אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

• אנטי מימן נלכד לראשונה במתקן מאיץ החלקיקים בסרן, הידען, 19.11.2010
  
  
• אותו דבר אבל להיפך – על הצלחת ייצור אנטי חומר שניתן למדידה, הידען, 11.11.2010

מהו אנטי חומר?
בשנת 1928 ניסח הפיסיקאי הבריטי פול דיראק
(Dirac) תיאוריה, המתארת את תנועתם של אלקטרונים בשדות חשמליים ומגנטיים. דיראק הצליח לפתח משוואות המשלבות בין מכניקת הקוונטים לבין תיאורית היחסות הפרטית של איינשטיין, ובעשותו כך פרץ את הדרך למחקרים רבים בתיאוריה של האטום.
אחת ההשלכות הלא צפויות של משוואותיו של דיראק הייתה שהן חייבו את קיומם של חלקיקים מסוג חדש. על פי דיראק, החלקיקים הללו חייבים להיות דומים לאלקטרונים בתכונותיהם אך הפוכים מהם במטענם החשמלי (כלומר מטענם החשמלי יהיה חיובי). חלקיקים אלה כונו "פוזיטרונים" בשל מטענם החיובי, והיוו רמז ראשון לקיומו של חומר מסוג חדש.
בשנת 1932 הצליח הפיסיקאי האמריקאי קארל אנדרסון לצלם את עקבותיו של פוזיטרון במכשיר מדידה מיוחד, המכונה "תא ערפל". קיומו של החלקיק החדש הוכח ולאנדרסון הוענק ב-1936 פרס נובל על הגילוי.
עד מהרה התברר כי ניבוייו של דיראק בנוגע לאלקטרון נכונים גם בעבור שאר החלקיקים היסודיים, וכי לכל אחד מהם קיים אנטי-חלקיק. על פי התיאוריה, אנטי-חלקיקים יכולים לחבור יחדיו וליצור חומר שיהיה דומה מאוד לחומר רגיל, פרט לעובדה שהוא הפוך ממנו בתכונותיו החשמליות. לדוגמה: פוזיטרון (אנטי חלקיק של אלקטרון-כלומר אלקטרון בעל מטען חיובי) ואנטיפרוטון (פרוטון בעל מטען שלילי) יכולים ליצור אטום של אנטי-מימן, כשם שאלקטרון ופרוטון יוצרים אטום מימן. 
 עד לגילוייהם של דיראק ואנדרסון שימש המושג חומר (Matter) כמושג המקיף את כל מה שקיים (פרט לאנרגיה, שגם היא, על פי איינשטיין, מצב חלופי לחומר). כאשר התברר כי קיים משהו אחר, דבר הדומה לחומר אך איננו חומר במובן הרגיל, צומצם המושג ונטבע הצירוף "אנטי-חומר" (Antimatter) – תמונת הראי של החומר.
כאשר חומר מתנגש באנטי חומר הדבר מוביל לאיון: החומר והאנטי חומר נעלמים, אבל בגלל שמתקיימים שימור תנע ושימור אנרגיה נוצרים חלקיקים אחרים, כגון פוטונים, באנרגיה גבוהה (קרינת גמא). למעשה, זהו תהליך שבו מסה הופכת לאנרגיה. קיים גם התהליך ההפוך שבו אנרגיה הופכת למסה של חומר ואנטי חומר בכמות זהה.
לאחר גילויו של האנטי-חומר התברר כי יש לו מקום חשוב בתיאוריות קוסמולוגיות על אודות היווצרות היקום. בשלבים הראשוניים של היווצרות היקום, סמוך למועד המפץ הגדול, התקיימו חומר ואנטי-חומר בכמויות גדולות. בשל התנאים המיוחדים ששררו ביקום הקדום התאפשר קיומם של השניים ללא תהליך האיון. אם היה מתבצע תהליך האיון, היה היקום אמור להיות מורכב מ-"ים" של פוטונים ללא חומר. מאחר וברור שאין הדבר כך, נשאלת השאלה מדוע היקום מורכב דווקא מחומר. כיום אין עדיין תשובה ברורה לשאלה זו.
כיום, כדי לבחון אנטי-חומר, יש לייצרו בתנאי מעבדה מיוחדים. 

מאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת נייצ'ר מגלה כי לראשונה נלכדו אטומי אנטי-חומר, שהצליחו להתקיים מספיק זמן כדי להיחקר על ידי המכשירים המדעיים.
"אנו נרגשים מהעובדה שהצלחנו ללכוד אטומי אנטי חומר מספיק זמן כדי לחקור את התכונות שלהם ולראות אם הם שונים מאוד ממקבליהם החומריים." אומר מקוטו פוג'יווארה, חבר צוות אלפא, שותפות בינלאומית ב-CERN.
ניסוי אלפא בסרן הצליח ליצור אנטי מימן. הייצור נעשה באמצעות עירוב אנטי פרוטונים ופוזיטרונים כדי ליצור אנטי אטום ניטרלי. "מה שחדש הוא שהצלחנו לייצר אותו לאורך זמן", אמר דובר הצוות ג'פרי האנגסט. "באמצעות שמירת אטומי האנטי מימן הרחק מקירות המכל שלהם כדי למנוע מהם להתאיין במשך עשירית שנייה."
אטום האנטי מימן הוחזק במלכודת יונים. מלכודת כזו היא דרך ללכוד יונים במקום מוגדר במרחב לפרקי זמן ארוכים. ניתן לעשות זאת בין השאר על ידי הפעלת שדה אלקטרומגנטי המשתנה בזמן. בשל המטען החשמלי של רכיבי האטום ניתן לגרום לפירוקם בשדה, ובצורה זו למדוד את תכונותיהם.

במלכודת זו השדה האלקטרומגנטי לכד את האנטי מימן בריק, וקורר לתשע מעלות קלווין (מינוס 264 מעלות צלזיוס). יש צורך בקירור כי מהירות אטומי האנטי מימן גבוהה מאד, וקירור מקטין את המהירות הזו. כדי לראות אם אכן נוצר אטום אנטי מימן כלשהו, החוקרים שחררו כמות קטנה ממה שנלכד כדי לראות אם תתרחש התאיינות בין החומר והאנטי חומר.
השלב הבא הוא ליצור ניסוי על אטומי האנטי חומר הלכודים, והצוות החל לחקור דרכים כדי למצוא באיזה צבע אור האנטי מימן זוהר כאשר הוא פוגע בקרינת מיקרוגל, ולראות כיצד ניתן להשוות את הצבעים עם אלו של אטומי המימן.

לקריאה נוספת: