Поиск публикаций  |  Научные конференции и семинары  |  Новости науки  |  Научная сеть
Новости науки - Комментарии ученых и экспертов, мнения, научные блоги
Реклама на проекте

Сборка атома из рассыпных деталей: Интермедия

Пятница, 09 Март, 16:03, antihydrogen.livejournal.com
Свершилось - на установке ALPHA впервые было измерена частота перехода между уровнями атома антиводорода! Правда, это переход не между теми уровнями, о которых первоначально мечтали (и все еще мечтают), и к конечной цели - выявления различий в спектре атомов водорода и антиводорода (если они есть) этот успех только приблизил.

Англоязычные визуалы могут посмотреть видео.


Эксперимент основывался на самом методе удержания антиатома в магнитной ловушке. Атом электрически нейтрален, но у него есть магнитный момент (то есть атом ведет себя как крошечный магнитик с двумя полюсами), поскольку магнитный момент есть у входящего в его состав позитрона (у антипротона магнитный момент тоже есть, но на три порядка меньший, так что как бы он не был ориентирован - позитронный он не компенсирует). Если магнитный момент позитрона направлен против магнитного поля ловушки, то атом будет выталкиватся в область более слабого магнитного поля. Ловушка устроена так, что магнитное поле в ее центре меньше, чем у стенок, так что образовавшийся в ней из антипротонно-позитронной плазмы атом будет держатся вблизи центра.

По простому, метод удержания атома аналогичен методу удержания магнитного гроба Магомета из старой легенды, который якобы висел в воздухе за счет отталкивания от одноименного полюса магнита-опоры. Заметим, что легенда о летающем гробе может быть только легендой, поскольку в реальности гроб немедленно перевернулся бы противоположным полюсом к магниту-опоре и рухнул бы на землю, ведь состояние, когда магнитный момент направлен против магнитного поля соответствует максимуму потенциальной энергии, и, соответственно, неустойчиво. То же самое, в общем то, верно и для атома в ловушке, но тут спасают законы квантовой механики: направление магнитного момента позитрона квантовано, он может иметь только две ориентации - по и против магнитного поля, и не может иметь никаких промежуточных ориентаций, так что атом не может плавно развернутся в энергетически выгодное состояние, он может сделать это только скачком, избавившись от лишней энергии путем испускания фотона.

Эксперимент как раз и состоял в принудительном переворачивании магнитного момента позитрона в атоме при помощи микроволнового излучения.  Перевернутый атом, вместо того чтобы выталкиваться из магнитного поля, начинает в него втягиваться и самоубийственно устремляется в область наивысшего поля, т.е. к обмоткам электромагнита. В результате он врезается в стенку ловушки, аннигилирует, а экспериментаторы злобно хихикая регистрируют это. Переворачивание атома возможно только когда частота микроволнового излучения совпадает с разностью энергий атома в состояниях со спином позитрона повернутым вдоль и против магнитного поля, так что эту разность можно найти, запуская внутрь ловушки излучение с разной частотой, и смотря, долго ли после этого продержатся в ловушке атомы.

Для свободного позитрона эта разность зависит только от силы магнитного поля, так что никакой полезной информации об атоме нельзя бы было получить, если бы небольшого магнитного момента не было и у антипротона. Из за взаимодействия магнитных полей антипротона и позитрона основной уровень атома водорода расщепляется на два близких подуровня: когда спины антипротона и позитрона противонаправлены - энергия атома чуть меньше, чем когда они сонаправлены. Длину волны излучения, излучающегося при переходе между этими подуровнями в отсутствии магнитного поля (21 см), по мнению астрономов должны наизусть знать даже самые тупые инопланетяне, именно эта длина волны использовалась в качестве единицы длины измерения на пластинках "Вояджеров".

В присутствии магнитного поля схема энергетических уровней выглядит так:
Диаграмма уровней
Две красненькие прямые соответствуют случаю, когда магнитный момент позитрона направлен против внешнего магнитного поля, и, соответственно, отличаются ориентацией магнитного момента антипротона. Синенькие прямые соответствуют случаям, когда магнитный момент позитрона сонаправлен магнитному полю, так что атом, попав в такие состояния, немедленно выпадает из ловушки.

Пока что экспериментаторами наблюдён сам факт выпадания атомов из ловушки под действием радиоизлучения с соотвествующей частотой. В перспективе, набрав статистику, они собираются точно определить разность между частотами двух переходов, которая вне зависимости от силы магнитного поля должна быть постоянной, равной разности энергий подуровней в отсутствии магнитного поля (для водорода эта разность = 1420 МГц, что соответствует уже помянутой длине волны 21 см). А из этой разности можно будет вычислить точное значение магнитного момента антипротона (на сегодняшний день оно известно с точностью 0.2%, в то время как для протона магнитный момент измерен с точностью 0.000001%).

А в еще более отдаленной перспективе экспериментаторы таки планируют запустить внутрь ловушки лазерное излучение и измерить частоту перехода 1s->2p, как изначально и собирались 15ть лет назад...

Читать полную новость с источника 

Комментарии (0)