Nedávno se fyzikům z Univerzity v Kalifornii podařil důležitý krok k umožnění studia pádu objektů obsahujících antičástice v gravitačním poli Země. Na taková měření, která by umožnila určit gravitační hmotnost antičástic a antihmoty, se chystá několik experimentálních skupin a úspěch týmu z Kalifornie by jim mohl velmi pomoci.
Antičástice a antihmota
Již v roce 1932 předpověděl Paul Dirac, že elektron má partnera, který má stejnou hmotnost a velikost elektrického náboje. Liší se však ve znaménku náboje i magnetického momentu. Předpovídaná částice se začala označovat jako antičástice, byla experimentálně potvrzena a dostala název pozitron. Elektron má záporný náboj a jeho antičástice pozitron pak stejně velký, ale kladný. Postupně byly nalezeny antičástice ke všem známým částicím. Nejznámější vlastností antihmoty je, že při jejím setkání s hmotou dochází k anihilaci, při které se velká část klidové energie spojené s klidovou hmotností zúčastněných částic přemění na energii kinetickou. Velmi častým procesem je anihilace elektronu a pozitronu, při které vznikají dva fotony záření gama. Toto obrovské uvolnění energie je důvodem, proč je antihmota běžnou rekvizitou sci-fi.
Anihilace je také jedním z největších problémů při přípravě složitějších forem antihmoty. Je totiž velice těžké oddělit antičástice a antihmotu od hmoty a zabránit anihilaci. Kvůli tomu se zatím nepodařilo vyprodukovat antijádro složené z více nukleonů než čtyři. A antihelium čtyři se poprvé podařilo připravit a potvrdit teprve v minulém roce. Jader, které obsahují tři nukleony je více. Jde o antitriton složený z jednoho antiprotonu a dvou antineutronů, antihelium tři složené ze dvou antiprotonů a jednoho antineutronu a můžeme sem zařadit i antihypertriton, který se skládá z jednoho antiprotonu, jednoho antineutronu a jednoho antihyperonu lambda. Ten byl objeven také nedávno.
Cesta k neutrálním atomům antihmoty je velice těžká a dlouhá, takže prozatím se podařilo vyrobit pouze antivodík. I když byl poprvé vytvořen již v roce 1995, jeho větší množství se daří produkovat až s využitím zpomalovače antiprotonů v laboratoři CERN od roku 2002.
Jsou známy i systémy složené z částice a antičástice, které jsou vázány elektromagnetickými silami, jež jsou celkově elektricky neutrální. Takovým systémem je například pozitronium skládájící se z jednoho elektronu a jednoho pozitronu. Další možností je vázaný systém protonu a antiprotonu nebo systém složený z heliového atomu, v němž je jeden elektron nahrazen antiprotonem. Těmto systémům se někdy říká antiprotonové molekuly. Podrobný opis těchto a dalších systémů a jejich produkce je na Oslovi zde.
I když se předpokládá, že hmota částice a antičástice je stejná, experimentální potvrzení tohoto předpokladu má zatím jen omezenou přesnost. Než se na problém podíváme podrobněji, je potřeba si připomenout rozdíl mezi gravitační a setrvačnou hmotností.
Gravitační a setrvačná hmotnost
Ve fyzice je třeba rozlišovat dva druhy hmotnosti. Gravitační hmotnost popisuje velikost gravitačního působení objektu na jiné těleso (gravitační hmotnost aktivní) a jakou intenzitou budou na těleso působit gravitační pole (gravitační hmotnost pasivní). Dá se říci, že v tomto případě jde v jistém smyslu o náboj gravitační interakce. Druhým případem je setrvačná hmotnost, která vyjadřuje odpor tělesa vůči zrychlování. Jedním ze základů Einsteinovy obecné teorie relativity je předpoklad, že setrvačná hmotnost je stejná jako gravitační. Ten vede i k principu ekvivalence, jenž vyjadřuje shodu fyzikálních zákonů v gravitačním poli a neinerciálním systému. Tedy nerozlišitelnost gravitačních a setrvačných jevů. Shoda gravitační a setrvačné hmotnosti vede i k známému faktu, že tělesa s různou hmotností padají v tíhovém poli Země se stejným zrychlením.
Princip ekvivalence rozdělujeme na slabý a silný. Slabý princip ekvivalence říká, že gravitační vliv na těleso závisí pouze na jeho hmotnosti a není závislý na jeho chemickém složení. Ten se testuje proslulými experimenty s torzními váhami, které prováděl těsně před koncem devatenáctého století Loránd Eötvös. V současné době je tato shoda testována na úrovni 10-13. Silný princip ekvivalence říká, že stejný gravitační vliv má i odpovídající hmotnost spojená s energií elektromagnetického pole.
Testování setrvačné hmotnosti u antihmoty
U objektů složených z antihmoty potřebujeme otestovat dvě fyzikální skutečnosti. První je porovnání setrvačné hmotnosti u hmotného objektu a stejného objektu z antihmoty. Tedy, jestli opravdu platí, že částice mají stejnou setrvačnou hmotnost jako antičástice. To lze například při urychlování částic. Urychlují se pozitrony i daleko těžší antiprotony. Z energie na to potřebné i z jejich pohybu v elektrických a magnetických polích jde zjistit poměr mezi jejich hmotností a hmotností příslušných částic. Ovšem takové určení má omezenou přesnost. I jen velmi malý rozdíl hmotností však může silně ovlivnit naše fyzikální představy.
Porovnání setrvačné hmotnosti částice a antičástice je velice důležité, neboť shoda hmotnosti částice a antičástice je ekvivalentní platnosti CPT symetrie. Tedy platnosti stejných fyzikálních zákonitostí v zrcadlově obráceném světě (částice jsou zaměněny za antičástice a čas v něm plyne obráceně). Podrobně jsou různé symetrie ve fyzice a jejich narušení, pomocí kterého lze i na dálku mimozemšťanům vysvětlit, že jsme z hmoty a ne antihmoty a co je u nás levá strana, popsány zde.
I extrémně malé narušení CPT symetrie by mělo obrovský dopad. Proto je důležité studovat shodu setrvačných hmotností částice a antičástice s extrémní přesností. To je například možné v systémech, kde se vyskytuje i antičástice a pohybuje pod vlivem zrychlení. Příkladem takového systému je antivodík. Energie excitovaných stavů, ve kterých se mohou vyskytovat pozitrony v tomto antiatomu, se odvíjí od setrvačné hmotnosti pozitronu. Na ní pak závisí i energie fotonů (tedy i vlnová délka elektromagnetického záření) vyzařovaná při deexcitaci těchto stavů. A srovnání energie přechodů při deexcitaci vodíku a antivodíku nám pak umožňuje srovnání setrvačné hmotnosti elektronu a pozitronu. Laserová měření vlnové délky záření při těchto přechodech lze provádět s extrémně vysokou přesností. Obzvláště, když se vyberou přechody dlouhožijících stavů v atomech vodíku či antivodíku, označované za metastabilní.
Jejich důležitost je spojena s Heisenbergovým principem neurčitosti, který spojuje dobu života stavu s přesností definování jeho energie. Čím kratší je doba života excitovaného stavu, tím méně přesně je definována hodnota jeho energie. Velice vhodný je v atomu i antiatomu vodíku stav, který je označován jako metastabilní 2s stav. Ten má extrémní dobou života 122 ms. Srovnáním energie vhodných přechodů, které jej vybíjejí ve vodíku a antivodíku, lze testovat platnost CPT symetrie a shody setrvačných hmotností elektronu a pozitronu s relativní přesností 10-18. Což je přesnost přímo fantastická. Laserová měření využívající dvoufotonový přechod 1s-2s, spojený s tímto stavem u vodíku v magnetickém poli při velmi nízkých teplotách (v submilikelvinové oblasti), se daří provádět se stále vyšší přesností.
Pro provedení stejných měření také pro antivodík je kritickým bodem konstrukce magnetické pasti, která by dokázala zachytit a udržet neutrální antivodíky pouze pomocí jejich magnetického momentu dostatečně dlouho. Dlouho se dařilo držet pouze plazmu složenou z nabitých antiprotonů a pozitronů. V okamžiku, kdy vznikne neutrální antivodík, z takové pasti rychle uniká a anihiluje na stěnách. Na pastech, které dokáží antivodík udržet, pracuje několik experimentů v laboratoři CERN, které využívají antiprotonový zpomalovač AD (Antiproton Decelerator). Ten pro ně připravuje zpomalené antiprotony, které experimenty musí ještě více zbrzdit a pak je využít k produkci antivodíku či jiných systémů obsahujících antiprotony. Potřebné pozitrony dodá beta plus rozpad sodíku 22.
Jedná se zejména o experimenty ATRAP a ALPHA, které produkují a zkoumají antivodík, a experiment ASACUSA, který studuje mimo jiné antiprotonové molekuly. Množství produkovaných antivodíků, které je v řádu desítek tisíc, je plně dostatečné. Jen je umět zachytit. První takové uchopení pomocí jeho magnetického momentu se zdařilo v roce 2009 a dlouhodobější pak na konci roku 2010. V té době například experiment ALPHA dokázal postupně vytvořit a udržet 38 antivodíků v magnetické pasti déle než 170 ms. Počet cyklů vytváření a zachytávání antivodíku pro získaní zmíněného počtu dlouhodobějších záchytů byl 335. I to ukazuje, jak náročný je tento proces (viz článek Osla zde). Teplota antivodíkového plynu, která je dána jeho chaotickým pohybem, je zhruba 0,5 K. Past která jej pomocí magnetického momentu souvisejícího se spinem pozitronu zachytává, musí mít velmi intenzivní magnetické pole při okrajích a mnohem nižší v centru pasti, kde se antivodíky mají shromažďovat. Intenzita na okraji dosahuje až 3 T a směrem k centru klesá na třetinu této hodnoty. Pro vytvoření takového pole je nutné použít supravodivé magnety.
Během minulého roku se podařil další obrovský „zachytávací skok“. Experimentu ALPHA se podařilo uvěznit 112 antiatomů zhruba na 1000 s, tedy více než šestnáct a půl minuty (viz zde na Oslovi). Současně se během jednoho cyklu produkce zatím podařilo polapit pouze tři atomy antivodíku. Přesto se zdařilo změřit rozložení energií zachycených antivodíků, což je první studium takového systému. Cílem výzkumníků je současné zachycení stovky antiatomů a jejich udržení v rozmezí 10 - 30 minut. To už by mělo stačit pro téměř všechny typy plánovaných spektroskopických měření. Včetně přechodů spojujících dlouhožijící stavy a umožňujících zjistit shodnosti setrvačné hmotnosti pozitronu a elektronu se zmiňovanou neuvěřitelnou přesností.
Trochu jiným způsobem připravoval antivodík experiment ASACUSA. S takzvanými Rydbergovými antivodíky manipuloval pomocí interakce náboje protonu, který byl od elektronu velmi vzdálený. Využíval k tomu odlišnou konstrukci pastí. Ještě úspěšnější byl v minulém roce tento experiment při spektroskopických měření přechodů spojených s metastabilními stavy antiprotonového helia 4, kde je jeden elektron v atomu helia nahrazen antiprotonem v Rydbergově stavu. Využívaly se dva lasery, přičemž kvalita měření energie přechodů byla taková, že umožnila určit poměr mezi hmotnostmi antiprotonu a elektronu s relativní přesností 10-9. A v mezích přesnosti měření se shodovala s poměrem mezi hmotnostmi protonu a elektronu. Poprvé se také podařila spektroskopická měření antiprotonového helia 3.
Významný posun prací s antivodíkem by přineslo postavení malého zpomalovače, který by velkému zpomalovači antiprotonů AD pomohl antiprotony ještě více zbrzdit, takže by jejich kinetická energie klesla až na 110 keV (jednu desetitisícinu klidové energie). Zvýšilo by to efektivitu produkce antivodíku či jiných systémů obsahujících antiprotony a zefektivnilo pokusy. Projekt na vybudování takového zpomalovače je označován ELENA (Extra Low ENergy Antiproton). Jeho výstavba by měla začít v roce 2013 a dokončena by měla být v roce 2016. Přejděme od setrvačné hmotnosti ke gravitační.
Testování gravitační hmotnosti u antihmoty
Gravitační hmotnost a gravitační interakci mezi hmotou a antihmotou můžeme testovat pomocí pádu antihmoty v tíhovém poli Země. Tíhové zrychlení nezávisí na velikosti hmotnosti tělesa nacházejícího se v tíhovém poli a stejně padá těžký i velmi lehký objekt. Problém neni v tom, že vyrábíme pouze jednotlivé antičástice, které jsou velmi lehké. Studium pádu antičástic v tíhovém poli Země naráží na dvě překážky. Tou první je vysoká rychlost vznikajících antičástic, neboť jsou produktem vysokoenergetických procesů. To se dá řešit u nabitých částic, které lze ionizací při pohybu v materiálu nebo elektrickým polem zpomalit. Druhou překážkou je, že pohyb zpomalených nabitých antičástic ovlivňují elektrická a magnetická pole přítomná v prostředí tak silně, že se nedá jejich pád v gravitačním poli studovat. Řešením je vytvoření neutrálního systému obsahujícího antičástice. To může být například antivodík nebo pozitronium.
K tomu, aby se dalo k pokusům využít pozitronium, musíme jej dostat do excitovaného stavu, který bude mít dostatečně dlouhou dobu života. Jinak se rychle dostane do základního stavu a elektron s pozitronem anihilují. Takovými stavy mohou být tzv. Rydbergovy stavy. To jsou velmi vysoce excitované stavy (s velkým hlavním a vedlejším kvantovým číslem), kdy jsou elektron a pozitron také velmi daleko od sebe. Název pochází z popisu atomů, které mají jeden z elektronů velmi daleko od jádra a ostatních elektronů. Zbývající elektrony odstiňují náboj jádra a tak se vzdálený elektron chová jako by byl v atomu vodíku. Takovým stavům a atomům se říká Rydbergovy. Přeneseně se pak název používá i pro velmi excitované stavy vodíku či pozitronia.
Některé z Rydbergových stavů pozitronia umožňují prodloužení existence pozitronia o jeden až dva řády a dobu jeho života tak delší než mikrosekundu. Rydbergova pozitronia se daří získávat pomocí laseru. A právě D. B. Cassidymu a A. P. Millsovi se s dalšími kolegy z Kalifornské university podařilo vypracovat velmi efektivní metodiky přípravy Rydbergových pozitronií s velmi vysokým spinem a dobou života přesahující zmíněnou mikrosekundu. Využívají přitom dva společně pracující lasery, z nichž jeden vysílá v ultrafialové oblasti a druhý v infračervené. Excitace do Rydbergova stavu tak probíhá ve dvou stupních. To umožňuje produkovat o tři řády více Rydbergových pozitronií během jednoho pulzu než pomocí dřívějších metod. Fyzikové předpokládají, že by se jim v budoucnu mohlo podařit získat i takové Rydbergovy stavy, které umožní dobu života pozitronií v řádu desítek milisekund. A zároveň ještě zvýšit efektivitu jejich produkce.
Pokud by se podařilo získat intenzivní svazek velmi pomalých pozitronií v Rydbergově stavu, byl by to velmi užitečný nástroj pro studium pádu tohoto objektu složeného z částice a antičástice v gravitačním poli Země a zjištění průběhu gravitační interakce mezi hmotou a antihmotou. Efektivní produkce Rydbergových pozitronií by nepřinesla užitek jen pro studium pádu pozitronii, ale mohla by přispět i k efektivní produkci antivodíku pro studium pádu tohoto antiatomu. Na tomto problému pracují i fyzikové experimentu AEGIS, který chce právě padání antivodíku studovat. V článku o tomto experimentu se vysvětlovalo, že pro efektivní produkci antivodíku je výhodné využít Rydbergovo pozitronium a popisuje, jak se dá průběh pádu antivodíků měřit. Podobných technik by využívalo i při určování průběhu pádu pozitronií.
Závěr
Je vidět, že se v poslední době vylepšily možnosti studia setrvačné a gravitační hmotnosti antičástic. Dá se očekávat, že v nejbližších letech bude možné s velkou přesností odpovědět na to, zda je setrvačná hmotnost antičástic stejná jako částic a jakým způsobem padá antihmota v gravitačním poli Země. Můžeme se tak těšit na zajímavé objevy.
O přípravě Rydbergových pozitronií v Kalifornské univerzitě se lze dočíst zde a u projektu AEGIS zde.
Diskuze:
