Antyproton - Antiproton

Antyproton
Struktura kwarka antiproton.svg
Zawartość kwarków w antyprotonie.
Klasyfikacja Antibaryon
Kompozycja 2 antykwarki w górę , 1 antykwark w dół
Statystyka Fermionic
Interakcje Silny , słaby , elektromagnetyczny , grawitacyjny
Status Odkryty
Symbol
p
Antycząstka Proton
Odkryty Emilio Segrè & Owen Chamberlain (1955)
Masa 938,272 0813 (58)  MeV / c 2
Ładunek elektryczny −1  e
Moment magnetyczny -2,792 847 3441 (42)  μ N
Obracać 1 2
Isospin -1 / 2

Antyprotonu ,
p
(Widoczny s bar ) jest antycząstka z protonu . Antyprotony są stabilne, ale są one zazwyczaj krótkotrwałe, ponieważ każde zderzenie z protonem spowoduje unicestwienie obu cząstek w przypływie energii.

Istnienie antyprotonu z ładunkiem elektrycznym -1, w przeciwieństwie do ładunku elektrycznego +1 protonu, przewidział Paul Dirac w swoim wykładzie z 1933 r. Z Nagrodą Nobla. Diraca otrzymane Nagrodą Nobla w jego 1928 publikacji jego równania Diraca , że przewidywana istnienie dodatnich i ujemnych roztworów do Einsteina równania energii „S ( ) i istnienie pozytonów , analog antymaterii elektronu, o przeciwnym ładunku i wirowania.

Antyproton został po raz pierwszy potwierdzony eksperymentalnie w 1955 roku w akceleratorze cząstek Bevatron przez fizyków z Uniwersytetu Kalifornijskiego, Emilio Segrè i Owena Chamberlaina z Berkeley , za co w 1959 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .

Pod względem kwarków walencyjnych , antyproton składa się z dwóch antykwarków górnych i jednego antykwarka dolnego (
u

u

re
). Wszystkie zmierzone właściwości antyprotonu odpowiadają odpowiednim właściwościom protonu, z wyjątkiem tego, że antyproton ma ładunek elektryczny i moment magnetyczny, które są przeciwieństwami właściwości protonu. Pytanie o to, czym różni się materia od antymaterii i znaczenie antymaterii w wyjaśnianiu, w jaki sposób nasz wszechświat przetrwał Wielki Wybuch , pozostają problemami otwartymi - częściowo otwartymi ze względu na względny niedobór antymaterii w dzisiejszym wszechświecie.

Występowanie w przyrodzie

Antyprotony są wykrywane w promieniowaniu kosmicznym od ponad 25 lat, najpierw (1993) w eksperymentach z balonami, a ostatnio przez detektory satelitarne. Standardowy obraz ich obecności w promieniowaniu kosmicznym jest taki, że powstają w zderzeniach protonów promieniowania kosmicznego z jądrami w ośrodku międzygwiazdowym , w wyniku reakcji, w której A reprezentuje jądro:


p
+ A →
p
+
p
+
p
+ A

Wtórne antyprotony (
p
) następnie rozprzestrzeniają się w galaktyce , ograniczonej przez galaktyczne pola magnetyczne . Ich widmo energetyczne jest modyfikowane przez zderzenia z innymi atomami w ośrodku międzygwiazdowym, a antyprotony mogą również zostać utracone przez „wyciek” z galaktyki.

Widmo energii promieniowania kosmicznego antyprotonu jest teraz mierzone wiarygodnie i jest zgodne z tym standardowym obrazem produkcji antyprotonów w wyniku zderzeń promieniowania kosmicznego. Te eksperymentalne pomiary wyznaczają górne limity liczby antyprotonów, które mogą być wytwarzane w egzotyczny sposób, na przykład w wyniku anihilacji supersymetrycznych cząstek ciemnej materii w galaktyce lub z promieniowania Hawkinga spowodowanego parowaniem pierwotnych czarnych dziur . Zapewnia to również dolną granicę żywotności antyprotonu wynoszącą około 1–10 milionów lat. Ponieważ galaktyczny czas przechowywania antyprotonów wynosi około 10 milionów lat, czas trwania wewnętrznego rozpadu modyfikowałby czas przebywania galaktyki i zniekształcał widmo antyprotonów promieniowania kosmicznego. Jest to znacznie bardziej rygorystyczne niż najlepsze laboratoryjne pomiary czasu życia antyprotonu:

Symetria CPT przewiduje, że wielkość właściwości antyprotonu jest dokładnie powiązana z właściwościami protonu. W szczególności symetria CPT przewiduje, że masa i czas życia antyprotonu będą takie same jak protonu, a ładunek elektryczny i moment magnetyczny antyprotonu będą miały przeciwny znak i będą miały taką samą wielkość jak proton. Symetria CPT jest podstawową konsekwencją kwantowej teorii pola i nigdy nie wykryto jej naruszenia.

Lista ostatnich eksperymentów z wykrywaniem promieniowania kosmicznego

  • BESS : eksperyment balonowy, lata 1993, 1995, 1997, 2000, 2002, 2004 (Polar-I) i 2007 (Polar-II).
  • CAPRICE: eksperyment balonowy, oblatany w 1994 i 1998.
  • HEAT: eksperyment balonowy, oblatany w 2000 roku.
  • AMS : eksperyment kosmiczny, prototyp oblatany na promie kosmicznym w 1998 roku, przeznaczony dla Międzynarodowej Stacji Kosmicznej , wystrzelony w maju 2011 roku.
  • PAMELA : eksperyment satelitarny mający na celu wykrycie promieni kosmicznych i antymaterii z kosmosu, uruchomiony w czerwcu 2006 r. Ostatni raport odkrył 28 antyprotonów w Anomalii Południowego Atlantyku .

Współczesne eksperymenty i aplikacje

Akumulator antyprotonowy (w środku) w firmie Fermilab

Produkcja

Antyprotony były rutynowo produkowane w Fermilab na potrzeby fizyki zderzaczy w Tevatronie , gdzie zderzały się z protonami. Zastosowanie antyprotonów pozwala na uzyskanie wyższej średniej energii zderzeń między kwarkami i antykwarkami, niż byłoby to możliwe w zderzeniach proton-proton. Dzieje się tak, ponieważ kwarki walencyjne w protonie i antykwarki walencyjne w antyprotonie mają tendencję do przenoszenia największej części pędu protonu lub antyprotonu .

Tworzenie antyprotonów wymaga energii odpowiadającej temperaturze 10 bilionów K (10 13  K), a nie ma to zwykle miejsca w sposób naturalny. Jednak w CERN protony są przyspieszane w synchrotronie protonowym do energii 26 G eV, a następnie rozbijane w pręcik irydowy . Protony odbijają się od jąder irydu z energią wystarczającą do wytworzenia materii . Tworzy się szereg cząstek i antycząstek, a antyprotony są oddzielane za pomocą magnesów w próżni .

Pomiary

W lipcu 2011 roku eksperyment ASACUSA w CERN określił masę antyprotonu 1 836 .152 6736 (23) razy większa niż elektronów . To tyle samo, co masa protonu, na poziomie pewności eksperymentu.

W październiku 2017 r. Naukowcy pracujący nad eksperymentem BASE w CERN poinformowali o pomiarze momentu magnetycznego antyprotonu z dokładnością do 1,5 części na miliard. Jest to zgodne z najdokładniejszym pomiarem momentu magnetycznego protonu (również wykonanym przez BASE w 2014 r.), Co potwierdza hipotezę o symetrii CPT . Ten pomiar to pierwszy raz, kiedy właściwość antymaterii jest znana dokładniej niż jej odpowiednik w materii.

Możliwe zastosowania

W eksperymentach laboratoryjnych wykazano, że antyprotony mogą leczyć niektóre nowotwory podobną metodą stosowaną obecnie w terapii jonowej (protonowej). Podstawowa różnica między terapią antyprotonową a terapią protonową polega na tym, że po osadzeniu energii jonów antyproton ulega anihilacji, odkładając dodatkową energię w obszarze nowotworowym.

Zobacz też

Bibliografia