एंटीहाइड्रोजन

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एंटीहाइड्रोजेन में एक उपाध्यक्ष और एक पॉज़िट्रॉन होता है
Antimatter
A Feynman diagram showing the annihilation of an electron and a positron (antielectron), creating a photon that later decays into an new electron–positron pair.
Antiparticles

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एंटीहाइड्रोजन (
H
) हाइड्रोजन का प्रतिपदार्थ प्रतिरूप है। जबकि आम हाइड्रोजन परमाणु एक इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन से बना होता है, एंटीहाइड्रोजेन परमाणु एक पॉज़िट्रॉन और एंटीप्रोटोन से बना होता है। वैज्ञानिकों को उम्मीद है कि एंटीहाइड्रोजन का अध्ययन इस सवाल पर प्रकाश डाल सकता है कि प्रेक्षण योग्य ब्रह्मांड में [[ antimatter ]] की तुलना में अधिक पदार्थ क्यों हैं, जिसे बैरियन विषमता समस्या के रूप में जाना जाता है।[1] 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। ATHENA ने ठंड का अध्ययन किया
H
 2002 में। इसे पहली बार CERN में एंटीहाइड्रोजेन लेजर फिजिक्स अप्लायन्सेज (ALPHA सहयोग) टीम द्वारा फंसाया गया था।[2][3] 2010 में, जिसने फिर संरचना और अन्य महत्वपूर्ण गुणों को मापा।[4] ALPHA, AEGIS, और GBAR ने और अधिक ठंडा करने और अध्ययन करने की योजना बनाई है
H
 परमाणु।

1s–2s संक्रमण माप

2016 में, Antiproton Decelerator#ALPHA प्रयोग ने एंटीहाइड्रोजन के दो सबसे कम ऊर्जा स्तरों, 1s-2s के बीच परमाणु इलेक्ट्रॉन संक्रमण को मापा। परिणाम, जो प्रयोगात्मक संकल्प के भीतर हाइड्रोजन के समान हैं, पदार्थ-एंटीमैटर समरूपता और सीपीटी समरूपता के विचार का समर्थन करते हैं।[5] 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 तहत परिसीमन मात्रा में संक्रमण आवृत्तियों की गणना की:

एफdd = 2466061103064(2) kHz
एफcc = 2466061707104(2) kHz

एस राज्यों 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।

2s अवस्था से उत्साहित एंटीहाइड्रोजेन परमाणु तब कई तरीकों 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 मामले 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 मामले की तुलना में लगभग आधे एंटीहाइड्रोजेन परमाणु अनुनाद आवृत्ति एक्सपोजर के दौरान 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।

ALPHA टीम ने एंटीहाइड्रोजन के बैच बनाए, उन्हें 600 सेकंड के लिए रोके रखा और फिर 1.5 सेकंड से अधिक समय तक कारावास क्षेत्र को पतला करते हुए गिनती की कि कितने एंटीहाइड्रोजेन परमाणुओं का सत्यानाश हो गया। उन्होंने तीन अलग-अलग प्रायोगिक स्थितियों के तहत 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 उजागर 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 उजागर 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, शायद सामान्य परमाणुओं को कारावास पोत की सतह से मुक्त करके जो तब एंटीहाइड्रोजेन के साथ संयोजन कर सकते थे।

टीम ने तीन मामलों 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 दौरान सर्वनाश की घटनाओं को गिनने में भी सक्षम थे और प्रतिध्वनि रन के दौरान 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।[6]


विशेषताएं

कण भौतिकी का सीपीटी प्रमेय भविष्यवाणी करता है कि एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं में नियमित हाइड्रोजन की कई विशेषताएँ होती हैं; यानी समान द्रव्यमान, चुंबकीय क्षण और परमाणु अवस्था संक्रमण आवृत्तियां (परमाणु स्पेक्ट्रोस्कोपी देखें)।[7] उदाहरण के लिए, उत्साहित एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं से नियमित हाइड्रोजन के समान रंग चमकने की उम्मीद की जाती है। एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को उसी परिमाण के बल के साथ एंटीमैटर का गुरुत्वाकर्षण संपर्क होना चाहिए जो सामान्य हाइड्रोजन परमाणुओं का अनुभव होता है।[2]यह सच नहीं होगा यदि एंटीमैटर में नकारात्मक गुरुत्वाकर्षण द्रव्यमान होता है, जिसे अत्यधिक संभावना नहीं माना जाता है, हालांकि अभी तक अनुभवजन्य रूप से अप्रमाणित नहीं है (एंटीमैटर की गुरुत्वाकर्षण बातचीत देखें)।[8] पदार्थ और एंटीमैटर के बीच नकारात्मक द्रव्यमान और प्रतिकर्षण गुरुत्वाकर्षण (एंटीग्रेविटी) के लिए हालिया सैद्धांतिक रूपरेखा विकसित की गई है, और सिद्धांत सीपीटी प्रमेय के अनुकूल है।[9] 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 pion होते हैं, जो म्यूऑन, न्युट्रीनो , पॉज़िट्रॉन और इलेक्ट्रॉनों में जल्दी से क्षय हो जाते हैं। यदि एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को मुक्त स्थान 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 उम्मीद है।[10] उदाहरण के लिए, एंटीहाइड्रोजन मानक परिस्थितियों में एक गैस होगी और एंटीऑक्सीजन के साथ मिलकर एंटीवाटर बनाती है,
H
2
O
.

उत्पादन

पहला एंटीहाइड्रोजन 1995 में CERN में वाल्टर ओलेर्ट के नेतृत्व में एक टीम द्वारा तैयार किया गया था[11] चार्ल्स मुंगेर जूनियर, स्टेनली ब्रॉडस्की और इवान श्मिट एंड्रेड द्वारा पहली बार प्रस्तावित एक विधि का उपयोग करना।[12] कम ऊर्जा एंटीप्रोटोन रिंग में, एक कण त्वरक से एंटीप्रोटोन को क्सीनन क्लस्टर (भौतिकी) में शूट किया गया था,[13] इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़े का निर्माण। एंटीप्रोटोन पॉज़िट्रॉन को संभावना के साथ कैप्चर कर सकते हैं 10−19, इसलिए यह विधि पर्याप्त उत्पादन के लिए उपयुक्त नहीं है, जैसा कि गणना की गई है।[14][15][16] फर्मिलैब ने कुछ अलग क्रॉस सेक्शन मापा,[17] क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स की भविष्यवाणियों के साथ समझौता।[18] 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। AD कई CERN समूहों को आपूर्ति करेगा। सीईआरएन को उम्मीद है कि उनकी सुविधाएं प्रति मिनट 10 मिलियन एंटीप्रोटोन का उत्पादन करने में सक्षम होंगी।[19]


कम-ऊर्जा एंटीहाइड्रोजन

सीईआरएन में एटीआरएपी और एथेना सहयोग द्वारा प्रयोग, पेनिंग जाल में पॉजिट्रॉन और एंटीप्रोटोन को एक साथ लाए, जिसके परिणामस्वरूप प्रति सेकेंड 100 एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं की विशिष्ट दर पर संश्लेषण होता है। एंटीहाइड्रोजन पहली बार 2002 में एथेना द्वारा निर्मित किया गया था,[20] और फिर एटीआरएपी द्वारा[21] 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।[19]विद्युत रूप से तटस्थ रहते हुए, इसके स्पिन 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।[22] नवंबर 2010 में, ALPHA सहयोग ने घोषणा की कि उन्होंने 38 एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को सेकंड के छठे हिस्से में कैद कर लिया है,[23] तटस्थ एंटीमैटर का पहला कारावास। जून 2011 में, उन्होंने 309 एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं को, एक साथ 3 तक, 1,000 सेकंड तक फँसाया।[24] फिर उन्होंने इसकी अतिसूक्ष्म संरचना, गुरुत्व प्रभाव और आवेश का अध्ययन किया। ALPHA, ATRAP, AEGIS और GBAR प्रयोगों के साथ माप जारी रखेगा।

बड़ा एंटीमैटर परमाणु

बड़े एंटीमैटर परमाणु जैसे ड्यूटेरियम#एंटीड्यूटेरियम (
D
), एंटीट्राइटियम (
T
), और एंटीहीलियम (
He
) उत्पादन करना अधिक कठिन है। एंटीड्यूटेरियम,[25][26] एंटीहीलियम-3 (3
He
)[27][28] और एंटीहीलियम-4 (4
He
) नाभिक[29] 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

संदर्भ

  1. ↑ BBC News – Antimatter atoms are corralled even longer. Bbc.co.uk. Retrieved on 2011-06-08.
  2. ↑ 2.0 2.1 Reich, Eugenie Samuel (2010). "एंटीमैटर को पूछताछ के लिए रखा गया है". Nature. 468 (7322): 355. Bibcode:2010Natur.468..355R. doi:10.1038/468355a. PMID 21085144.
  3. ↑ eiroforum.org – CERN: Antimatter in the trap Archived February 3, 2014, at the Wayback Machine, December 2011, accessed 2012-06-08
  4. ↑ "पहली बार एंटीहाइड्रोजन की आंतरिक संरचना की जांच की गई". Physics World. March 7, 2012.
  5. ↑ Castelvecchi, Davide (19 December 2016). "मील के पत्थर के लेजर परीक्षण में अल्पकालिक एंटीमैटर परमाणुओं को पिन किया गया". Nature. doi:10.1038/nature.2016.21193. S2CID 125464517. Retrieved 20 December 2016.
  6. ↑ Ahmadi, M; et al. (19 December 2016). "Observation of the 1S–2S transition in trapped antihydrogen" (PDF). Nature. 541 (7638): 506–510. Bibcode:2017Natur.541..506A. doi:10.1038/nature21040. PMID 28005057. S2CID 3195564.
  7. ↑ Grossman, Lisa (July 2, 2010). "सबसे अच्छे एंटीप्रोटोन". Physical Review Focus. Vol. 26, no. 1.
  8. ↑ "एंटीहाइड्रोजन एक हजार सेकंड के लिए फंस गया". Technology Review. May 2, 2011.
  9. ↑ Du, Hong. "हाइड्रोजन परमाणु पर नए सापेक्षवादी क्वांटम वेव समीकरण का अनुप्रयोग और एंटीमैटर गुरुत्वाकर्षण प्रयोगों पर इसके प्रभाव". Archived from the original on 2021-04-26.
  10. ↑ Palmer, Jason (14 March 2012). "एंटीहाइड्रोजन अपने पहले माप से गुजरता है". BBC News.
  11. ↑ Freedman, David H. (January 1997). "Antiatoms: Here Today . . ". Discover Magazine.
  12. ↑ Munger, Charles T. (1994). "पॉज़िट्रॉन कैप्चर के साथ जोड़ी उत्पादन द्वारा सापेक्षतावादी एंटीहाइड्रोजन परमाणुओं का उत्पादन". Physical Review D. 49 (7): 3228–3235. Bibcode:1994PhRvD..49.3228M. doi:10.1103/physrevd.49.3228. PMID 10017318. S2CID 12149672.
  13. ↑ Baur, G.; Boero, G.; Brauksiepe, A.; Buzzo, A.; Eyrich, W.; Geyer, R.; Grzonka, D.; Hauffe, J.; Kilian, K.; LoVetere, M.; Macri, M.; Moosburger, M.; Nellen, R.; Oelert, W.; Passaggio, S.; Pozzo, A.; Röhrich, K.; Sachs, K.; Schepers, G.; Sefzick, T.; Simon, R.S.; Stratmann, R.; Stinzing, F.; Wolke, M. (1996). "एंटीहाइड्रोजन का उत्पादन". Physics Letters B. 368 (3): 251ff. Bibcode:1996PhLB..368..251B. doi:10.1016/0370-2693(96)00005-6.
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बाहरी संबंध

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