एंटीहाइड्रोजन

एंटीहाइड्रोजन () हाइड्रोजन का प्रतिपदार्थ प्रतिरूप है। जबकि सामान्य हाइड्रोजन परमाणु एक इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन से बना होता है, एंटीहाइड्रोजेन परमाणु एक पॉज़िट्रॉन और एंटीप्रोटोन से बना होता है। वैज्ञानिकों को आशा है कि एंटीहाइड्रोजन का अध्ययन इस सवाल पर प्रकाश डाल सकता है कि प्रेक्षण योग्य ब्रह्मांड में एंटीमैटर की तुलना में अधिक पदार्थ क्यों हैं, जिसे बैरियन विषमता समस्या के रूप में जाना जाता है। कण त्वरक में कृत्रिम रूप से एंटीहाइड्रोजन का उत्पादन किया जाता है।

प्रायोगिक इतिहास
त्वरक ने पहली बार 1990 के दशक में गर्म एंटीहाइड्रोजन का पता लगाया था। एथेना ने 2002 में ठंडे का अध्ययन किया था। इसे पहली बार 2010 में सर्न में एंटीहाइड्रोजेन लेजर फिजिक्स अप्लायन्सेज (अल्फा) संगठन द्वारा फंसाया गया था। जिसने तब संरचना और अन्य महत्वपूर्ण गुणों को मापा था। अल्फा, एईजीआईएस, और जीबीएआर ने  परमाणु को और अधिक ठंडा करने और उनका अध्ययन करने की योजना बनाई है।

1s–2s संक्रमण माप
2016 में, अल्फा प्रयोग ने एंटीहाइड्रोजन 1s-2s के दो निम्नतम ऊर्जा स्तरों के बीच परमाणु इलेक्ट्रॉन संक्रमण को मापा था। परिणाम, जो प्रयोगात्मक संकल्प के अंदर हाइड्रोजन के समान हैं, पदार्थ-एंटीमैटर समरूपता और सीपीटी समरूपता के विचार का समर्थन करते हैं।

एक चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में 1s-2s संक्रमण थोड़ा अलग आवृत्तियों के साथ दो अतिसूक्ष्म संरचना संक्रमणों में विभाजित हो जाता है। टीम ने सामान्य हाइड्रोजन के लिए चुंबकीय क्षेत्र के अनुसार परिसीमन मात्रा में संक्रमण आवृत्तियों की गणना की:


 * fdd = $2,466,061,103,064 kHz$
 * fcc = $2,466,061,707,104 kHz$

s अवस्थाओं के बीच एक एकल-फोटॉन संक्रमण क्वांटम चयन नियमों द्वारा निषिद्ध है, इसलिए ग्राउंड स्टेट पॉज़िट्रॉन को 2s स्तर तक बढ़ाने के लिए, परिसीमन स्थान को गणना की गई संक्रमण आवृत्तियों के आधे पर लेज़र द्वारा प्रकाशित किया गया था, जिससे दो फोटॉन अवशोषण की अनुमति मिली थी।

2s अवस्था से उत्साहित एंटीहाइड्रोजेन परमाणु तब कई विधियों में से एक में विकसित हो सकते हैं:


 * वे दो फोटॉन उत्सर्जित कर सकते हैं और सीधे जमीनी स्थिति में वापस आ सकते हैं
 * वे दूसरे फोटॉन को अवशोषित कर सकते हैं, जो परमाणु को आयनित करता है
 * वे एक एकल फोटॉन उत्सर्जित कर सकते हैं और 2p स्थिति के माध्यम से जमीनी स्थिति में वापस आ सकते हैं—इस स्थिति में पॉज़िट्रॉन स्पिन फ़्लिप कर सकता है या समान रह सकता है।

आयनीकरण और स्पिन-फ्लिप दोनों परिणाम परमाणु को बंधन से बचने का कारण बनते हैं। टीम ने गणना की कि, एंटीहाइड्रोजन सामान्य हाइड्रोजन की तरह व्यवहार करता है, नो-लेजर स्थिति की तुलना में लगभग आधे एंटीहाइड्रोजेन परमाणु अनुनाद आवृत्ति एक्सपोजर के समय खो जाएंगे। लेज़र स्रोत के साथ 200 kHz को आधी ट्रांज़िशन फ़्रीक्वेंसी से नीचे ट्यून किया गया, परिकलित हानि अनिवार्य रूप से नो-लेज़र केस के समान ही थी।

अल्फा टीम ने एंटीहाइड्रोजन के बैच बनाए, उन्हें 600 सेकंड के लिए रोके रखा और फिर 1.5 सेकंड से अधिक समय तक सीमाबद्ध क्षेत्र को पतला करते हुए गिनती की कि कितने एंटीहाइड्रोजेन परमाणुओं का सत्यानाश हो गया। उन्होंने तीन अलग-अलग प्रायोगिक स्थितियों के अनुसार ऐसा किया:


 * अनुनाद: - दो संक्रमणों में से प्रत्येक के लिए 300 सेकंड के लिए संक्रमण आवृत्ति के बिल्कुल आधे पर ट्यून किए गए एक लेजर स्रोत के लिए सीमित एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को प्रकाशित करना,
 * ऑफ-रेजोनेंस: - 300 सेकंड के लिए दो अनुनाद आवृत्तियों के नीचे 200 किलोहर्ट्ज़ ट्यून किए गए एक लेजर स्रोत के लिए सीमित एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को प्रकाशित करना,
 * नो-लेज़र: - बिना किसी लेज़र रोशनी के एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को सीमित करना।

दो नियंत्रण, ऑफ-रेजोनेंस और नो-लेजर, यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक थे कि लेजर रोशनी स्वयं विनाश का कारण नहीं बन रही थी, संभवतः सामान्य परमाणुओं को सीमाबद्ध पोत की सतह से मुक्त करके जो तब एंटीहाइड्रोजेन के साथ संयोजन कर सकते थे।

टीम ने तीन स्थितियों में से 11 रन बनाए और ऑफ़-रेजोनेंस और कोई लेज़र रन के बीच सांख्यिकीय रूप से कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं पाया, लेकिन रेज़ोनेंस चलने के बाद घटनाओं की संख्या में 58% की गिरावट देखी गई। वे रनों के समय सर्वनाश की घटनाओं को गिनने में भी सक्षम थे और प्रतिध्वनि रन के समय एक उच्च स्तर पाया, फिर से ऑफ-रेजोनेंस और कोई लेजर रन के बीच कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं था। परिणाम सामान्य हाइड्रोजन पर आधारित भविष्यवाणियों के साथ अच्छे समझौते में थे और 200 पीपीटी की सटीकता पर सीपीटी समरूपता के परीक्षण के रूप में व्याख्या की जा सकती है।

विशेषताएं
कण भौतिकी का सीपीटी प्रमेय भविष्यवाणी करता है कि एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं में कई विशेषताएं होती हैं नियमित हाइड्रोजन में समान द्रव्यमान, चुंबकीय क्षण, और परमाणु अवस्था संक्रमण आवृत्तियां (परमाणु स्पेक्ट्रोस्कोपी देखें) होती हैं। उदाहरण के लिए, उत्साहित एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं से नियमित हाइड्रोजन के समान रंग चमकने की आशा की जाती है। एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को अन्य पदार्थ या एंटीमैटर गुरुत्वाकर्षण से उसी परिमाण के बल के साथ आकर्षित किया जाना चाहिए जो सामान्य हाइड्रोजन परमाणु अनुभव करते हैं। यह सत्य नहीं होगा यदि एंटीमैटर में ऋणात्मक गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान होता है, जिसे अत्यधिक संभावना नहीं माना जाता है, चूंकि अभी तक अनुभवजन्य रूप से अप्रमाणित नहीं है (एंटीमैटर की गुरुत्वाकर्षण बातचीत देखें)। पदार्थ और एंटीमैटर के बीच ऋणात्मक द्रव्यमान और प्रतिकर्षण गुरुत्वाकर्षण (एंटीग्रेविटी) के लिए नवीनतम सैद्धांतिक रूपरेखा विकसित की गई है, और सिद्धांत सीपीटी प्रमेय के अनुकूल है।

जब एंटीहाइड्रोजन सामान्य पदार्थ के संपर्क में आता है, तो इसके घटक जल्दी नष्ट हो जाते हैं। गामा किरणों का उत्पादन करने के लिए पॉज़िट्रॉन एक इलेक्ट्रॉन से विलोपित होता है। दूसरी ओर, एंटीप्रोटोन, एंटीक्वार्क से बना होता है, जो न्यूट्रॉन या प्रोटॉन में क्वार्क के साथ जुड़ता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च-ऊर्जा वाले पियोन होते हैं, जो म्यूऑन,  न्युट्रीनो, पॉज़िट्रॉन और इलेक्ट्रॉनों में जल्दी से क्षय हो जाते हैं। यदि एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को पूर्ण निर्वात  में निलंबित कर दिया गया था, तो उन्हें अनिश्चित काल तक जीवित रहना चाहिए।

एक विरोधी तत्व के रूप में, इसमें हाइड्रोजन के समान गुण होने की आशा है। उदाहरण के लिए, एंटीहाइड्रोजन मानक परिस्थितियों में एक गैस होगी और एंटीऑक्सीजन के साथ मिलकर एंटीवाटर 2 बनाती है।

उत्पादन
पहला एंटीहाइड्रोजन 1995 में सर्न में वाल्टर ओलेर्ट के नेतृत्व में एक टीम द्वारा तैयार किया गया था जो पहले चार्ल्स मुंगेर जूनियर, स्टेनली ब्रॉडस्की और इवान श्मिट एंड्रेड द्वारा प्रस्तावित एक विधि का उपयोग कर रहा था।

कम ऊर्जा एंटीप्रोटोन रिंग में, एक कण त्वरक से एंटीप्रोटोन को इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़े बनाने वाले जीनॉन क्लस्टर (भौतिकी) पर शूट किया गया था, । एंटीप्रोटोन $$ की संभावना के साथ पॉज़िट्रॉन को कैप्चर सकते हैं, इसलिए यह विधि पर्याप्त उत्पादन के लिए उपयुक्त नहीं है, जैसा कि गणना की गई है। फर्मिलैब  ने क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स की भविष्यवाणियों के साथ समझौता कुछ अलग क्रॉस सेक्शन मापा था।  दोनों अत्यधिक ऊर्जावान, या गर्म, विरोधी परमाणु, विस्तृत अध्ययन के लिए अनुपयुक्त थे।

इसके बाद, सीईआरएन ने मौलिक समरूपता के परीक्षणों के लिए, कम ऊर्जा वाले एंटीहाइड्रोजन की दिशा में प्रयासों का समर्थन करने के लिए एंटीप्रोटोन डिसेलेरेटर (एडी) का निर्माण किया था। एडी कई सर्न समूहों को आपूर्ति करेगा। सीईआरएन को आशा है कि उनकी सुविधाएं प्रति मिनट 10 मिलियन एंटीप्रोटोन का उत्पादन करने में सक्षम होंगी।

कम-ऊर्जा एंटीहाइड्रोजन
सीईआरएन में एटीआरएपी और एथेना सहयोग द्वारा किए गए प्रयोग पेनिंग ट्रैप में पॉजिट्रॉन और एंटीप्रोटोन को एक साथ लाए, जिसके परिणामस्वरूप प्रति सेकंड 100 एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं की विशिष्ट दर से संश्लेषण होता है। 2002 में एथेना द्वारा पहली बार एंटीहाइड्रोजन का उत्पादन किया गया था, और फिर एटीआरएपी द्वारा और 2004 तक, लाखों एंटीहाइड्रोजन परमाणु बनाए जा चुके थे। संश्लेषित परमाणुओं का अपेक्षाकृत उच्च तापमान (कुछ हज़ार केल्विन) था, और परिणामस्वरूप प्रायोगिक उपकरण की दीवारों से टकराएगा और नष्ट हो जाएगा। अधिकांश सटीक परीक्षणों के लिए लंबे अवलोकन समय की आवश्यकता होती है।

अल्फा, एथेना सहयोग के उत्तराधिकारी, का गठन एंटीहाइड्रोजन को स्थिर रूप से फंसाने के लिए किया गया था। विद्युत रूप से तटस्थ रहते हुए, इसके घूर्णन चुंबकीय क्षण एक विषम चुंबकीय क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करते हैं; कुछ परमाणु एक चुंबकीय न्यूनतम की ओर आकर्षित होंगे, जो दर्पण और बहुध्रुव क्षेत्रों के संयोजन द्वारा निर्मित होता है।

नवंबर 2010 में अल्फा सहयोग ने घोषणा की कि उन्होंने 38 एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को तटस्थ एंटीमैटर के पहले सीमाबद्ध के एक सेकंड के छठे हिस्से के लिए फँसाया था। जून 2011 में, उन्होंने 309 एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को, एक साथ 3 तक, 1,000 सेकंड तक फँसाया था। फिर उन्होंने इसकी अतिसूक्ष्म संरचना, गुरुत्व प्रभाव और आवेश का अध्ययन किया था। अल्फा, एटीआरएपी, एजिस और जीबीएआर प्रयोगों के साथ माप जारी रखेगा।

बड़ा एंटीमैटर परमाणु
बड़े एंटीमैटर परमाणु जैसे एंटीड्यूटेरियम, एंटीट्राइटियम , और एंटीहीलियम का उत्पादन करना अधिक कठिन होता है। एंटीड्यूटेरियम,  एंटीहीलियम-3 (3helium)  और एंटीहीलियम-4 (4helium) नाभिक इतने उच्च वेग के साथ उत्पादित किए गए हैं कि उनके संबंधित परमाणुओं के संश्लेषण में कई तकनीकी बाधाएँ आती हैं।

यह भी देखें

 * एंटीमैटर की गुरुत्वाकर्षण बातचीत