Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Okno do antisvěta aneb jak najít a získat antihmotu, budeme ji umět využít? „Náznak další poruchy,“ rychle pronesl Spock. „Výkon energetického zdroje narůstá.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Okno do antisvěta aneb jak najít a získat antihmotu, budeme ji umět využít? „Náznak další poruchy,“ rychle pronesl Spock. „Výkon energetického zdroje narůstá."— Transkript prezentace:

1 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. 6. Závěr. Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, Řež, E_mail: WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/

2 Teoretická předpověď antičástic – Paul Dirac 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 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 m p c 2 = 1,88 GeV. Využití Fermiho pohybu nukleonů v jádře. p + p → p + p + p + anti-p

3 Zkoumání vlastnosti antičástic: Stále výkonnější urychlovače → Produkce antičástic, antijader i antiatomů Rozdíly 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

4 Částice a antičástice Každá částice má „symetrického“ partnera s opačnou hodnotou nábojů kvarky antikvarky leptony elektron, mion, tauon antileptony pozitron, antimion, antitauon hadronyantihadrony baryony antibaryony mezony antimezony jádraantijádra atomyantiatomy hmota antihmota proton, neutron … pí mezony, K mezony …antiproton, antineutron … pí mezony, K mezony … hvězdyantihvězdy ??? světantisvět ??? Pozor na anihilaci !! Hmota a antihmota může tvořit i metastabilní útvar

5 & 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 GeV

6 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 inverze Rozlišení antisvěta v zrcadle od našeho světa (hmotnost, doba života, spin, velikost náboje, magnetického momentu...)

7 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 = mc 2 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

8 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) akumulační prstenec ISR v CERNu (Ženeva) Existence antihelia by byla důkazem antihvězd

9 Let STS 1991 v červnu 1998 J. L. Kavandi F. R. Chang-Diaz Spektrometr AMS-01 Studium prvkového složení, hledání antijader nenalezeno ani antihelium Hledání těžších antijader a antihmoty ve vesmíru Spektrometr a raketoplán Discovery Nový spektrometr AMS-02: supravodivý magnet 0,8 T, několik let na ISS - zdržení Známkou existence antihmoty je i anihilace na místech rozhraní mezi hmotou a antihmotou → produkce záření gama nic takového nepozorováno

10 Produkce antijader Srážky těžkých jader → velmi vysoká teplota a hustota. Dostatek energie → vytváření páru částice antičástice Hodně antiprotonů a antineutronů → možnost slepení jednotlivých antinukleonů → vytvoření antijader Pozorovány antideuterony, antitritony a anti 3 He Experiment NA52 v CERNu. Poměr mezi antideuterony a antiprotony 3 : 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

11 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 ) Princip přípravy antivodíku v experimentu s rychlými antiprotony První antivodík připraven v CERN v r (experiment PS210) Pouze 9 atomů Opakování FERMILAB – 100 atomů Identifikace: Antivodík – neutrální Pozitron - anihilace Antiproton – změřením poměru hmotnosti a náboje Magnet odklánějící antiprotony

12 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 22 Na jsou zpomaleny ve druhé pasti Ve třetí pasti se antiprotony a pozitrony smíchají Neutrální antivodík z ní vyletí a na stěnách anihiluje Rok ATHENA produkuje prvních antivodíků Experiment ATHENA v CERNu pro produkci antivodíku a detekci jeho anihilace

13 Zlepšování produkce, pochopení mechanismu vzniku,... 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 antivodíku Nutnost ochlazení antivodíku na teplotu 15 mK Chladící zařízení projektu ALPHA Velmi precizní spektroskopie mezi základním a prvním vzbuzeným stavem ( ) Velmi přesný test CPT symetrie Základem je zpomalovač antiprotonů

14 Vázané systémy částice a antičástice Protonium – vázaný systém protonu a antiprotonu Antiprotonový vodík – vodíková molekula H 2 + 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 -8 s) Molekuly pozitronia – vázaný systém dvou pozitronií – vznik v pórech porézního křemíku Možná 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

15 K+K+ ππ K0K0 π0π0 π+π+ ππ π0π0 π0π0 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 Anihilace vázaných systémů mezonu a antimezonu Přesnost měření rovnosti setrvačné hmotnosti protonu a antiprotonu až 9 platných cifer

16 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 → výroba antivodíku Porovnávání vlastností (rozpadů) částic a antičástic Produkce antiprotonu (zdroj CERN) Výroba antivodíku (zdroj CERN)

17 K čemu antihmota? V současné realitě: pozitronová emisní tomografie Radioaktivní izotopy s pozitronovým rozpadem → anihilace pozitronu v klidu → vznik dvou 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 ( 10 C, 11 C) 3) Určení prokrvené a neprokrvené části 4) Určení toho, která část mozku zrovna pracuje Testy využití anihilace antiprotonů při ozařování nádorů

18 Anihilace – přeměna klidové energie na fotony (energii) → antihmota – nejúčinnější zdroj energie – vysoký specifický impuls Ekvivalent pohonu raketoplánu – ~ 100 mg antihmoty Účinnost výroby antiprotonů (nyní) – 10 5 protonů (E p =120 GeV) na jeden antiproton → 1,2∙10 7 GeV/antiproton → 1,16∙10 21 J/g. Efektivita 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

19 Projekty - zatím jen na papíře Mikrofúze inicializovaná lasery, antihmotou Projekt fúzně poháněné sondy využívající pro inicializaci antiprotony skladované v magnetickém prstenci. Nejpropracovanější projekt Pensylvánské university – ICAN-II využívaly by se reakce deuteria a tritia inicializované antiprotony

20 Možnosti a problémy k řešení Hlavní 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

21 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) n b /n γ = 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

22 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


Stáhnout ppt "Okno do antisvěta aneb jak najít a získat antihmotu, budeme ji umět využít? „Náznak další poruchy,“ rychle pronesl Spock. „Výkon energetického zdroje narůstá."

Podobné prezentace


Reklamy Google