ANTIMATA HUUNDIKA KWA URAHISI KIASI GANI?

Je, antimata huanguka kama mata ya kawaida? Majaribio katika kipunguza-kasi cha antiprotoni cha CERN, AD/ELENA, hupima ulinganifu wa msingi wa fizikia kwa kutumia antihaidrojeni: antiprotoni moja iliyofungamana na positroni moja, taswira ya kioo ya atomi ya haidrojeni. Miongoni mwao, GBAR — “Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest” — imejengwa kupima jinsi antihaidrojeni inavyoongeza kasi kwa haraka katika mvuto wa Dunia.

Njia ya GBAR si ya kawaida. Majaribio mengine huunda antihaidrojeni kwa kuchanganya antiprotoni na positroni ndani ya mtego. GBAR badala yake inapanga hatua mbili za ubadilishanaji wa chaji (charge exchange) na positroniamu (Ps), atomi ya ajabu iliyoundwa na elektroni na positroni:

1. p̄ + Ps → H̄ + e⁻: antiprotoni hunyakua positroni na kuwa antihaidrojeni;
2. H̄ + Ps → H̄⁺ + e⁻: antihaidrojeni hunyakua positroni ya pili na kuwa ioni chanya.

Ioni hiyo inaweza kupozwa kwa ioni za berili, kisha leza huiondoa positroni ya ziada, na kubakiza atomi za antihaidrojeni zilizo katika takriban mikrokelvini 10 — baridi ya kutosha kwa jaribio la kuanguka huru.

Kujua uwezekano

Ushirikiano huo ulikuwa tayari umeonyesha mwaka 2023 kwamba hatua ya 1 inafanya kazi kwa positroniamu iliyo katika hali yake ya msingi. Lakini haukuweza kusema mmenyuko huo una uwezekano kiasi gani — kiasi ambacho wanafizikia hukiita sehemu-msalaba (cross section), eneo halisi la shabaha ambalo antiprotoni lazima ilipige. Bila kiasi hicho, hakuna anayeweza kutabiri jaribio kamili litazalisha atomi ngapi.

Mmenyuko unaolingana kwa mata ya kawaida — protoni kuchukua positroni na kuwa haidrojeni — ulikuwa umepimwa mara moja tu, na Merrison na wenzake mwaka 1997, kati ya kiloelektronivolti 11 na 16.

Mikondo miwili ndani ya tundu dogo

Tangu 2023, timu imeongeza kiwango chake cha uzalishaji mara kumi. Upande mmoja, positroni kutoka kiongeza-kasi kidogo hulimbikizwa ndani ya mitego: takriban milioni 300 kati ya mirusho miwili ya antiprotoni, kila dakika mbili. Takriban milioni 100 hufika kwenye tundu lenye upana wa takriban milimita 2 na urefu wa sentimita 2, lililopakwa silika yenye vinyweleo inayobadilisha baadhi yao kuwa positroniamu. Kila mrusho huacha wingu lililofungiwa kwa sehemu la takriban atomi milioni 6 za positroniamu.

Upande mwingine, ELENA hutoa mafungu ya antiprotoni milioni 12. GBAR huzipunguza kasi, huzinasa, huzipoza kwa elektroni, kisha hurusha mafungu ya milioni 5–6 kupitia tundu hilo kwa kiloelektronivolti 4 au 6, yakipangiwa wakati ili kupita katika wingu la positroniamu. Antihaidrojeni yoyote inayozalishwa haina chaji ya umeme: huruka moja kwa moja hadi kwenye kigunduzi kilicho mita 1.6 mbele, huku antiprotoni zilizobaki zikigeuzwa njia.

Mamia ya antiatomi, namba moja

Kwa kulinganisha maelfu ya mirusho yenye positroni na isiyo na positroni, kigunduzi kilihesabu atomi 379 ± 35 za antihaidrojeni kwa keV 6 na 69 ± 19 kwa keV 4 — takriban 392 na 71 baada ya kurekebisha kwa ufanisi wa kigunduzi. Ikiunganishwa na hesabu makini za antiprotoni na atomi za positroniamu zilizohusika, na za jinsi mipigo hiyo miwili ilivyopishana vizuri katika nafasi na wakati, hili linatoa sehemu-msalaba:

• (14.1 ± 1.3) × 10⁻¹⁶ cm² kwa keV 6.2;
• (8.7 ± 2.4) × 10⁻¹⁶ cm² kwa keV 4.15 (kutokuwa na uhakika kwa kitakwimu; ule wa kimfumo umeorodheshwa kando katika makala).

Hiki ni kipimo cha kwanza cha sehemu-msalaba ya ubadilishanaji wa chaji kilichofanywa kwa mikondo ya antiprotoni, na kina kutokuwa na uhakika kudogo kuliko kipimo cha 1997 kwa mata ya kawaida.

Nadharia yafaulu mtihani

Hesabu za awali zilizotegemea kile kinachoitwa ukadiriaji wa Born (Born approximation) hazikukubaliana — jambo lisiloshangaza, waandishi wanabainisha, kwa kuwa nishati ya mgongano katika fremu ya kitovu cha masi ni takriban elektronivolti 6.5 tu kwa keV 6. Mbinu mbili za kisasa hutatua tatizo kamili la kwantamu la miili mitatu: mbinu ya Convergent Close Coupling na milinganyo ya Faddeev–Merkuriev. Zinakubaliana zenyewe kwa zenyewe, na, timu inaripoti, zinaonyesha “mlingano bora kabisa” na data mpya.

Kinachofuata: ioni, kisha kuanguka

Hili bado si jaribio la mvuto. Hatua inayofuata ya GBAR ni kupima mmenyuko wa pili, unaounda ioni ya antihaidrojeni, ikianza na mmenyuko wake unaolingana kwa mata ya kawaida kwa kutumia ioni hasi za haidrojeni kutoka ELENA. Kwa pamoja, viwango hivyo viwili vitaamua jaribio linaweza kuangusha atomi ngapi zilizopozwa kupita kiasi — na kwa hiyo litaweza kwa usahihi kiasi gani kusema iwapo antimata huanguka kama mata.