Past na antihmotu poletí

Past na antihmotu přece jen raketoplán ke stanici ISS dopraví

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha

V srpnu oznámila organizace NASA, že hmotnostního spektrometr AMS-02 (Alpha Mass Spectrometer), který má hlavně studovat výskyt antihmoty ve vesmíru, dopraví na vesmírnou stanici ISS let raketoplánu STS-134 v roce 2010. Tento let bude posledním nebo předposledním letem raketoplánů vůbec. Půjde o raketoplán Discovery a let by se měl uskutečnit 29. července zmíněného roku 2010. V posádce raketoplánu bude jako letový specialista i evropský astronaut organizace ESA Robert Vittori. Jde o pilota italských vzdušných sil, který má navíc i vysokoškolské vzdělání v oblasti fyziky. V polovině letošního října navštívil Robert Vittori spolu s velitelem letu Markem E. Kellym laboratoř CERN, kde se kromě přípravy k letu zúčastnili i exkurze na pracoviště spojená s urychlovačem LHC a experimenty, které jej budou využívat.

Jako letový specialista poletí během letu STS-134 i evropský astronaut Robert Vittori (zdroj NASA a ESA).

Hlavním úkolem spektrometr AMS má být detekce a identifikace různých antičástic a antijader ve vesmírném prostoru. Má zjistit v jakém množství se antihmota v našem vesmírném okolí vyskytuje a jakého je druhu. Vznik antiprotonu při srážkách jader kosmického záření, které mají velmi vysokou energii, s jádry plynu vyskytujícího se v mezihvězdném a meziplanetárním prostoru je relativně běžnou událostí a těchto antičástic (vlastně i antijader) zachytí spektrometr spoustu. Naopak velmi vzácně vznikají antideuterony. V tomto případě musí při srážce jádra vysokoenergetického kosmického záření a jádra mezihvězdného plynu vzniknout téměř současně velmi blízko sebe antiproton i antineutron. A nejen to. Oba tyto antinukleony musí letět téměř stejnou rychlostí a téměř stejným směrem. To proto, aby jejich relativní rychlost byla natolik malá, že je jaderná síla dokáže svázat do antideuteronu. A protože se v předchozím textu vyskytuje slovíčko téměř příliš častokrát, dochází ke vzniku antideuteronu jen s velice malou pravděpodobností. Produkce antijader s ještě větším počtem antinukleonů (helia 3 nebo helia 4 či ještě těžších) je tímto způsobem opravdu zanedbatelná a spektrometr AMS-02 je nemá šanci zachytit.

Velitel budoucího letu STS-134 Mark E. Kelly při své návštěvě v laboratoři CERN 15. října 2009 (zdroj CERN)

Pokud tedy přistroj těžší antijádra uloví, musela vzniknout jiným způsobem. V našem vesmíru by musely existovat oblasti, kde se na rozdíl od našeho okolí vytvořil v jeho ranných stádiích přebytek antihmoty nad hmotou. Antihelium by tak mohlo vzniknout v ranných stádiích vývoje vesmíru nebo spolu i s těžšími antijádry v „antihvězdách“ složených z antivodíku. Oblasti vyplněné antihmotou nemohou být příliš blízko, protože nepozorujeme projevy anihilace na rozhraní oblastí s antihmotou a hmotou. Přesto však nemusí být vyloučeno, že někde velmi daleko existují. I přes obrovskou vzdálenost může do spektrometru „antiprodukt“ v podobě antihelia či ještě těžšího antijádra s velmi vysokou kinetickou energií i rychlostí z této oblasti doputovat. Zachycení byť jednotlivých kousků antijader těžších než antideuteron by bylo velmi silným důkazem pro existenci oblastí z antihmoty v našem vesmíru. Pokud spektrometr AMS-02 v průběhu své činnosti žádné antihelium nezaznamená, bude to velmi silná evidence pro to, že až do vzdálenosti zhruba 1000 Mpc (přes tři miliardy světelných let) se žádné oblasti s antihmotou („antigalaxie“) nevyskytují. To znamená až téměř po hranici viditelného vesmíru.

Dráhový detektor je tvořen polovodičovými křemíkovými detektory (zdroj CERN).

Přesná měření energetických spekter antiprotonů a antideuteronů by mohla přispět k zjištění, zda část z nich nevzniká v rozpadech velmi těžkých exotických částic, které by mohly tvořit temnou hmotu. Dalším exotickým objektem, který by mohl spektrometr ulovit, by mohla být stabilní podivnůstka (anglicky strangelet). Podivnůstky jsou tvořeny stabilní formou kvark-gluonového plazmatu a mohly by vznikat v průběhu výbuchu supernovy, při srážce jádra kosmického záření s extrémně vysokou energií s jiným jádrem nebo při vypařování malých primordiálních černých děr, které mohly hypoteticky vznikat ve velmi ranném vesmíru a v současnosti se vypařují Hawkingovým zářením. Podivnůstky se ve spektrometru projeví svou, na obyvatele mikrosvěta velkou, hmotností a nábojem

Zmiňovaná antijádra a exotické objekty vznikají při procesech spojených s velmi velkou uvolněnou energií. Tedy i jejich kinetická energie bude velmi vysoká. Stejně tak, jestli k nám těžká antijádra z případných velmi vzdálených oblastí složených z antihmoty mají dorazit, musí mít rychlost velmi blízkou rychlosti světla. Mají tedy i velmi vysokou kinetickou energii a jsou součástí vysokoenergetického kosmického záření.

Supravodivý magnet, který bude obklopovat dráhové detektory (zdroj CERN).

Spektrometr musí být postaven takovým způsobem, že dokáže určit hmotnost a náboj jádra či jiného objektu s vysokou kinetickou energií. Proto se skládá z řady detektorů a hlavně supravodivého magnetu, který vytváří velmi intenzivní magnetické pole. To zakřivuje pohyb nabitého jádra v závislosti na tom, jaký je jeho náboj, hmotnost a hybnost. Velmi vysoká intenzita vytvořeného magnetického pole umožňuje znatelně zakřivit i dráhu jádra s velmi vysokou hybností (kinetickou energií). Spektrometr je tak jeden z prvních ideálních nástrojů pro zkoumání jader kosmického záření velmi vysokých energií. Kromě jader antihmoty v tomto záření bude zkoumat i složení a energetická spektra jader hmoty kosmického záření. Může tak identifikovat a určit množství stabilních i nestabilních jader. A to i jader, která mají kratší dobu života (v řádu desítek a stovek milionů let), než je doba existence Sluneční soustavy, a v našem okolí se už dávno rozpadla. Můžeme tak zjistit, jaká je pravděpodobnost produkce takových izotopů ve hvězdách či při výbuších supernov. To jsou velmi důležité informace pro pochopení hvězdného vývoje a hlavně jeho konečných stádií.

Podrobný popis spektrometru AMS-02, jeho detektorového vybavení, vědeckých cílů i průběhu letu předchozího testovacího spektrometru AMS-01 jsem už pro Osla napsal. Teď se jen blíže zmíním o jednom typu detektorů, který se ve spektrometru bude využívat a nebyl ve zmíněném předchozím článku pro Osla popsán. Jedná se o detektor Čerenkovova záření. Tento typ detektorů využívá jevu, ke kterému dochází při pohybu nabité částice či jádra v materiálu. Ve hmotě se světlo pohybuje pomaleji než ve vakuu. V případě, když se pak nabitá částice s velmi vysokou kinetickou energií pohybuje rychlostí větší než je rychlost světla v tomto prostředí (ale pochopitelně stále menší než rychlost světla ve vakuu), začne vyzařovat elektromagnetické záření ve vlnových délkách zahrnujících oblasti viditelného světla a rozsahy nedaleko od něho. Úhel, do kterého je Čerenkovovo světlo vyzařováno vůči směru letu částice, závisí na velikosti rychlosti částice. Pokud postavíme kolmo na směr pohybu částice zařízení schopné zobrazit místa dopadu světla, vytvoří vyzařované světlo kroužek se středem ve směru letu částice. Čím větší je rychlost částice, tím větší je úhel, do kterého je vyzářeno Čerenkovovo světlo, a tím i poloměr kroužku. Zároveň je intenzita vyzařovaného Čerenkovova záření tím větší, čím větší je náboj částice. Čerenkovův detektor je tak schopen určit rychlost i náboj částice či jádra. Spektrometr AMS-02 bude zkoumat částice a jádra v kosmickém záření s vysokou energií, takže je pro něj Čerenkovův detektor velmi vhodný. Bude umístěn ve spodní části spektrometru za magnetem a u protonů určí rychlost s přesností zhruba desetina procenta.

Jedním z detektorů, které budou ve spektrometru AMS-2 využity je i RICH (Čerenkovův detektor). (Zdroj prezentace Francesci Giovacchini, CERN).

Existují dva hlavní důvody, proč musí být spektrometr AMS-02 umístěn na vesmírné stanici ISS a neletí jako samostatná družice. Jedním je vysoká spotřeba elektrické energie. Je potřeba příkon 2,5 kW, který by se na samostatné družici těžko zajišťoval. Druhým pak je velmi velký objem dat, který bude spektrometr produkovat. Pro jeho sběr, předzpracování a vyslání do pozemského řídícího střediska je potřeba velmi velký počítač, který je dostupný právě na stanici ISS.

Rozhodnutí o vynesení spektrometru AMS-02 je důsledkem úspěšného dobudování stanice ISS a rozšíření její posádky na šest osob. To umožňuje rozšířit výzkumný program stanice. A taky se zvyšuje důraz na objem a kvalitu vědeckého výzkumu, který se na stanici provádí. Je potřeba ukázat, že stanice ISS je nyní velmi efektivní zdroj nových vědeckých poznatků.

V současné době je spektrometr AMS-02 umístěn v laboratoři CERN, kde lze provádět testy a kalibrace jednotlivých detektorů spektrometru. Po převozu do USA bude umístěn v nákladovém prostoru raketoplánu Discovery. Po vynesení na oběžnou dráhu a příletu Discovery k vesmírné stanici ISS proběhne relativně velice náročná operace. Spektrometr má hmotnost sedm tun a manipulace s ním tak není jednoduchá. Nejdříve bude spektrometr vytažen robotickým ramenem raketoplánu z nákladového prostoru, pak si jej převezme robotické rameno stanice ISS a pomocí něho bude umístěn na své místo na povrchu stanice.

Data získaná pomocí spektrometru i informace o jeho stavu budou nejdříve přenášena do řídícího střediska NASA v Hunstville v Alabamě. Odtud pak budou odeslána do laboratoře CERN, kde bude probíhat kontrola jednotlivých částí přístroje i analýza dat, které spektrometr získal.

Stanice ISS s umístěním spektrometru AMS-02 (zdroj CERN).

Je velmi dobrou zprávou nejen pro vědeckou komunitu, ale pro všechny, kteří se zajímají o to, jak náš vesmír vznikl, jak vypadá a jaké procesy v něm probíhají, že spektrometr AMS-02 dostal zelenou pro start. A můžeme se těšit, že se toto zařízení, jehož vývoj a konstrukce si vyžádaly zhruba 1,5 miliardy dolarů, začne v druhé polovině příštího roku úspěšně posílat do pozemních středisek zajímavé informace. A je dost velká naděje, že objeví i něco úplně nového a nečekaného.

Ženeva 20. 10. 2009