Atomau Cynyrfedig yn Taflu Goleuni ar Ymchwil Gwrth-hydrogen

Mae gwyddonwyr o Brifysgol Abertawe sy’n gweithio yn CERN wedi cyhoeddi astudiaeth sy’n rhoi manylion ynghylch datblygiad o bwys ym maes ymchwil gwrth-hydrogen.

Roedd yr ymchwilwyr yn gweithio’n rhan o gydweithrediad ALPHA sy’n cynnwys ymchwilwyr a grwpiau o dros ddeuddeg o sefydliadau ledled y byd, ac mae’r Athro Mike Charlton o Brifysgol Abertawe  yn arwain y gwyddonwyr o’r DU.  

Gwnaethpwyd yr ymchwil, a ariannwyd gan EPSRC, drwy ddefnyddio offer yn yr Arafwr Gwrthbrotonau yn CERN, ac fe’i cyhoeddwyd yn y cyfnodolyn Nature.

Yr Arbrawf

Mae arbrawf tîm ALPHA yn dangos sut yr aeth y gwyddonwyr ati i wella effeithlonrwydd yn y gwaith o syntheseiddio gwrth-hydrogen, gan lwyddo am y tro cyntaf i gronni’r gwrth-atomau, sydd wedi ehangu cwmpas eu gwaith arbrofol.   

300 x 533Meddai’r Athro Mike Charlton:

“Pan fydd atom cynyrfedig yn llacio, mae’n rhyddhau golau â lliw nodweddiadol - enghraifft gyffredin o hyn yw’r lliw melyn a geir mewn goleuadau stryd sodiwm.

Pan mai hydrogen yw’r atom dan sylw, sef atom sy’n cynnwys electron unigol a phroton unigol, ac mae’r electron cynyrfedig yn dirywio i’r cyflwr ynni isaf o un uwch, mae’r gyfres benodol o olau uwch-fioled a ryddheir yn ffurfio Cyfres Lyman, a enwyd ar ôl Theodore Lyman, a sylwodd ar hyn gyntaf dros 100 mlynedd yn ôl.

“Helpodd presenoldeb y llinellau penodol hyn i sefydlu damcaniaeth mecaneg gwantwm sy’n  rheoli’r byd ar lefel atomig ac sy’n un o gonglfeini Ffiseg fodern.

“Mae llinell Lyman-alpha o bwys hanfodol mewn ffiseg a seryddiaeth.

Er enghraifft, mae arsylliadau mewn seryddiaeth ar sut y mae’r llinell o allyrwyr pell yn symud i donfeddi hirach (a adwaenir fel y rhuddiad), yn rhoi gwybodaeth i ni ynghylch y modd y mae’r bydysawd yn datblygu, ac yn caniatáu i ni ddefnyddio modelau profi sy’n rhagfynegi ei ddyfodol.”

Yr arbrawf hwn yw’r tro cyntaf y mae trawsnewidiad Lyman-alpha – pan fo’r electron hydrogen yn newid rhwng yr hyn a elwir yn gyflwr 1S a 2P, gan ryddhau neu gan amsugno golau uwchfioled o donfedd 121.6 nm – wedi’i weld mewn gwrth-hydrogen. Mae gwrth-hydrogen, sef yr atom gwrthfater sy’n cyfateb i hydrogen, yn cynnwys gwrth-broton unigol a gwrth-electron unigol ac adwaenir y gronyn olaf o’r ddau fel positron.

Atomau Cynyrfedig

Ar gyfer yr arbrawf hwn, cronnodd y ffisegwyr oddeutu 500 o atomau gwrth-hydrogen yn y trap. Pe baent wedi gwneud dim, gallent fod wedi dal yr atomau hyn am lawer a llawer o oriau heb unrhyw golled. Fodd bynnag, drwy oleuo’r atomau a ddaliwyd gydag amryw liwiau o olau uwch-fioled, gallai’r tîm yrru’r trawsnewidiad Lyman-alpha a chynhyrfu’r atomau gwrth-hydrogen.

Erbyn hyn nid yw’r atomau cynyrfedig hyn wedi’u trapio yn y cyfarpar o hyd a chan eu bod yn cynnwys gwrth-fater, maent yn chwalu’n gyflym gyda’r mater amgylchynol yn y cyfarpar ac yn cael eu canfod.

Mae’r arsylliad hwn yn bwysig gan ei fod yn enghraifft arall o brofi un o nodweddion gwrth-hydrogen sy’n cyd-fynd â hydrogen. Mae hefyd yn gam o bwys tuag at gynhyrchu atomau gwrth-hydrogen tra oer, a fydd yn gwella’n fawr y gallu i reoli, llywio a chynnal astudiaethau trachywiredd pellach ar y gwrth-atom.

Meddai’r Athro Charlton:

“Mae hyn yn cynrychioli carreg filltir arall yn natblygiad ffiseg atomig, a ddylai agor y ffordd  i drin ynni cinetig gwrth-atomau a ddaliwyd.

“Er bod astudiaethau wedi parhau yn yr Arafwr Gwrthbrotonau yn CERN, drwy fireinio’r mesuriadau hyn ymhellach a defnyddio’r technegau i wella’n dealltwriaeth o’r gwrth-hydrogen trwy sbectrosgopeg, bydd tîm ALPHA yn addasu’r cyfarpar er mwyn astudio effaith disgyrchiant y Ddaear ar y gwrth-atom.

Bydd yr ychydig fisoedd nesaf yn gyfnod cyffrous i bawb dan sylw.”