindezt valamire használni?
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 23. fólia – p. 23/35
Az antianyag alkalmazásai?
Pozitron-emissziós tomográfia (PET): igen!
AD: Antiproton Cell Experiment (ACE):rákterápia antiprotonokkal?
Rakéta-hajtóanyag???
Antianyag-bomba ...
Valóság — álom — fantazmagória — marhaság
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 24. fólia – p. 24/35
Pozitron-emissziós tomográfia (PET)
Metabolizmus vizsgálataMagyarországon úttöro: Debrecen
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 25. fólia – p. 25/35
Antiproton Cell Experiment (ACE)Rákterápia-kutatás a CERN Antiproton-lassítójánál
Elony: Az antiprotonok az energiájuk legnagyobb részétigen kis térfogatban helyezik el. Az energiamegválasztásával a tumor jól behatárolható.
Hátrány: az antiproton nagyon drága,az annihilációs sugárzás is terhel.
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 26. fólia – p. 26/35
Rakéta-hajtóanyag???Star Trek ⇒ Positronics Research LLC (NASA!)
Antianyag-tároló megvan (?)
2001: Mars-rakéta antiprotonokkal
2009: Mars-rakéta pozitron-reaktorral(kisebb sugárterhelés)
http://www.nasa.gov/exploration/home/antimatter_spaceship.htmlHorváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 27. fólia – p. 27/35
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 fohos, szerencsére, megakadályozza.
A CERN a könyvnek honlapot nyitott, amely közölte:
A CERN valóban létezik, megépítette a világ
legnagyobb részecskegyorsítóját
(LHC, 27 km-es gyuru, 100 m-rel föld alatt).
Teljesen nyitott intézmény, nincsenek titkos
laboratóriumai és semmi baja a Vatikánnal.
Eloállít antihidrogén-atomokat (nehezebb atomo-
kat nem tud) az Antiproton-lassítónál (és nem az
LHC-ban), tisztán tudományos célra, mikroszkó-
pikus mennyiségben: az nem hordozható és nem
alkalmas bombakészítésre.Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 28. fólia – p. 28/35
Angyalok és démonok: a film, 2009A CERN vezetoi meghívták a film készítoit és felajánlották a
CERN-t helyszínnek a film elejére. Azok mindentlefényképeztek, azután felépítették Los Angelesben az LHC
hasonmását, és ott forgattak.
Tom Hanks az LHC ATLAS kísérleténélHorváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 29. fólia – p. 29/35
Angyalok és démonoka CERN-benCERN-honlap és
-kiállítás a filmnek:2009
Sony Pictureshozzájárult, csak azt
kérte, nehangsúlyozzuk,
mekkora badarságtudományosan
USA: fizikusokeloadókörútja a filmrol
Európa nemigencsinálta, Magyarország
sem
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 30. fólia – p. 30/35
Angyalok és démonok: a kiállítás
Tom Hanks, Ayelet Zurer és Ron Howard a CERN kiállítóterme elott,ahol éppen megnyílt az Angels & Demons kiállítás
CERN: The Globe of Science and InnovationEXPO 2002: A fenntartható fejlodés svájci faépülete
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 31. fólia – p. 31/35
Angyalok és démonok: a kiállítás
A CERN kiállítása a Globe-banHorváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 32. fólia – p. 32/35
Antianyag eloállítása: az AD céltárgya
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 33. fólia – p. 33/35
A CERN kiállítása: antianyag-tároló
A film antianyag-csapdájaa kiállításon
Az ASACUSA-kísérlet3-tonnás
antiproton-csapdája aCERN-ben
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 34. fólia – p. 34/35
Köszönöm a figyelmet!
Az Angyalok & Démonok 4-percesfilmrészlete az LHC-rol
Horváth Dezso: Antianyag Berzsenyi gimn, 2013. nonap 35. fólia – p. 35/35
top related