Bagaimana ahli fizik mengesahkan kewujudan antihidrogen

Cincin Antiproton Tenaga Rendah (LEAR) di CERN PS (Gambar kanan).
(Foto oleh CERN 133.7.82)

Penghasilan antihidrogen yang pertama

Penghasilan atom antihidrogen yang pertama telah dijalankan di Low Energy Antiproton Ring (LEAR) CERN pada tahun 1995 lagi.

Cara eksperimen ini berfungsi adalah dengan menciptakan pasangan elektron-positron terlebih dahulu dengan menembak antiproton daripada pemecut kepada gugusan xenon.

Pasangan elektron-positron kemudian bebas untuk bergerak di dalam ruang vakum. Jika antiproton berlanggar dengan positron, ia boleh menangkap positron untuk membentuk atom antihidrogen. Cuma kebarangkalian kes antiproton menangkap positron adalah sangat rendah, kira-kira \(10^{-19}\). Ini bermakna ia memerlukan sejumlah besar antiproton dan positron untuk menghasilkan sebilangan kecil atom antihidrogen.

Komponen antihidrogen terdiri daripada antiproton dan positron.

Atom antihidrogen yang dihasilkan dalam eksperimen ini juga sangat bertenaga, atau "panas". Ini kerana ia dicipta dalam perlanggaran yang bertenaga tinggi antara antiproton dan positron. Atom antihidrogen yang agak panas sukar untuk dikaji kerana ia sentiasa bergerak dan berlanggar antara satu sama lain. Jadi ia kurang praktikal untuk dijadikan kajian secara mendalam. Walau bagaimanapun, ia adalah peristiwa penting dalam kajian antijirim kerana ia adalah kali pertama atom antihidrogen dihasilkan.

Apa benar itu antihidrogen, tuan..?                      Ya!!!

Semasa eksperimen yang dijalankan di LEAR, atom antihidrogen dapat dikesan melalui fenomena pemusnahhabisan (annihilation) di antara atom antihidrogen selaku antijirim dan jirimnya. Apabila atom antihidrogen berlanggar dengan atom jirimnya, kedua-dua atom itu memusnahkan satu sama lain dan melepaskan letupan tenaga. Letupan tenaga inilah yang dikesan oleh pengesan yang mengesahkan kehadiran antihidrogen.

Berlanjutan kemudiannya, ahli fizik mengesahkan antihidrogen dengan mengukur sifatnya dan membandingkannya dengan sifat hidrogen. Salah satu sifat yang paling penting bagi atom ialah spektrumnya, iaitu corak cahaya yang dipancarkannya apabila ia teruja (excited). Spektrum hidrogen terkenal dan telah dikaji selama bertahun-tahun. Pada tahun 2016, percubaan ALPHA di CERN dapat mengukur spektrum antihidrogen buat kali pertama. Keputusan menunjukkan bahawa spektrum antihidrogen adalah sama dengan spektrum hidrogen, yang merupakan pengesahan kuat bahawa antihidrogen adalah antizarah (antiparticles) bagi hidrogen.

Selain daripada membandingkan spektrum atom antihidrogen, ahli fizik juga mengukur sifat antihidrogen lain, seperti jisim dan casnya. Jisim antihidrogen adalah betul-betul sama dengan jisim hidrogen, dan casnya pula ada bertentangannya. Pengukuran ini juga mengesahkan bahawa antihidrogen adalah antijirim (antimatter) bagi hidrogen. Pengesahan antihidrogen adalah peristiwa penting dalam fizik. Ia memberikan bukti kukuh bahawa hukum fizik adalah sama untuk jirim dan antijirim. Ini penting kerana ia membantu menjelaskan mengapa alam semesta kebanyakannya terdiri daripada jirim dan bukan antijirim.

Beberapa eksperimen yang digunakan untuk mengesahkan antihidrogen,

• Eksperimen ALPHA di CERN menggunakan perangkap Penning untuk memerangkap atom antihidrogen dan kemudian menggunakan laser untuk merangsangnya. Spektrum cahaya yang dipancarkan kemudiannya diukur.
• Eksperimen ATRAP di CERN menggunakan teknik yang sama untuk memerangkap atom antihidrogen, tetapi ia juga menggunakan teknik yang dipanggil spektroskopi logik kuantum (quantum logic spectroscopy) untuk membuat pengukuran spektrum yang lebih tepat.
• Eksperimen ATHENA di CERN menggunakan teknik berbeza yang dipanggil mikroskop fungsi gelombang antijirim (antimatter wave function microscope) untuk mengambarkan atom antihidrogen. Eksperimen ini dapat memerhati secara langsung atom antihidrogen dan mengukur saiz dan bentuknya.

Nota kaki:

[1] Antiproton Accumulator (AA) dibina pada tahun 1979 dan 1980, untuk pengeluaran dan pengumpulan antiproton. AA ialah gelang simpanan yang boleh mengumpul antiproton daripada Proton Synchrotron (PS) dan kemudian memindahkannya ke Cincin Antiproton Tenaga Rendah (LEAR) untuk eksperimen. AA telah dihentikan pada tahun 1997, dan fungsinya telah diambil alih oleh Antiproton Decelerator (AD). AD ialah nyahpecutan yang lebih berkuasa daripada AA, dan ia boleh memperlahankan antiproton kepada tenaga 5.3 MeV.

[2] Kelompok xenon dicipta dengan menyejat gas xenon ke dalam ruang vakum. Kelompok xenon digunakan untuk menghasilkan pasangan elektron-positron kerana ia mempunyai sejumlah besar elektron yang boleh berinteraksi dengan antiproton.

Sumber Rujuk:

[1] (1982). CERN: More 540 GeV proton-antiproton results, LEAR is near. CERN Courier, 22(7), 272. (iaea.org)

[2] V. Chohan et al., "Beam measurement systems for the CERN antiproton decelerator (AD)," PACS2001. Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference (Cat. No.01CH37268), Chicago, IL, USA, 2001, pp. 2302-2304 vol.3, doi: 10.1109/PAC.2001.987359.