V tomto roce experimenty v laboratoři CERN získaly několik velmi zajímavých výsledků týkajících se vlastností antihmoty. Podívejme se postupně na některé z nich podrobněji. Jako prvnímu se budeme věnovat experimentu ALPHA-g a jeho měření tíhového zrychlení u antihmoty.

 

Je hmota stejná jako antihmota?

Každá částice hmoty má svého partnera. Ten se liší ve znaméncích elektrického náboje, magnetického momentu a některých dalších specifických kvantových veličin, označovaných jako kvantová čísla (jde například o baryonové číslo, leptonové číslo, podivnost, …). Z antinukleonů, antiprotonů a antineutronů, lze vytvořit antijádra, která mají na rozdíl od jader záporný elektrický náboj. Pokud k nim přidáme kladně nabité pozitrony, což je název pro antihmotné partnery elektronů, dostaneme antiatomy. Z nich pak lze vytvořit antimolekuly a všechnu pestrost, kterou známe z našeho světa.

V současné době máme dvě teorie, které popisují náš svět. Jde o Obecnou teorii relativity, která popisuje gravitační interakci a Standardní model hmoty a interakcí. V Obecné teorii relativity by se vlastnosti hmoty a antihmoty neměly lišit, Standardní model hmoty a interakcí rozdíly mezi hmotou a antihmotou obsahuje. Jsou však jen velmi malé a spojené pouze se slabou interakcí. Jejich projevy můžeme pozorovat v narušení C a CP symetrie. To nám třeba umožňuje sdělit na dálku při komunikaci s mimozemšťany, co je kladný elektrický náboj a že jsme z hmoty a ne antihmoty. Podrobně je to popsáno v dřívějším článku. V experimentech s pomocí velkých urychlovačů tak můžeme pozorovat rozdíly mezi rozpady částic a antičástic, které odpovídají předpovědím Standardního modelu hmoty a interakcí.

 

Je gravitační síla mezi hmotou a antihmotou přitažlivá?

Základem Obecná teorie relativity je princip ekvivalence, který říká, že gravitační vliv na těleso je dán pouze jeho hmotností a nezávisí na tom, z čeho je složeno. Setrvačná hmotnost by měla být totožná s tou gravitační. A mělo by to platit i v případě, že se bude skládat z antihmoty. To znamená, že i těleso z antihmoty by mělo mít stejné tíhové zrychlení a ze Šikmé věže v Pise by padalo těleso z antihmoty úplně stejně, jako to z hmoty, které tam pouštěl Galileo Galilei.

 

Zkontrolovat, zda to opravdu platí, je však extrémně náročné. Problémem je, že nemáme makroskopická tělesa z antihmoty, která bychom mohli nechat padat v gravitačním poli. Pomocí nich bychom mohli snadno zkontrolovat, jestli je u nich tíhové zrychlení stejné, jako je u těles z hmoty, tedy zhruba 9,81 m/s². Máme pouze nabité částice, například antiprotony. Jejich hmotnost je však extrémně malá, naopak měrný náboj, tedy poměr náboje a hmotnosti, je extrémně velký. Jelikož je prostor vyplněn elektrickými a magnetickými poli a elektromagnetická interakce je o mnoho řádů intenzivnější než gravitační, tíhová síla působící na antiproton je zanedbatelná ve srovnání s těmi elektrickými a magnetickými.

 

Je tak třeba připravit elektricky neutrální objekt z antihmoty. Takovým je například atom antivodíku. V laboratoři CERN se s využitím antiprotonového zpomalovače daří v několika experimentech produkovat a shromažďovat stále větší počet antivodíkových atomů. Podařilo se tak vytvořit podmínky, aby se dal pád antivodíku v gravitačním poli Země studovat.

 

Test slabého principu ekvivalence na zařízení ALPHA-g

Studium padání antivodíku v gravitačním poli slouží k testování slabého principu ekvivalence. Ten říká, že gravitační vliv na těleso závisí pouze na hmotnosti, a ne na tom, jaké je chemické složení a struktura její hmoty či zda jde o antihmotu. Pokud stojí za jevem označovaným jako temná hmota částice s nenulovou klidovou hmotností, mělo by to platit i pro ně. Pro hmotu s různým chemickým složením byla realizovaná celá řada experimentů s využitím torzních vah. V současné době je experimenty na družicích Země shoda potvrzována až na úrovni 10^-15. Ověřování slabého principu ekvivalence pro antihmotu teprve začíná, a to právě díky experimentům, které využívají antiprotonový zpomalovač v laboratoři CERN. Vedla k tomu dlouhá cesta postupného vylepšování metod produkce a uchovávání antivodíku. Její některé etapy jsou popsány v několika dřívějších článcích (zde, zde a zde).

Silný princip ekvivalence říká, že stejný gravitační vliv má i hmotnost spojená s elektromagnetickým i jinými poli. Mělo by se to týkat i hypotetických polí, pokud by tato stála za jevem popisovaným jako temná energie.

 

Dominantní část fyziků předpokládá platnost Obecné teorie relativity a slabého principu ekvivalence. Přesto existuje řada prací, které studují dopady možnosti, že gravitační síla mezi hmotou a antihmotou může být dokonce odpudivá. Proto v laboratoři CERN neustále vylepšují možnosti produkce a skladování antivodíku a jeho využití pro studium vlastností antihmoty. Na podzim tohoto roku se podařilo experimentu ALPHA-g prokázat, že gravitační síla mezi hmotou a antihmotou je přitažlivá.

 

Produkce antiprotonů

Připomeňme, jakým způsobem se realizuje produkce antivodíku. Prvním krokem je produkce antiprotonů. K tomu se využívá svazek relativistických protonů z urychlovače PS (Protonový Synchrotron), který dopadá na tlustý terč z těžkého kovu. V interakci protonů z těžkými jádry vznikají i páry protonu a antiprotonu. Produkuje se tak velký počet antiprotonů. Jejich vznik v relativistických srážkách však vede k tomu, že mají velmi vysoké rychlosti a kinetické energie. Nejsou tak vhodné pro produkci antivodíku. Navíc letí do velmi různorodých směrů a různě rychle.

Pomocí elektrických a magnetických polí je však možné je fokusovat do ústí antiprotonového zpomalovače AD (Antiproton Decelerator). Je třeba zmínit, že vhodnou rychlost a směr pro možnost využití v antiprotonovém zpomalovači má jen značně omezená část vzniklých antiprotonů. Musí totiž mít kinetickou energii ve vhodném rozsahu. Antiprotonový zpomalovač se stejně jako urychlovač skládá z dipólových magnetů, které svazek antiprotonů vedou po kruhové dráze a kvadrupólových magnetů, které jejich svazek fokusují. Musí se totiž kompenzovat jeho rozšiřování, které je dáno vzájemným odpuzováním záporně nabitých antiprotonů.

 

Zároveň jsou zde umístěny dutiny, jejichž vysokofrekvenční elektrické pole postupně antiprotony zpomaluje. Jak bylo zmíněno, mají vzniklé antiprotony různou kinetickou energii. V průběhu jejich zpomalování se pomocí procesu, označovaného jako elektronové chlazení, jejich kinetické energie vyrovnávají.

 

Připomeňme si, že teplota je dána vzájemným chaotickým pohybem částic, které danou hmotu tvoří. Velikost teploty je pak dána střední kinetickou energií těchto částic. Pokud se tato střední kinetická energie jejich vzájemného pohybu snižuje, snižuje se i teplota látky. Svazek protonů z protonového synchrotronu je formován do jednotlivých shluků a do shluků je formován i svazek antiprotonů v antiprotonovém zpomalovači. Jednotlivé antiprotony se vůči hmotnému středu shluku, který se s danou kinetickou energií svazku pohybuje po obvodu zpomalovače, chaoticky pohybují s různými rychlostmi. Jako veličinu, která popisuje velikost tohoto vzájemného chaotického pohybu antiprotonů svazku, pak můžeme využít teplotu, která je dána střední kinetickou energií tohoto chaotického pohybu. Jejím snižováním tak dochází k ochlazování plazmatu složeného z antiprotonů.

 

Elektronové chlazení probíhá tak, že se produkuje velmi intenzivní a co nejvíce monoenergetický svazek elektronů, přičemž střední rychlost elektronů je stejná jako střední rychlost iontů. Svazek elektronů se spojí se svazkem antiprotonů, který potřebujeme ochladit. V coulombovských rozptylech elektronů a antiprotonů při jejich chaotickém pohybu vůči hmotnému středu plazmatu složeného z elektronů a antiprotonů dochází k vyrovnávání hybnosti tohoto chaotického pohybu. Elektrony mají mnohem nižší hmotnost, takže při vyrovnání hybností s protony musí mít mnohem větší rychlosti, a i jejich kinetická energie vzroste. Na elektrony se tak přenese část kinetické energie chaotického pohybu antiprotonů. Teplota elektronového plazmatu se zvýší a teplota antiprotonového plazmatu se sníží. Pak se svazky elektronů a antiprotonů oddělí.

V antiprotonovém zpomalovači dojde ke snížení rychlosti antiprotonů jejich zpomalením na desetinu rychlosti světla a vyrovnání jejich rychlostí pomocí elektronového chlazení. Kinetická energie takto zpomalených antiprotonů je 5,3 MeV. Tyto antiprotony se pak přiváděly k jednotlivým experimentům, které studovaly antivodíky nebo jiné systémy obsahující antiprotony. Ovšem popsaná hodnota rychlosti antiprotonů na výstupu zpomalovače byla pořád ještě dost vysoká, což snižovalo účinnost jejich vyvedení k urychlovačům i kvalitu antiprotonového svazku dodávaného experimentům.

To byl důvod, proč se vybudovalo navazující zařízení zpomalující antiprotony ELENE (Extra Low ENergy Antiproton). Tento navazující zpomalovač s obvodem 30 metrů sníží kinetickou energii padesátkrát na pouhou desetinu megaelektronvoltu. Počet předaných antiprotonů, které jsou zachyceny experimenty v jejich magnetických pastech se zvýšil o jeden až dva řády. Kvalita experimentů i možnosti studia velmi slabých efektů spojených s antihmotou se tak dramaticky zvýšila. V současné době využívají antiprotonový zpomalovač a zařízení ELENE experimenty AEgIS, ALPHA, ASACUSA BASE a GBAR.

 

Produkce antivodíku

Zaměřme se na experiment ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus). Antiprotony dopravené do tohoto experimentu jsou zachyceny v magnetické pasti, k nim se přidají pozitrony (antielektrony) vznikající v rozpadu beta plus sodíku 22. Vzniká tak plazma složené z antihmoty. Pokud se je podaří ochladit, začnou antiprotony zachycovat pozitrony a vznikají antivodíky. Ty jsou neutrální, z pasti pro plazma unikají a anihilují na stěnách vakuové nádoby.

Pro jejich zachycení musíme mít připravenu jinou past, která využívá magnetický dipólový moment antivodíku. Ten způsobuje, že vodík i antivodík jsou vlastně malé magnetky, které lze odpovídajícím tvarem a intenzitou magnetického pole zachytit a udržet. Centrální hlavní část je tvořena oktupólovým elektromagnetem. Magnetická indukce oktupólového magnetického pole je v tomto případě okolo 1 T. Past je uzavřena magnetickými zrcadly vytvářenými dalšími elektromagnety.

 

Jak už bylo několikrát zmíněno, souvisí střední kinetická energie chaotického pohybu molekul s teplotou. Mezi střední kinetickou energií a teplotou platí lineární závislost, přičemž konstantou úměrnosti je Boltzmanova konstanta. Energii částic tak můžeme vyjadřovat v jednotkách teploty a obráceně. Magnetická past na antivodíkové atomy vytváří potenciálovou jámu, ve které jsou tyto atomy díky svému magnetickému dipólovému momentu zachyceny. Potenciálová jáma má však jen omezenou hloubku. Pokud má antivodík hodnotu rychlosti a tím i kinetické energie přesahující tuto hloubku, z pasti uniká a anihiluje. V našem případě je tato hloubka 540 mK, což je v energetických jednotkách 0,47 mikoelektronvoltů.

 

Neutrální antivodíky, které mají vyšší rychlost a jejich kinetická energie překračuje hloubku potenciálové jámy pasti, z pasti uniknou. Zachytit se podaří jen ty z energií nižší. Je tak třeba dosáhnout co nejnižší teploty antivodíkového plynu, aby se co největší část produkovaných antivodíků v pasti zachytila a co nejdéle udržela. Rozložení kinetických energií chaotického tepelného pohybu atomů či molekul plynu má dlouhý chvost k vyšším energiím, takže i při nízkých teplotách zde existují atomy, které mají dostatečnou kinetickou energii a rychlost, aby z magnetické pasti unikly. Při snižování teploty však jejich počet rychle klesá. Ovšem v případě experimentu ALPHA byla teplota poměrně vysoká, v prvních experimentech byla teplota antiprotonů po termalizaci pozitrony a vznikajících antivodíků okolo 50 K, a zachytit do pasti se dařilo jen velmi malou část.

Hlavním úkolem je dlouhodobé udržení antivodíku. Pokud je jejich kinetická energie dostatečně malá, aby jej past udržela, jsou hlavním zdrojem ztrát interakce se zbytkovým plynem složeným z hmoty. Dominantně jde o vodíky nebo vodíkové molekuly a atomy hélia. Antivodíky s ním anihilují, případně v rozptylu na něm se zvýší jejich energie a mohou z pasti uniknout. Kinetická energie anihilujících antivodíků, které unikají po záchytu z pasti, je velmi nízká. Je to dáno tím, že musí překonat stěny potenciálové jámy, a navíc u nich probíhá adiabatické ochlazení rozpínajícího se plynu.

Již dříve se podařilo ukázat, že pomocí uvedené magnetické pasti dokážeme antivodík zachytit a udržet. Malou frakci až 1000 sekund. Lze tak získat podmínky potřebné pro spektrometrii antivodíku i pro studium jeho chování v gravitačním poli Země.

 

Pohyb antivodíku v tíhovém poli Země

Při testování pádu antivodíku v gravitačním poli narážíme na jeden zásadní problém. Když pouštěl Galileo Galilei koule ze Šikmé věže v Pise, tak byla na začátku v klidu a její rychlost byla dána pouze tíhovým zrychlením. Pokud máme plyn složený z antivodíku, tak se u něj s odpovídajícím rozložením rychlostí podle jeho teploty pohybují chaotickým pohybem jednotlivé atomy. Ty pak při pádu nejsou na počátku v klidu na místě, ale mají nějakou počáteční rychlost. Padají pak po parabolické dráze. Pokud je teplota plynu vysoká, jsou rychlosti tohoto chaotického pohybu velké a s vysokou pravděpodobností je velká i její podélná složka. Po vypnutí magnetického pole pak atomy antivodíku vyletí z magnetické pasti po parabolické dráze dané tíhovým zrychlením a počáteční rychlostí. Pokud je teplota vysoká, je velká pravděpodobnost poměrně vysoké rychlosti v podélném směru. Tíhové zrychlení pak nestihne dosáhnout vyšší rychlosti pádu před tím, než dopadnou na stěny vakuové nádoby a dojde k anihilaci antivodíku.

 

První měření pádu antivodíku v gravitačním poli Země realizoval experiment ALPHA před více než deseti lety a publikoval je v roce 2013. To bylo ještě před dokončením zařízení ELENE. Celkový počet analyzovaných antivodíků tak byl velmi omezený. Zároveň byla poměrně vysoká teplota antivodíkového plynu. Při těchto měřeních se testovala metodika a hledaly se možnosti budoucího zlepšení a potenciál budoucího vylepšeného zařízení navázaného na zařízení ELENE. Pro detekci anihilace antivodíku se využívaly křemíkové polohově citlivé detektory rozmístěné okolo magnetické pasti (viz obrázek), které určovaly polohu (přesnost 8 mm) a čas (kanál 0,1 ms) anihilace.

Měření probíhá tak, že se vypne jak oktupólové magnetické pole i obě magnetická zrcadla. Doba, po kterou probíhá vypínání je okolo 9,5 ms. Vymizení potenciálové jámy pasti pak probíhá ještě pomaleji, po 20 ms má pořad hloubku 11 mK, připomeňme, že standardní je 560 mK. Antivodíky unikající z pasti po jejím vypnutí jsou detekovány prostřednictvím anihilace na stěnách pasti. Pro určení místa anihilace se využívá detekce částic, které při nich vznikají. Pomocí zmíněných křemíkových detektorů lze určit vrchol, ze kterého přilétají. Měření historie anihilace pak byla klíčová pro určování vlivu gravitace Země na antivodík. Antivodíky unikají postupně, napřed ty s vyšší kinetickou energií, a nakonec ty s nejnižší, které musí čekat, až se hloubka potenciálové jámy pasti dostatečně sníží. Celkově se podařilo v pasti zachytit 434 antivodíků, u kterých se podařilo pozorovat následnou anihilaci. Z nich 26 bylo těch, které z pasti vyletěly až po 20 ms po jejím vypnutí, tedy s energií nižší než 11 mK. Ty měly nejnižší počáteční rychlosti a jejích pád v magnetickém poli jí byl nejméně ovlivněn.

 

Rozložení času a místa anihilace pro detekovaný soubor se pak porovnává se simulacemi, které započítávají různý vliv tíhového zrychlení. Pokud by byla tíhová síla u antihmoty stejná jako u hmoty, byla by tendence posunovat místa anihilace ke spodním částem pasti. Tendence k vyšší pravděpodobnosti anihilace ve spodních částech pasti se opravdu pozorovala. Ale i kvůli malé velikosti pozorovaného statistického souboru antivodíků byla nepříliš výrazná. V mezích nejistot tak nevylučovala i možnost, že tíhová síla Země působící na antivodík je i odpudivá. Konečné rozhodnutí o tom, že jde o sílu přitažlivou a podobnou té působící na antivodík, tak zůstalo pro další experiment.

 

Vertikální magnetická past na antivodík ALPHA-g

Takový se podařilo realizovat sestavě ALPHA-g. V tomto případě už bylo možné využít popsaný další stupeň zpomalování antiprotonů ELENE. V zařízení ALPHA-2 se daří současně zachytávat a udržovat až několik tisíc antivodíku. To dramaticky zlepšilo možnosti spektroskopického měření vlastností antivodíku. Pro měření chování antivodíku v tíhovém poli Země se v roce 2018 vybudovala vertikálně orientovaná magnetická past na antivodíky. Měření probíhalo tak, že se nejdříve vyprodukovalo a zachytilo co nejvíce antivodíků. Následně se zrušila magnetická zrcadla dole a nahoře a zkoumalo se, zda a jak je pohyb antivodíku ve vertikálním směru ovlivněn tíhovou silou, a jak to ovlivní čas a místo jejich anihilace na stěnách vakuové nádoby.

 

Zařízení ELENE může dodat během 120 sekund zhruba 7,6∙10⁶ antiprotonů s energií 100 keV, z nich 5∙10⁵ antiprotonů je zachyceno a po jejich zchlazení oblakem elektronů jsou vpuštěny do pasti ALPHA-g. K nim se přivede zhruba 3∙10⁶ pozitronů. Vznikající antivodíky byly zachycovány popsanou magnetickou pastí. Oblast, kde antivodíky vznikaly a zachytávaly se, se chladila na teploty 4 K. Jde o vertikální cylindr o průměru 4,4 cm a výšce 25,6 cm. Při jednom cyklu produkce a zachytávání se získá velmi omezený počet antiatomů, dají se však postupně hromadit v následujících cyklech.

Studium vlivu tíhové síly na antivodík se pak realizuje následujícím způsobem. Během dvaceti sekund se postupně souběžně snižoval proud v elektromagnetech A a G (viz obrázek) vytvářejících dolní a horní zrcadlo magnetické pasti. Antivodíky pak mohou unikat buď nahoru nebo dolů a anihilovat v odpovídajících místech vakuové nádoby. Místo a čas anihilace pak bylo zjištěno detekcí vznikajících částic a rekonstrukcí jejich drah pomocí speciálního detektorového systému. Pokud by nebylo tíhové zrychlení, vyletěl by dolním vypnutým zrcadlem pasti stejný počet antivodíku jako horním. Simulace předpovídaly, že v případě tíhového zrychlení 9,81 m/s², které je u vodíku, by dolním zrcadlem vyletělo 80 % antivodíků. Vliv tíhové síly lze kompenzovat nastavením velmi malého rozdílu v intenzitě magnetického pole mezi horním a dolním zrcadlem během vypínání magnetického pole zrcadel. Pokud tak budeme měnit tento rozdíl tak, abychom dospěli k situaci, že horním a dolním zrcadlem vyletí stejný počet antivodíku, je možné z tohoto rozdílu určit velikost tíhového zrychlení.

 

Při reálném experimentování se akumulovaly antivodíky získané v proběhu 50 cyklů realizovaných během zhruba čtyř hodin. V pasti se jich za tu dobu shromáždilo okolo stovky. Takových měření se udělala řada. Zároveň se u nich postupně měnil rozdíl mezi magnetickým polem horního a dolního zrcadla tak, aby simuloval hodnoty tíhového zrychlení od – 3g do +3g, kde g je normální tíhové zrychlení. Pro různá nastavení se pak určoval poměr mezi počtem antivodíků, které opustily past dolním zrcadlem, a těmi, které letěly nahoru. Výsledek je ukázán na obrázku. Je vidět, že experimentální data jsou velice blízko simulacím, které vychází pro tíhové zrychlení odpovídající tomu pro hmotu. Zároveň vylučují možnost, že by gravitační síla mezi hmotou a antihmotou byla odpudivá. Získaná výsledná hodnota tíhového zrychlení u antivodíku je 0,75 g, s nejistotou měření ±0,13 g a nejistotou simulací 0,16 g. Tedy naměřená nejpravděpodobnější hodnota je 75 % tíhového zrychlení u hmoty, ale v mezích nejistot měření a simulací je i shoda mezi gravitačním přitahováním hmoty a antihmoty.

 

##seznam_reklama##

Závěr

Novému experiment ALPHA-g zaměřenému na studium chování antihmoty v gravitačním poli Země se podařilo prokázat, že gravitační síla mezi hmotou a antihmotou není odpudivá a je blízká té mezi hmotou a hmotou. Potvrzuje se tak slabý princip ekvivalence v Obecné teorii relativity. Experiment využil možnosti dalšího zpomalení antiprotonů získaných v antiprotonovém zpomalovači AD pomocí zařízení ELENE a nový typ vertikální magnetické pasti na antivodík ALPHA-g. Došlo tak k zásadnímu zvýšení počtu antivodíků, které jsou zachyceny v magnetické pasti. Je však třeba zdůraznit, že použitá zařízení mají stále velký potenciál pro zlepšení produkce a zachytávání antivodíku. Další zlepšení přinese i laserové ochlazování antivodíkového plynu, se kterým se v budoucnu počítá. Přesnost měření tíhového zrychlení by se mohla dále významně zlepšit a jeho nejistota by se mohla již brzy snížit pod jedno procento. Na další pokrok ve studiu vlastností antihmoty v tomto roce se podíváme v následujícím článku.

 

---

Redakcí doporučená videa:

1.) Experiment s pádem antivodíku je popsán i v přednášce o kosmologických novinkách v roce 2023

 

2.) Antihmota ve vesmíru