“זו המדידה הראשונה שבוצעה אי פעם של נפילה חופשית של אטומי אנטי חומר (אנטי מימן) שמראה באופן ישיר שהם באמת נופלים למטה”, הסביר פרופ’ אלי שריד מהמחלקה לפיסיקה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, החבר בקבוצת ALPHA collaboration
מחקרו ההיסטורי של אייזק ניוטון על כוח הכבידה נוצר ככל הנראה בהשראת צפייה בתפוח נופל מעץ לכדור הארץ. אבל מה לגבי “אנטי-תפוח” העשוי מאנטי-חומר, האם הוא נופל באותו אופן אם היה קיים? קבוצת מדענים בינלאומית בהשתתפות פרופ’ אלי שריד מהמחלקה לפיסיקה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, הישראלי היחיד השותף למחקר, ביצעה את המדידה הראשונה אי פעם של נפילה חופשית של אטומי אנטי חומר והשוותה את האנרגיה שלהם לאטומי חומר רגילים. ממצאי המחקר מהווים אבן דרך בחקר התכונות וההתנהגות של אנטי-חומר ופורסמו בכתב העת היוקרתי Nature.
תורת היחסות של אלברט איינשטיין תיארה את השפעות כוח הכבידה כבר בשנת 1915 ונחקרה מאז רבות. מרכיב מרכזי בתיאוריה הנקרא ‘עקרון השקילות החלשה’ קובע שכל העצמים, ללא קשר למסה או להרכבם, צריכים ליפול באופן חופשי באותה צורה בתגובה לכוח הכבידה. למרות שהדעה הרווחת היא שאנטי-חומר צריך להתנהג באותו האופן כמו חומר בתגובה למשיכת כוח הכבידה של כדור הארץ, חסרו תצפיות ישירות על החומר, בשל אתגרים ביצירת תנאי ניסוי מבוקרים בקפידה.
קבוצת המדענים הבינלאומית ‘אלפא’ (ALPHA) הוקמה בשנת 2005 למטרות חקר של אטומי אנטי מימן, כניסוי המשך לניסוי ‘אתנה’ (ATHENA) שנערך במרכז המחקר CERN בג’נבה, שוויץ. אטומי אנטי מימן מורכבים מאנטי פרוטון כגרעין (האנטי חלקיק של הפרוטון המצוי באטום מימן רגיל) ומפוזיטרון (האנטי חלקיק של האלקטרון). מכיוון שלאטומי אנטי מימן אין מטען חשמלי, קשה ללכוד אותם. כל מגע עם חומר רגיל כמו קירות המלכודת גורם לאיון (השמדה, אניהילציה) שלהם. קבוצת המחקר ‘אלפא’ הייתה הראשונה שפיתחה טכניקות מגנטיות ללכידה אטומי אנטי מימן קרים (2012), והראשונה לבצע מדידות של רמות האנרגיה שלהם (2017-2019). עתה היא גם הראשונה למדוד נפילה חופשית של אנטי אטומים אלה.
כוח המשיכה הוא כוח משיכה בין כל שני עצמים בעלי מסה. זהו הכוח החלש ביותר מבין ארבעת כוחות הטבע הבסיסיים (כוח גרעיני חזק, הכוח החשמלי-מגנטי, כוח גרעיני חלש וכוח המשיכה). אטומי אנטי מימן הם חלקיקים ניטרליים ויציבים מבחינה חשמלית של אנטי-חומר. הניטרליות החשמלית מקלה מאוד על האפשרות למדוד ישירות את התנהגות הכבידה של אנטי-חומר מבלי שהשפעות של שדות חשמליים יתחרו בתנועה הנמדדת.
המלכודות שבנתה אלפא עד 2018 היו מלכודות אופקיות, ובהן פותחו טכניקות הקירור והלכידה של אטומי האנטי מימן. במלכודת שכונתה ALPHA-2 , קרינת לייזר או גלי מיקרוגל הגיבו עם אטומי האנטי מימן בכדי למדוד את המבנה הפנימי שלהם. הפעם, נבנתה מלכודת חדשה ואנכית בשם ALPHA-g , במיוחד על מנת לאפשר מדידה מדויקת של הנפילה החופשית של האנטי אטומים. עיקרון המדידה הוא לכידה של האנטי אטומים הקרים, הנעים למעלה ולמטה בתוך המלכודת, ואז שחרורם באמצעות הורדת השדות המגנטיים היוצרים את המלכודת. ללא שדות אלו, האנטי אטומים יוצאים מהמלכודת וכאשר הם מגיעים לקיר חומר- מושמדים, אפקט שניתן למדידה. הדמיות ממוחשבות של הניסוי הצביעו על כך שאם האנטי אטומים נופלים כמו אטומים רגילים, רק כ-20% מהאטומים יצאו מהחלק העליון של המלכודת ו-80% מהחלק התחתון. על ידי ממוצע התוצאות של הניסויים בעת שחרור האטומים, מצאו המדענים כי התוצאות תואמות את הציפיות מהסימולציות בהנחה של נפילה ‘למטה’ בדומה לאטומים רגילים. נשללה האפשרות כי האנטי אטומים נופלים ‘למעלה’. המחקר המלא כלל חזרה על הניסוי מספר פעמים עבור ערכים שונים של שדה מגנטי נוסף, שיכול לחזק או לפעול כנגד כוח הכבידה. על ידי ניתוח התוצאות מניסויים אלה, נמצא שעד כדי דיוק של כ-20% התאוצה של אטום אנטי מימן תואמת את כוח המשיכה המוכר והמושך בין החומר לחומר-כדור הארץ.
“זו המדידה הראשונה שבוצעה אי פעם של נפילה חופשית של אטומי אנטי חומר (אנטי מימן) שמראה באופן ישיר שהם באמת נופלים למטה”, הסביר פרופ’ אלי שריד מהמחלקה לפיסיקה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב. שריד, חבר קבוצת המחקר הבינלאומית ‘אלפא’ מאז 2005 והישראלי היחיד החבר בה. “מזה 18 שנה בהן היינו הקבוצה הראשונה שיצרה ולכדה במאיץ החלקיקים אטומי אנטי מימן קרים, והיחידה שמדדה מעברים אטומיים באטומים אלה והשוותה את האנרגיה שלהם לאטומי חומר ‘נורמליים’. עכשיו הגיע זמן הגרביטציה. הדיוק במדידה הנוכחית הוא רק תחילת הדרך. בעקבות מדידה פורצת דרך זו, אנו מקווים לשפר את דיוק המדידה לכ 1% כבר בשנת הניסויים הבאה, 2024”.
“לקח לנו 30 שנה ללמוד איך ליצור את האנטי-אטום הזה, להחזיק בו ולשלוט בו מספיק טוב כדי שנוכל להפיל אותו באופן שהוא יהיה רגיש לכוח הכבידה”, דובר אלפא ג’פרי האנגסט. “השלב הבא הוא למדוד את התאוצה בצורה הכי מדויקת שאנחנו יכולים. אנחנו רוצים לבדוק אם חומר ואנטי-חומר אכן נופלים באותו אופן. לקירור בלייזר של אטומי אנטי מימן צפויה להיות השפעה משמעותית על הדיוק”.
מחקר זה נתמך על-ידי הקרן הלאומית למדע של ישראל (מענק מס’ 1099\18)- ISF, וסוכנויות מרחבי העולם- קרן מדעי הטבע (NSF) , משרד האנרגיה (DOE), מועצת המחקר להנדסה ומדעי הפיזיקה (EPSRC), מועצת מתקני המדע והטכנולוגיה (STFC), VR (שבדיה), קרן לבורהולמה (בריטניה), החברה המלכותית, קרן קרלסברג (דנמרק), מרכז ניס FNU, DRAC קנדה, CFI, EHPDS/EHDRS, NRC/TRIUMF, מועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה (NSERC) , ENAFAE ברזיל, FAPERJ, CNPq.
#physics #antimatter #antihydrogen #alphaexperiment #freefall #bgu #elisharid #scientificbreakthrough
עוד בנושא באתר הידען:
3 תגובות
אנו כבר בתקופה של פיזיקה חדשה.
רעיון כוח המשיכה נמסר לעולם על ידי ניוטון לפני 330 שנים.
ניוטון חשב שיש כוח מסתורי פלאי הבוקע ממעמקי כדור הארץ, וכל תפקידו הוא להפיל לארץ חפצים שהרפו מהם.
לכוח המסתורי הזה העניק ניוטון את השם כוח משיכה.
ניוטון לא ידע כי חפצים שהרפו מהם נופלים מעצמם, ובכך הם מקיימים חוק טבע פלאי , והוא חוק שימור הכמות של אנרגיה. חוק זה התקבל במדע רק לפני 170 שנים, וניוטון לא ידע על קיומו.
כדי להרים גוף ממשי מעל פני האדמה לגובה 1 מטר, צריך להתאמץ, ולהתעייף, וכמות העייפות הזו מייצגת כמות של אנרגיה.
אם נשחרר את הגוף הזה , הוא ייפול מעצמו למטה במהירות מתגברת,
ומכת פגיעתו באדמה תציג בדיוק – את אותה כמות של אנרגיה שהייתה דרושה, כדי להרים אותו לגובה של 1 מטר.
ככה פועלת המציאות הפיזיקלית , והיא שלימדה את המדענים על קיומו של חוק טבע פיזיקלי פלאי – חוק שימור הכמות של אנרגיה.
יש הרבה סוגים של אנרגיה, והם יכולים להתחלף זה בזה, על פי חוק שימור הכמות של אנרגיה. המציאות הפיזיקלית פועלת מעצמה באופן חופשי , והיא מקיימת חוק טבע פלאי – חוק שימור הכמות של אנרגיה.
חוק שימור הכמות של אנרגיה מבטל לחלוטין את רעיון כוח המשיכה של ניוטון, והגיע הזמן לעזוב את הפיזיקה של ניוטון, ולעבור לפיזיקה אחרת.
את הפיזיקה של ניוטון עומדת להחליף הפיזיקה של עצבר. המופיעה בספר “מסע הקסם של עצבר על כנפי הידיעה הטבעית”
א.עצבר
אד
מאיפה יהיה לך אנטי-מימן?
קראתי והרהרתי ביני לבין עצמי אם יתכן בדרך דומה לשלוט בתהליך של הפגשת אטומי מימן ואנטי מימן, מבחינת כמות ומיקום. התוצאה עשויה להיות הפקה מבוקרת של אנרגיה.
מנקודה מסוימת ואילך, השאלה בפרויקט מהסוג הזה היא שאלה של עלות תועלת, כשהמשתנה העיקרי עשוי להיות העלויות הכרוכות בהפעלת טכניקות הקירור והלכידה של אטומי האנטי מימן.