Sciencemag.cz
Doporučujeme
Atomy s antihmotou, respektive hybridní hmota, co to vůbec je? Jedná se o objekty kombinující v sobě částice a antičástice. Hybridní atom helia, který zkoumali v CERNu v rámci projektu ASACUSA, má v obalu namísto jednoho elektronu stejně tak záporně nabitý antiproton. Pokud tuhle věc navíc ponoříme do supratekutého helia, bude podle nového zjištění nečekaně reagovat na posvícení laserem (poznámka: i když laik se může ptát, jak by takhle divná věc měla chovat „normálně“ :-)).
Příslušné hybridní atomy vznikají smícháním antiprotonů vyrobených v továrně na antihmotu v CERNu s řídkým plynným heliem, které je udržováno při nízké teplotě. V rámci projektu ASACUSA slouží tyto atomy hlavně ke zkoumání vlastností antiprotonu – především k řešení otázky, zda jeho hmotnost opravdu přesně odpovídá hmotnosti protonu.
Nízká hustota a teplota plynu hrají klíčovou roli v těchto studiích antihmoty, které zahrnují měření reakce hybridních atomů na laserové světlo za účelem určení jejich světelného spektra. Vysoké hustoty a teploty plynu mají za následek, že spektrální čáry (ty jsou způsobeny přechody antiprotonu nebo elektronu mezi energetickými hladinami) jsou příliš široké nebo i rozmazané. Proto vědce z ASACUSA překvapilo, že když ve své nové studii použili kapalné helium, které má mnohem vyšší hustotu než helium v plynném stavu, zaznamenali snížení šířky antiprotonových spektrálních čar. Když navíc kapalné helium ochladili na teploty nižší, než je teplota, při níž se kapalina stává supratekutou, zjistili další náhlé zúžení spektrálních čar.
„Optická odezva hybridního atomu helia v supratekutém heliu se výrazně liší od optické odezvy téhož hybridního atomu v plynném heliu s vysokou hustotou, stejně jako od optické odezvy mnoha normálních atomů v kapalinách nebo supratekutých látkách,“ uvádí jedna z autorek studie Anna Sótér (ETH Zurich).
Vědci se domnívají, že pozorované překvapivé chování souvisí s poloměrem elektronového orbitalu, tj. vzdáleností, v níž se nachází elektron hybridního atomu helia. Na rozdíl od normálních atomů se poloměr elektronového orbitalu hybridního atomu mění jen velmi málo, když na něj svítí laserové světlo, a proto neovlivňuje spektrální čáry (poznámka: asi míněno spektrální čáry antiprotonu), ani když je atom ponořen do supratekutého helia. K potvrzení této hypotézy je však zapotřebí dalších studií.
Vědci mohou zkusit vytvořit a v supratekutém heliu zkoumat i další hybridní atomy helia s použitím jiných antičástic nebo exotických částic, které by nahradily ty běžné…
Anna Sótér et al, High-resolution laser resonances of antiprotonic helium in superfluid 4He, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04440-7
Zdroj: CERN / Phys.org
Poznámky PH: Jak takový podivný atom může vypadat? Jak daleko je antiproton od jádra ve srovnání s elektronem? Co oběma částicím zabrání se spojit a anihilovat? Změna poloměru elektronového orbitalu – tím se myslí, že účinkem laseru (dodáním energie) je elektron excitován do vyšší vrstvy?
K poznámce ohledně změny poloměru elektronového orbitalu.
Dává jenom smysl, že při snížení teploty dochází ke snížení poloměru orbitalu. Adekvátně, když na orbitalu planety družice přijde o hybnost (tedy zabrzdí) střední poloměr orbitalu se zmenší a družice klesne blíže k planetě.
Když se tedy podchladí atom, elektrony a hlavně jednotlivé slupky se statisticky přiblíží k jádru. Pokud takový atom zasáhneme fotonem, elektrony sice vyskočí na hladinu odpovídající energetickému příjmu, ale směrem dolů do původních orbitalů sestupují kratšími skoky. To se projeví užším spektrem radiace.
Pro běžného studenta chemie asi bude těžké představit si, že dogma, které nás učili na škole, tedy že orbitaly jasně definují energetické hladiny, tak úplně neplatí. Na první pohled se může zdát, že elektronové orbitaly jsou jasně definovány vzájemným elektrickým odpuzováním. To je samozřejmě pravda. Pokud se ale elektrony „zklidní“ a zúží se „šířka pásma“ orbitalu, umožní to vyšším vrstvám klesnout níže – a koneckonců o to elektronům jde.
Aspoň tak to chápu já. Samozřejmě vařím z vody tak, aby mi to pasovalo na informaci o zúžení pásma spektrálních čar s klesající teplotou. 🙂
K té anihilaci protonu s antiprotonem: Trochu jsem googlil, až jsem vygooglil, že srážkou obvykle nedojde k úplné anihilaci, ale k rozpadu obou částic na kvarky a gluony. Říkají tomu měkká interakce a má sílu cca 2 GeV.