Phản hydro

Ngược với hiđrô, phản hiđrô có một phản proton và một positron.

Phản hiđrô hay phản hydro là nguyên tố phản vật chất tương ứng với hiđrô. Ký hiệu chuẩn của phản hiđrô là H, tức chữ H có đường gạch trên. Trong khi nguyên tử hiđrô bình thường có một điện tử và một proton, nguyên tử phản hiđrô có một positron và một phản proton. Theo định lý CPT của vật lý hạt, các nguyên tử phản hiđrô phải có nhiều đặc tính giống nguyên tử hiđrô thường, chẳng hạn phải có cùng khối lượng, cùng mômen lưỡng cực từ, và cùng tần số chuyển tiếp giữa các trạng thái lượng tử.

Tính chất

Theo định lý CPT của vật lý hạt, các nguyên tử antihydrogen nên có nhiều đặc điểm thường có của các nguyên tử hydro, nghĩa là chúng phải có cùng khối lượng, mômen lưỡng cực từ tính, và tần số chuyển đổi (xem quang phổ nguyên tử) giữa các trạng thái lượng tử nguyên tử của chúng. Ví dụ, các nguyên tử phản hiđrôantihydrogen bị kích động được dự kiến sẽ phát sáng với các màu sắc giống như của hydro thông thường. Nguyên tử phản hiđrô phải bị hấp dẫn trọng lực vào các vật chất khác hoặc phản vật chất với một lực có độ lớn tương tự như các nguyên tử hydro thông thường phải chịu. Điều này sẽ không đúng nếu phản vật chất có khối lượng hấp dẫn âm, được coi là rất khó xảy ra, mặc dù chưa được thực nghiệm bác bỏ.

Khi nguyên tử phản hi đrô tiếp xúc với vật chất thông thường, các thành phần của chúng nhanh chóng tiêu diệt. Hạt positron, là một hạt cơ bản, hủy điện tử trong vật chất thông thường trong khi khối lượng còn lại của positron và đối tác hủy diệt của nó phát ra năng lượng ở dạng tia gamma. Hạt phản proton mặt khác được tạo thành phản quark kết hợp với các hạt quark trong hoặc neutron hoặc proton trong vật chất thông thường và kết quả hủy diệt trong các hạt năng lượng cao được gọi là pion. Những pion lần lượt nhanh chóng phân rã thành các hạt khác gọi là hạt muon, neutrino, hạt positron và electron, và các hạt này nhanh chóng tiêu tan. Tuy nhiên, nếu các nguyên tử phản hiđrô được để bị đình chỉ trong một trạng thái chân không hoàn hảo, chúng phải tồn tại vô thời hạn.

Phát hiện

Từ năm 1995, phản hiđrô đã được một nhóm các nhà nghiên cứu, đứng đầu là Walter Oelert, tại phòng thí nghiệm CERN ở Geneva tạo ra đầu tiên bằng máy gia tốc hạt. Mới đầu các nguyên tử phản hiđrô được tạo ra có tốc độ "nóng" đến nỗi nó và vật chất tự phá hủy nhau trước khi các nhà nghiên cứu có thể bắt kịp. Tuy nhiên, vào tháng 11 năm 2010, các nguyên tử phản hiđrô lạnh được tạo ra và bắt giữ trong từ trường lần đầu tiên. Thí nghiệm diễn ra ở LEAR (Low Energy Antiproton Ring, Vòng phản proton năng lượng thấp), nơi các phản proton được tạo ra trong một máy gia tốc, bị bắn tại một cụm xenon. Khi một phản proton đến gần một nhân xenon, một cặp điện tử–positron có thể được tạo ra, và với vài khả năng positron sẽ bị bắt giữ bởi phản proton để tạo phản hiđrô. Xác suất tạo ra nguyên tử phản hiđrô từ một phản proton chỉ là 10⁻¹⁹, do đó phương pháp này không phù hợp lắm cho việc sản xuất số lượng đáng kể nguyên tử phản hiđrô, do các tính toán chi tiết không được chỉ ra trước đây.

Các thí nghiệm thực hiện tại CERN được tiến hành sau này, vào năm 1997, được thực hiện lại tại Fermilab ở Hoa Kỳ nơi phần giao cắt khác của quá trình đã được xác định. Cả hai thí nghiệm đã dẫn đến kết quả các nguyên tử phản hiđrô năng lượng cao hay "nóng" mà không phù hợp cho nghiên cứu chi tiết. Do đó, CERN đã xây máy giảm tốc phản proton nhằm hỗ trợ các nỗ lực theo hướng tạo ra các phản hiđrô năng lượng thấp có thể sử dụng cho các thử nghiệm đối xứng cơ bản.

Xem thêm

• Phản hạt