Darganfyddiad gwrthfater hanesyddol Ffisegwyr Abertawe

Mae gwyddonwyr sy’n cydweithio ar arbrawf rhyngwladol o bwys i astudio gwrthfater yn agos am y tro cyntaf wedi gwneud darganfyddiad arwyddocaol – y mesuriad uniongyrchol cyntaf o unrhyw fath o atom gwrthfater pur.

Mae’r grwp, sy’n cynnwys Ffisegwyr o Goleg Gwyddoniaeth Prifysgol Abertawe, wedi cyhoeddi eu darganfyddiadau diweddaraf ar-lein yn y cylchgrawn gwyddoniaeth blaenllaw Nature heddiw (dydd Mercher, Mawrth 7, 2012).

Prof Mike Charlton Dywedodd yr Athro Mike Charlton, sy’n arwain y tîm o Abertawe sy’n gweithio ar yr arbrawf ALPHA yn CERN, y Sefydliad Ewropeaidd ar gyfer Ymchwil Niwclear yn Genefa, y Swistir, bod eu llwyddiant yn nodi dechrau cyfnod newydd cyffroes mewn darganfyddiadau gwyddonol.

“Mae ein mesuriadau gwrth-hydrogen yn llwyddiant hanesyddol yng nghyd-destun gwyddoniaeth gwrthfater,” meddai’r Athro Charlton.

“Maen nhw’n goron ar sawl blwyddyn o ymdrech gan y tîm o Abertawe, ac yn sail ar gyfer dyfodol disglair yn astudio priodweddau atomau a wnaed yn gyfan gwbl o wrthfater.”

Pwysleisiodd ei gyd-ffisegwr o Abertawe, Dr Niels Madsen bod tîm ALPHA wedi llwyddo i ddod i’r darganfyddiad hwn gyda sampl bach iawn, sy’n galonogol iawn i’r tîm o safbwynt eu harbrofion yn y dyfodol, lle byddant yn ceisio dal mwy.

“Ar hyn o bryd caiff gwrth-atomau dim ond eu dal fesul un ar y tro, sy’n rhoi tua un atom i weithio ag ef bob 20 munud,” meddai Dr Madsen.

"Dyma’r mesuriad uniongyrchol cyntaf o unrhyw gyflwr mewnol mewn gwrth-atom. Mae’n anhygoel ac mae’r ffaith ein bod ni bellach yn gallu gwneud mesuriadau fel hyn gyda rhywbeth mor brin yn gam enfawr.”

Nod arbrawf ALPHA yn CERN, sy’n dod â gwyddonwyr ynghyd o wyth o wledydd gan gynnwys y DU, UDA, Canada a Japan, yw astudio yn fanwl atomau gwrth-hydrogen – atom gwrthfater cyfatebol yr atom symlaf, hydrogen.

Drwy gymharu hydrogen a gwrth-hydrogen yn drachywir, mae tîm ALPHA yn gobeithio astudio cymesuredd sylfaenol rhwng mater a gwrthfater a thaflu goleuni ar absenoldeb rhyfedd symiau sylweddol o wrth-fater yn y bydysawd heddiw.

Cyfrannodd 10 o awduron Abertawe i’r cyhoeddiad – y gynrychiolaeth fwyaf o un sefydliad – ac mae sawl aelod o staff academaidd wedi bod ynghlwm â’r cynllun; Yr Athro Mike Charlton, Dr Niels Madsen, Dr Dirk Peter van der Werf, a Dr Stefan Eriksson, Dr Will Bertsche (sydd bellach yn darlithio ym Mhrifysgol Manceinion) a Dr Aled Isaac, ill dau yn fyfyrwyr ôl-raddedig; Adam Deller ac Andrew Humphries sy’n fyfyrwyr ymchwil; a Silvia Napoli a Caroline Shields, myfyrwyr israddedig fu’n gweithio ar gynllun CERN y llynedd.

Mae eu gwaith wedi’i gefnogi gan Gyngor Ymchwil Peirianneg a Gwyddorau Ffisegol (EPSRC) y DU a chan Ymddiriedolaeth Leverhulme a’r Gymdeithas Brydeinig.

Mae gwyddonwyr wedi gallu cynhyrchu atomau gwrth-hydrogen dan reolaeth yn y labordy am bron i ddegawd – datblygiad a gafodd ffisegwyr Prifysgol Abertawe rôl allweddol ynddo fel rhan o brosiect ATHENA yn CERN, yr arbrawf cyntaf i gynhyrchu nifer helaeth o atomau gwrth-hydrogen oer.

Ond gan fod gronynnau gwrthfater yn cael eu dinistrio ar unwaith pan ddônt i gysylltiad â mater, ni fu’n bosibl astudio atomau gwrth-hydrogen mewn unrhyw fanylder hyd yma.

Yn ogystal â thechnegau o oeri ac arafu’r gronynnau gwrthfater sy’n ffurfio’r gwrth-hydrogen a’u cymysgu’n ofalus i greu atomau gwrth-hydrogen, mae tîm ALPHA wedi datblygu technegau sy’n dal rhai o’r gwrth-atomau am gyfnod digon hir fel bod modd eu hastudio.

Un datblygiad allweddol yw techneg newydd sy’n caniatáu i’r atomau gwrth-hydrogen sydd wedi’u hoeri ddod at ei gilydd mewn ffordd sy’n sicrhau bod yr atomau gwrth-hydrogen yn ddigon oer i’w dal.

Yn ystod y cam hwn o’r broses  – y mesuriad uniongyrchol cyntaf o unrhyw fath ar atom gwrthfater pur – gwnaeth y tîm lywio cyflwr troelli mewnol atomau gwrth-hydrogen yn fwriadol, i greu cyseinedd magnetig rhwng lefelau tra-main o’r cyflwr daearol positronig.

Defnyddiwyd ymbelydredd microdon cyseiniol i newid troell y positron mewn atomau gwrth-hydrogen a gafodd eu dal yn fagnetig yng nghyfarpar ALPHA. Mae newid y droell yn achosi i wrth-atomau gael eu taflu allan o’r trap.

Roedd modd i’r tîm yna edrych am dystiolaeth o ryngweithio cyseiniol, drwy gymharu cyfradd goroesi'r atomau a ddaliwyd a arbelydrwyd â microdonnau ar-gyseiniol â chyfradd goroesi’r atomau hynny a arbelydrwyd â microdonau all-gyseiniol.

Fel gorchest bellach, defnyddiwyd y canfodydd a ddatblygwyd yn Lerpwl i ganfod alldafliad cyseiniol gwrth-atomau unigol, i greu darlun cyflawn o dynged pob gwrth-atom yn yr arbrawf.

Mae’r weithred hon yn cynrychioli’r mesuriad sbectrosgopig, cyseiniol cyntaf o unrhyw fath i’w berfformio ar atom gwrthfater pur.

I weld papur y tîm, “Resonant Quantum Transitions in Trapped Anti-hydrogen Atoms”, ewch i www.nature.com.