Gall mewnwelediad newydd i wrthfater helpu datod dirgelion y bydysawd

Ysgrifennwyd yr erthygl hon gan yr Athro Niels Madsen ac fe’i cyhoeddwyd yn wreiddiol gan The Conversation.

Ers y 1930au, bu ffisegwyr o’r farn bod y bydysawd wedi’i wneud o fater a gwrth-fater. Tra bod pawb yn ymwybodol beth yw’r mater ffisegol, mae gwrth-fater wedi parhau i fod yn sylwedd anniffiniadwy.

Ond mae hynny ar fin newid: mae ein hymchwil a gyhoeddwyd yn ddiweddar ar wrth-hydrogen – sef y gwrth-fater sy’n cyfateb i hydrogen – yn arwydd o oes newydd yn yr ymdrech i ddeall mwy am wrth-fater a sut y bu modd iddo ein hosgoi.     

Felly, beth yw gwrth-fater? Yn y 1920au hwyr, rhagfynegodd Paul Dirac fodolaeth “drych-ronynnau” – cyfatebwyr gwrthgyferbyniol i’r electronau a’r protonau a adnabuwyd yn barod. Roedd gan y drych-ronynnau hyn wefr gyferbyniol felly roeddent yn electron positif ac yn broton negatif – a enwyd wedi hynny yn ‘bositron’ a ‘gwrth-bositron’. Darganfuwyd y positron ychydig o flynyddoedd yn ddiweddarach yn 1932, ond roedd yn rhaid aros tan 1955 i wyddonwyr ddarganfod y grwth-broton. 

Roedd y darganfyddiad yn un anodd gan nad yw gwrth-fater yn gyffredin yn y bydysawd. Mewn gwirionedd, darganfuwyd y gwrth-broton yn unig pan adeiladwyd cyflymydd gronynnau yn benodol i greu gwrth-brotonau.   

Yn ôl hafaliad enwog Einstein E=Mc2, gall màs gael ei drosi yn ynni ac i’r gwrthwyneb. Gweithiodd y cyflymydd drwy ddarparu digon o ynni i greu gwrth-brotonau drwy drosi ynni yn fàs. Mae màs yn ddaliwr ynni cywasgedig, ond fel arfer nid yw’n gallu rhyddhau’r cyfan – nid yw arf niwclear ond yn rhyddhau mymryn o’i fàs hyd yn oed.

Pan ddaw gronyn a’i wrth-ronyn at ei gilydd, maent yn dinistrio ei gilydd – hynny yw, maent yn gwrthdaro â’i gilydd ac yn diflannu – a chaiff ei holl ynni màs ei ryddhau mewn hwrdd o olau. Mae’r gwrthwyneb hefyd yn wir: gyda digon o ynni, gallwn greu mater, ond yn debyg i’r broses o ddileu ei gilydd, mae’r broses hon hefyd yn gymesur, felly bydd mater a gwrth-fater bob amser yn cael eu creu mewn symiau cyfartal.

Crëwyd y gwrth-broton cyntaf gan ddefnyddio’r broses hon, ac rydym yn parhau i’w defnyddio heddiw. Ond mae’n hynod aneffeithlon: mewn broses greu nodweddiadol yn arafwr gwrth-brotonau CERN, bydd oddeutu 1m o brotonau’n gwrthdaro â tharged metel ond un gwrth-broton yn unig gaiff ei gynhyrchu.  

Pam y mae o bwys?

Yn ôl ffisegwyr, crëwyd y bydysawd yn y Glec Fawr filiynau o flynyddoedd yn ôl, ac yn benodol, gan ei fod mor boeth a bach ar y dechrau, nid oedd modd i unrhyw ronynnau ffurfio. Wrth i’r cawl ynni cychwynnol hwn oeri, ffurfiwyd gronynnau a gwrth-ronynnau mewn symiau cyfartal. Ond llai nag eiliad ar ôl y Glec Fawr, digwyddodd rywbeth a arweiniwyd at anghymesuredd, gan adael mater gormodol ar ei ôl. Felly i ble yn union aeth yr holl wrth-fater? Yr ateb syml yw nad ydym yn gwybod - dyma un o ddirgelion mwyaf ffiseg.

Nid oes modd egluro’r anghymesuredd hwn ac mewn gwirionedd, ni allwn egluro sut y gallwn fod yma, gan fod yr anghymesuredd hwn yn ofynnol er mwyn i’r bydysawd yr ydym yn ei adnabod fodoli.

Er gwaethaf oesoedd o arsylwi gofalus ar yr awyr, hyd yn hyn ni chanfuwyd unrhyw gliwiau i’n hysbysu pam y mae’r anghymesuredd hwn yn bodoli rhwng mater a gwrth-fater. Mae llawer o wyddonwyr wedi edrych ar wrth-fater mewn amryw ffyrdd, er mwyn ceisio datrys a oes rhyw wahaniaeth sylfaenol rhwng mater a gwrth-fater a allai fod wedi achosi’r anghymesuredd hwn. Y ffordd draddodiadol yw trwy edrych ar ganlyniadau gwrthdrawiadau ynni uchel, er enghraifft gan ddefnyddio’r peiriant gwrthdaro hadronau mawr yn CERN. Fodd bynnag, rydym bellach yn archwilio dull amgen sy’n addawol iawn.

Hydrogen yw’r sylwedd mwyaf helaeth yn y bydysawd ac mae wedi’i wneud o un electron ac un proton yn unig.  Mae’n deg dweud mai hon yw’r system yr ydym yn ei deall orau mewn ffiseg, a hynny ar sail arbrofol ac ar sail ddamcaniaethol. Hefyd chwaraeodd ran allweddol yn y darganfyddiadau a arweiniodd at fecaneg gwantwm. Mae nodweddion mewnol hydrogen wedi’u hastudio’n fanwl gywir dros ben gan ddefnyddio laserau, ac mae gennym ddealltwriaeth helaeth o’r gwahaniaeth mewn ynni rhwng ei gyflwr isaf a’r cyflwr cynyrfedig cyntaf – hynny yw pan fo ganddo ynni  gormodol. Mae’n debyg i linyn gitâr – mae ei  gyflwr isaf yn golygu nad yw’r llinyn yn dirgrynu ac mae ei gyflwr cynyrfedig yn golygu ei fod yn dirgrynu. Po fwyaf y bydd yn dirgrynu, y mwyaf cynyrfedig y bydd.

Ers dros 30 mlynedd, bu ymchwilwyr yn gweithio i ddatrys dirgelwch gwrth-fater gan ddefnyddio gwrth-hydrogen, ac rydym newydd gyflawni camp fawr.

Yr hyn yr ydym wedi’i wneud yw disgleirio golau laser ar atomau gwrth-hydrogen a ddaliwyd a’u cynhyrfu i’w cyflwr cynyrfedig cyntaf. Gallwn astudio eu hymddygiad wrth iddynt gael ynni gan olau’r laser (cynhyrfu). Yn y pendraw, maent yn torri i fyny – dyna sut y bu modd i ni weld eu bod wedi amsugno’r ynni.

Un o’r rhesymau y bu mor anodd gwneud hyn yw’r ffaith bod gwrth-fater bob amser yn cael ei ddileu pan ddaw i gysylltiad â gwrth-fater. Mae hyn yn ei wneud yn anodd ei storio – nid oes modd ei roi mewn potel er enghraifft. Fodd bynnag, rydym eisoes wedi llwyddo i greu a dal gwrth-hydrogen gan ddefnyddio amrywiaeth o electromagnetau sy’n ei gyfyngu, a ganiataodd i ni wneud yr ymchwil hon. 

Mae’r mesuriad cyntaf hwn yn caniatáu i ni gymharu hydrogen a gwrth-hydrogen mewn modd manwl gywir digynsail – yn wir, hon yw’r gymhariaeth fwyaf manwl gywir rhwng atom a gwrth-atom a fu erioed.

Gan ddefnyddio’r mesuriad hwn, maent yn edrych yr un fath, ac er bod hyn yn ddisgwyliedig, hwn oedd y cadarnhad cyntaf i ddod o arbrawf. Am y tro, mae dirgelwch gwrth-fater gwibiog yn parhau – ond rydym yn parhau i’w archwilio. 

Cyhoeddwyd yr erthygl hon yn wreiddiol ar The Conversation. Gellir darllen yr erthygl wreiddiol yma.