V polovině loňského listopadu proběhla médii vzrušující zpráva, že v CERN (Evropská organizace pro jaderný výzkum) se mezinárodnímu týmu jaderných fyziků spolupracujících v rámci projektu ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) podařilo neutrální atomy antivodíku udržet v magnetické pasti po dobu necelých dvou desetin sekundy. (Podrobnosti o produkci antivodíkových atomů a fyzikálním principu magnetické pasti i video pod článkem.)
Přešlo pár měsíců a ALPHA hlásí nový rekord – v sérii loňských experimentů se podařilo 112 atomů antivodíku uvěznit na dobu od jedné pětiny sekundy až po 1 000 sekund, tedy 16 minut a 40 sekund. A to je pozoruhodné prodloužení existence neutrální formy antihmoty v našem hmotném světě. Nejmenší antiatomy, v nichž pozitron obíhá okolo jednoho antiprotonu „vyrábějí“ v CERN již devět let a fyzikové jejich produkci již považují za rutinu. S jejich záchytem a udržením je to ale o něco složitější a první stránka kroniky úspěšných pokusů byla napsána také u Ženevy v roce 2009. Za tři roky se vědcům podařilo na různě dlouhý okamžik před anihilací uchránit celkem 309 antiatomů. Jenže aby je mohli zkoumat a provádět s nimi experimenty, musí je „při životě“ udržet co nejdéle. A to není vůbec jednoduché. Aby se antiprotony svázaly s pozitrony a vytvořili neutrální antiatomy, musí být zpomaleny na dostatečně nízkou energii a zachyceny v extrémním vakuu v speciální magnetické pasti. Má tvar dutého válce s vnitřním průměrem 44,5 mm. V plášti několik vrstev podélného vinutí ze supravodivého materiálu tvoří oktupólový elektromagnet, jenž je chlazený tekutým héliem (obrázek). Při experimentech elektrický proud generuje v okolí vinutí silné magnetické pole, které směrem do středu válcové pasti prudce klesá z hodnoty 3 Tesla až na třetinu, na 1 Tesla. Na dně této potenciálové jámy se zachytí antiatomy s nejnižší energií. V podélném směru past z obou stran uzavírá dvojteslové pole dvou kruhových zrcadlových cívek (na obrázcích pod označením mirror coils). Jejich vzájemná vzdálenost je 27 cm.
Obrázek vpravo znázorňuje intenzitu magnetického pole v podélném řezu této magnetické pasti. Čím je barva žlutější a zářivější, tím je pole silnější (do 3 T). Tmavé odstíny představují slabší pole (okolo 1 T). Centrální temně červená oblast představuje hluboké potenciálové vězení pro podchlazené antivodíkové atomy. I když jsou navenek elektricky neutrální, na intenzivní vnější pole reagují díky slabému magnetickému momentu. Vědci jsou přesvědčeni, že tyto zachycené antiatomy se nacházejí v nejnižším, tedy základním energetickém stavu, kdy pozitron obíhá okolo antiprotonu na atomovém orbitalu 1s.
Atomy vodíku jsou v našem světě velmi stabilní a téměř všechny vznikly, když bylo vesmíru pouhých asi 380 tisíc let a jeho teplota klesla na 3 000 K. V antihmotném světě by antivodík měl mít stejnou kosmicky dlouhou životnost. Ale i jiné vlastnosti, jako například hmotnost nebo magnetický moment, by měly mít vodík i antivodík stejné. Protože v nejranějších stadiích vývoje vesmíru ne všechny fyzikální procesy probíhaly zcela symetricky (rozpad K0 mezonu), vzniklo o něco více částic hmoty než antihmoty. Díky tomu, že neměly svůj protipól, nezanikly anihilací a vytvořily všechny přímo i nepřímo pozorovatelné hmotné struktury. I když nevíme, co přesně se ukrývá pod pojmem neviditelná temná hmota, je nanejvýš pravděpodobné, že ani ona není antihmotná. I když by v takovém případě měla stejné gravitační účinky, jaké pozorujeme nyní, museli bychom registrovat nepřehlédnutelné důsledky její interakce s hmotou. Například elektron anihiluje s pozitronem za vzniku gama záření. Interakce proton – antiproton je složitější, asi třetina jejich celkové energie se transformuje do neutrin.
Sice jsme neobjevili žádné větší kosmické seskupení antihmoty, antičástice však nejsou ničím výjimečným, vznikají v mnoha energetických procesech nejen ve vesmíru, ale i přímo na Zemi. Jsou například mezi produkty radioaktivního rozpadu nebo srážek gama fotonů s částicemi běžné hmoty. Proč se tedy fyzikové snaží „vyrábět“ celé antiatomy a s velkým úsilím je udržet co nejdéle „naživu“? Vždyť v propočtu na gram je produkce antivodíku bezpochyby tou nejdražší materiálovou výrobou s extrémně nestabilním výsledkem. Cílem je studium vlastností antihmoty. Výzkumný tým experimentu ALPHA dokončuje novou magnetickou past, která by v příštím roce měla umožnit nejenom antiatomy udržet dostatečně dlouho, po dobu 10 až 30 minut, ale pomocí laseru a mikrovln něco o nich i zjistit. Zpočátku nepůjde o žádné dech vyrážející pokusy, spíše o testy platnosti základních předpokladů. Například jestli foton s konkrétní energií překlopí spin antiatomu, čím ho sice vysvobodí z magnetické pasti, ale zároveň vrhne do náruče hmoty, s níž anihiluje a stane se tak soustem pro detektory.
Podrobný výzkum antihmoty nebude jednoduchý. Jeho úkolem je potvrdit, nebo zpochybnit domněnku, že elektromagnetické a gravitační interakce jsou v antisvětě stejné, jaké známe z našeho světa a že antiatomy také dodržují CPT symetrii. Tedy že zrcadlový antivesmír by byl tomu našemu velmi podobný. (Víc v článcích V. Wagnera Bude padat kámen z antihmoty na Zemi jinak než kámen z hmoty? a Andělé a démoni aneb jak se v laboratoři CERN opravdu vyrábí antihmota.) Kdyby se tyto předpoklady nepotvrdily, máme problém a budeme muset svůj pohled na podstatu světa pozměnit. Nebylo by to sice jednoduché, ale motivující. A jak by asi poznamenal Richard Feynman, je lépe žít s pocitem, že něco nevíme nebo tomu nerozumíme, než si za každou cenu vytvářet mylné představy a žít v sebeklamu.
Odkaz na volně dostupný článek v Nature Physics
Video - fyzik Joel Fajans z Kalifornské university v Berkeley, člen týmu ALPHA komentuje princip pasti pro atomy antivodíku:
Zdroj: UC Berkeley News
Diskuze:
