Ymchwilwyr yn dechrau cyfnod newydd o astudiaethau gwrthfater manwl

Mae arbrawf ALPHA yn CERN, dan arweiniad gwyddonwyr o Brifysgol Abertawe, wedi cyflawni'r mesuriad mwyaf trachywir a manwl erioed o wrthfater.

Mae tîm o wyddonwyr o gydweithrediad ALPHA wedi nodi’r mesuriad uniongyrchol mwyaf trachywir erioed, gan ddatgelu strwythur sbectrol yr atom gwrth-hydrogen mewn manylder nas gwelwyd o’r blaen.  

Y canlyniad, a gyhoeddwyd yn ddiweddar yn Nature, yw uchafbwynt tri degawd o ymchwil a datblygu yn CERN, ac mae'n agor i fyny gyfnod hollol newydd o brofion tra chywir rhwng mater a gwrthfater.

Mae'r atom hydrogen cyffredin, sy'n cynnwys electron unigol yn troi o gwmpas proton unigol, o bwys mawr mewn ffiseg sylfaenol, gan danategu'r ffordd yr ydym yn deall atomau heddiw. Prif nodwedd ei sbectrwm yw llinellau sbectrol adnabyddus ar donfeddi penodol, sy'n cyd-fynd â rhyddhau ffotonau o amledd neu liw penodol pan fydd electronau’n neidio rhwng orbitau gwahanol.  Mae mesuriadau o’r sbectrwm hydrogen yn cytuno â rhagfynegiadau damcaniaethol ar lefel o ychydig rannau mewn cwadriliwn (1015) — sy’n gyflawniad syfrdanol ac mae ymchwilwyr gwrthfater wedi bod yn ceisio sicrhau’r un math o gyflawniad ar gyfer  gwrth-hydrogen ers amser maith.  

Mae cymharu’r fath fesuriadau â mesuriadau atomau gwrth-hydrogen, sy’n cynnwys gwrthbroton â phositron yn troi o’i gwmpas, yn profi cymesuredd sylfaenol o’r enw anghyfnewidioldeb gwefr-paredd-amser (CPT). Byddai dod o hyd i wahaniaeth bach rhwng y ddau’n bwrw amheuaeth ynghylch y model safonol ar gyfer ffiseg ronynnau  ac efallai byddai’n taflu goleuni ynghylch pam nad oes bron ddim gwrthfater yn y bydysawd, er y dylai symiau cyfartal o fater a gwrthfater fod wedi’u creu yn y Glec Fawr.

Fodd bynnag, hyd yn hyn, mae wedi bod yn amhosibl cynhyrchu a dal digon o atomau gwrth-hydrogen cain, ac i gael gafael ar y dechnoleg archwilio optegol angenrheidiol i wneud sbectrosgopeg gwrth-hydrogen go iawn yn bosibl. 

Mae tîm ALPHA yn gwneud atomau gwrth-hydrogen drwy fynd â gwrthbrotonau o Arafwr Gwrthbrotonau  CERN a’u rhwymo â phositronau o ffynhonnell sodiwm-22. Wedyn mae’n cau’r atomau gwrth-hydrogen a grëir mewn magl fagnetig, sy’n eu hatal rhag dod i gysylltiad â mater a chael eu dinistrio. Yna caiff golau ei ddisgleirio ar yr atomau a ddaliwyd, ac yna mesurir eu hymateb cyn cymharu’r ymatebion hynny ag ymateb hydrogen.

Yn 2016, defnyddiodd tîm ALPHA y dull hwn i fesur amledd y trawsnewidiad electronig rhwng cyflwr ynni isaf a chyflwr cynhyrfol cyntaf (yr hyn a elwir yn drawsnewidiad 1S i 2S) gwrth-hydrogen gyda thrachywiredd o ychydig o rannau mewn deg biliwn, a oedd yn cyd-fynd yn dda â’r trawsnewidiad cyfatebol mewn hydrogen. Roedd y mesuriad yn cynnwys defnyddio dau amledd laser — un sy’n cyd-fynd ag amledd trawsnewidiad 1S–2S mewn hydrogen ac un a oedd ychydig yn wahanol — a chyfrif nifer yr atomau a gwympodd allan o’r fagl o ganlyniad i ryngweithiadau rhwng y laser a’r atomau a ddaliwyd.

Mae’r canlyniad diweddaraf gan ALPHA yn mynd â sbectrosgopeg gwrth-hydrogen i’r lefel nesaf, gan ddefnyddio sawl amledd laser gwahanol, gydag amleddau sydd ychydig yn is ac ychydig yn uwch nag amledd trawsnewidiad 1S–2S mewn hydrogen. Caniataodd hyn i’r tîm fesur y siâp sbectrol, neu amrediad y lliwiau, yn nhrawsnewidiad gwrth-hydrogen 1S–2S a chael mesuriad mwy trachywir o’i amledd canolog.  Roedd y siâp yn cyd-fynd yn arbennig o dda â’r hyn a ddisgwylid ar gyfer hydrogen, a bu modd i ALPHA bennu amledd trawsnewidiad gwrth-hydrogen 1S–2S i drachywiredd o ddwy ran mewn triliwn—100 waith yn well na’r mesuriad yn 2016.

“Y trachywiredd a gyflawnwyd yn yr astudiaeth ddiweddaraf yw’r cyflawniad gorau posibl i ni,” esbonia Niels Madsen, dirprwy lefarydd arbrawf ALPHA ac athro ym Mhrifysgol Abertawe. “Rydym wedi bod yn ceisio cyflawni’r trachywiredd hwn ers 30 mlynedd ac o’r diwedd rydym wedi llwyddo i wneud hynny.”

Er nad yw’r trachywiredd cystal â’r trachywiredd ar gyfer hydrogen cyffredin, mae’r cynnydd cyflym a wnaed gan ALPHA yn awgrymu trachywiredd ar gyfer gwrth-hydrogen o’r un fath a geir ar gyfer hydrogen — ac felly mae profion digynsail o gymesuredd CPT — bellach o fewn cyrraedd.

“Rydym yn sôn am sbectrosgopeg laser go iawn gyda gwrth-fater, a bydd y gymdeithas gwrth-fater yn cymryd sylw,” ychwanega Athro Michael Charlton o Brifysgol Abertawe: “Rydym yn gwireddu addewid llawn cyfleuster AD CERN; mae’n ddatblygiad sylweddol.”

“Mae wedi gwireddu breuddwyd i ni. Rydym bellach yn canolbwyntio’n gadarn ar wella’r trachywiredd ymhellach i gyd-fynd ag arbrofion ar hydrogen cyffredin. Bydd yn her anodd ond gyda’r tîm ardderchog sydd gyda ni ar hyn o bryd, rwy’n hyderus y byddwn yn gwneud cynnydd” nododd yr Athro Stefan Eriksson, Prifysgol Abertawe.

Mae’r tîm laser yn cynnwys Dr Steven Jones, a chwaraeodd rôl allweddol wrth sicrhau llwyddiant y cydweithrediad. Yn ddiweddar cwblhaodd Dr Jones ei PhD ar sbectrosgopeg gwrth-hydrogen ym Mhrifysgol Abertawe.

Darparodd Ana Lopes o CERN rannau sylweddol o’r crynodeb hwn o ganfyddiadau ymchwil. 

ALPHA experiment  

Caption: Arbrawf ALPHA (Llun: Maximilien Brice/CERN)