Auto přepravující Penningovu past s antivodíky (zdroj CERN)

Antiprotony se produkují pomocí srážek protonů, urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla, s těžkými jádry v terči. Kvantová fyzika umožňuje přeměňovat při srážce kinetickou energii urychleného protonu na klidovou energii dvou nově vzniklých částic antiprotonu a protonu. Co kvantová fyzika umožňuje, je v nedávném článku. Při vzniku antiprotonu (antičástice) se musí zachovávat kromě energie a hybnosti i elektrický náboj a celá řada dalších kvantových čísel. Toho se nejsnadněji dosáhne tak, že vznikne antiproton (antičástice) a zároveň proton (odpovídající částice). U částice a antičástice mají zmíněné fyzikální veličiny (elektrický náboj a kvantová čísla) stejnou velikost a opačné znaménko.

Takový způsob produkce však způsobuje, že kinetická energie vzniklého antiprotonu je srovnatelná s jeho klidovou energií a částice je tak relativistická. Letí sice ve směru původního svazku, ale energie i směr letu vzniklých antiprotonů má poměrně široký rozsah. Abychom s nimi mohli pracovat, musíme z nich vytvořit pomocí magnetických a elektrických polí svazek antiprotonů se stejnou energií i směrem letu. Pro výzkum antiprotonů v klidu a vytváření neutrálního antivodíku pak musíme antiprotony zpomalit.

V laboratoři CERN tak vybudovali pro antiprotony opak urychlovače – zpomalovač AD (Antiproton Decelerator). Zpomalené antiprotony pak lze chytat do magnetických pastí, ve kterých lze velmi přesně měřit jejich parametry a srovnávat je s vlastnostmi protonu. Stejně tak je možné k nim přidávat pozitrony, antičástice elektronu, a vytvářet antivodíky. Studium antiprotonů a antivodíku nám umožňuje zjišťovat rozdíly mezi hmotou a antihmotou. Tyto rozdíly jsou klíčové pro pochopení vzniku přebytku hmoty nad antihmotou v našem vesmíru. Laboratoř CERN je jediná, která takové zařízení má, některé experimenty využívající antiprotony a jejich výsledky jsou popsány zde a zde.

Test nakládání pasti na antiprotony BASE-STEP (zdroj CERN)

Efektivita zachytávání antiprotonů závisí na tom, na jakou rychlost se je podaří zpomalit před vstříknutím do magnetické pasti. V nedávné době začalo v laboratoři CERN pracovat zařízení ELENA (Extra Low ENergy Antiproton ring), které převezme antiprotony ze zpomalovače AD a zpomalí je před vstříknutím do konkrétní pasti (experimentu) na extrémně malé energie.

Vědci v laboratoři CERN pracující na experimentu BASE však při extrémně přesných měřeních narazili na velký problém. Zařízení, která produkují a zpomalují antiprotony, využívají velmi intenzivní elektrická a magnetická pole, která nelze úplně odstínit, a vytvořené pozadí narušuje extrémně přesná a citlivá měření. Řešením je přemístění antiprotonů do vzdálené, speciálně odstíněné laboratoře.

Postavila se tak speciální past BASE-STEP, kterou je možné po naplnění antiprotony od systému oddělit, naložit do speciálního náklaďáku a převézt na potřebné místo. Pokud by byla laboratoř dostatečně blízko, mohly by se antiprotony do daného místa v principu dopravit i potrubím ve vakuu a pomocí magnetických a elektrických polí. Potrubí a trasu je však třeba vybudovat, což lze jen do omezené vzdálenosti. Výhodou mobilní pasti BASE-STEP je, že pak lze autem antiprotony přepravovat i do velmi vzdálených laboratoří, například v německém Hannoveru, které mají extrémně citlivá a jinde nedostupná zařízení.

Testy přepravy mobilní pasti na antiprotony BASE-STEP v rámci laboratoře v minulém roce (zdroj CERN)

Zařízení je speciální tzv. Penningovou pastí a má délku 1,9 m, šířku 0,8 m a výšku 1,6 m. Jeho hmotnost je 1000 kg. Magnetické pole je vytvářeno pomocí supravodivého magnetu. Při transportu je tak třeba zajistit i kryogenní chlazení na teplotu tekutého hélia a dodávku potřebné energie. Jde v principu o zařízení, které při zajištění nezbytné energie není problém nákladním autem přepravit kamkoliv po Evropě. A v případě využití lodě či letadla kamkoliv na světě. V podobných pastích se daří skladovat antiprotony i velmi dlouho; rekord dosažený právě experimentem BASE je v řádu roku. Nyní je tak možné navíc přepravit antiprotony do libovolné laboratoře.

Považuji ještě za nutné uklidnit aktivisty, kteří se už chystají vyrazit demonstrovat proti přepravě nebezpečné antihmoty mezi evropskými městy (z obavy, že by anihilace mohla zničit celá sídla). Těch antiprotonů je tam extrémně malé množství. První testy této pasti a přeprava v rámci laboratoře byla realizována se shlukem 70 antiprotonů v minulém roce. Nynější testy přepravy na větší vzdálenosti v rámci CERNu se týkaly 92 antiprotonů. Takový počet je dostačující na extrémně přesná měření vlastností antiprotonů, ale jejich anihilace uvolní opravdu zanedbatelné množství energie.

Vlastnosti pasti se budou zlepšovat a zvyšovat se bude i počet přepravovaných antiprotonů, aby případně mohl stačit nejen na přesná měření samotných antiprotonů, ale i na produkci a výzkum antivodíku. Pro případné energetické využití antihmoty však bude potřeba úplně jiné množství a úplně jiné pasti.

Zdroj: BASE experiment at CERN succeeds in transporting antimatter

Dřívější přednáška o antihmotě:

Narušení symetrie mezi hmotou a antihmotou je popsáno v přednášce:

Popis experimentu zkoumajícího pád antivodíku v gravitačním poli je zde:

Kvantová fyzika jako nástroj pro pochopení vývoje vesmíru: