Jaká je gravitační síla mezi hmotou a antihmotou?

 

Vladimír Wagner

 

Antihmota se v našem vesmíru vyskytuje pouze ve formě jednotlivých elementárních částic. Tyto částice dokážeme v poměrně velkých počtech produkovat pomocí urychlovačů. Gravitační interakce je však extrémně slabá a tak dosud s jistotou nevíme, zda by planeta z antihmoty byla ke Slunci přitahována jako Země, nebo by ji Slunce naopak odpuzovalo.

 

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 skupiny z Kalifornie by jim mohl velmi pomoci.

 

Antičástice a antihmota

 

Již v roce 1932 předpověděl P. 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 mezi ně zařadit i antihypertriton, který se skládá z jednoho antiprotonu, jednoho antineutronu a jednoho antihyperonu lambda. Ten byl objeven také velmi nedávno. Cesta k neutrálním atomům antihmoty je velice těžká a dlouhá, takže prozatím se podařilo vyrobit pouze antivodík. Poprvé byl sice vytvořen již v roce 1995, ale 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 vázané elektromagnetickými silami, které jsou celkově elektricky neutrální. Takovým systémem je například pozitronium, které se skládá z jednoho elektronu a jednoho pozitronu. Další možností je vázaný systém protonu a antiprotonu nebo systém složený z heliového atomu, ve kterém 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.

Jak bylo zmíněno, předpokládá se, že hmota částice a antičástice je stejná, ale experimentální potvrzení tohoto předpokladu bylo zatím provedeno s omezenou přesností. Než se na problém podíváme podrobněji, je potřeba si připomenout rozdíl mezi gravitační a setrvačnou hmotností.

 

 

Pohled na část antiprotonového zpomalovače v laboratoři CERN (zdroj CERN).

 

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 Einsteinovi obecné teorie relativity je předpoklad, že setrvačná hmotnost je stejná jako gravitační. Ten vede i k principu ekvivalence, který 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 R 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. S energie potřebné na jejich urychlení 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 mít silný vliv na 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 ve světě, který je v zrcadle, 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.

 

zonepeople.jpg

 

Celkový pohled na experiment APLPHA (zdroj APLPHA, CERN).

 

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, závisí na 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, které jdou s dlouhožijících stavů v atomech vodíku či antivodíku. Takové stavy se označují 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.

 

 

Část elektrod v magnetické pasti, která mixuje dohromady antiprotony a pozitrony (zdroj CERN).

 

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 zpomalit 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 zachycení pomocí jeho magnetického momentu se experimentům podařilo v roce 2009 a na konci roku 2010 se podařilo jeho dlouhodobější udržení. 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 intenzitu magnetického 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.

 

 

První antiprotony zachycené experimentem ALPHA v roce 2011 (Zdroj APLPHA, CERN).

 

Během minulého roku se podařil další obrovský skok v tomto zachytávání. Experimentu ALPHA podařilo zachytit 112 antiatomů zhruba na 1000 s, tedy více než šestnáct a půl minuty (viz zde na Oslovi). Současně během jednoho cyklu produkce se zatím podařilo zachytit pouze tři atomy antivodíku. Přesto se dařilo měřit rozložení energií zachycených antivodíků, což je první studiu takového systému. Cílem 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. A právě i pro měření přechodů spojující dlouhožijící stavy a umožňující určení shodnosti setrvačné hmotnosti pozitronu a elektronu se zmiňovanou fantastickou přesností.

Trochu jiným způsobem vytvářel antivodík a potom s nimi zacházel experiment ASACUSA. Ten vytvářel Rydbergovy antivodíky a manipuloval s nimi 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 zase dva lasery. 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.

Velice významné zlepšení pro práci experimentů vyrábějících antivodík by bylo postavení malého zpomalovače mezi velký zpomalovač antiprotonů AD a zmíněné experimenty. Ten by antiprotony ještě více zpomalil, takže by jejich kinetická energie klesla až na 110 keV (jedna desetitisícina jeho klidové energie). Tím by se usnadnila situace pro experimenty a zvýšila efektivita produkce antivodíku či jiných systémů obsahujících antiprotony. Projekt na vybudování takového zpomalovače je označován jako 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.

 

 

Zobrazení anihilace antivodíků, které se nepodařilo zachytit uvnitř magnetické pasti (zdroj CERN).

 

 

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. Není tak problém to, že vyrábíme pouze jednotlivé antičástice, které jsou velmi lehké. Existují dvě hlavní překážky ve studiu pádu antičástic v tíhovém poli Země. První je velmi vysoká rychlost vznikajících antičástic. Ty se totiž produkují ve vysokoenergetických procesech. To se dá řešit u nabitých částic, které se dají ionizací při pohybu v materiálu nebo elektrickým polem zpomalit. Problémem pak 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 tak je, pokud se vytvoří neutrální systém obsahující antičástice. To může být například antivodík nebo pozitronium.

 

picture-6.jpg

 

Záběr na experiment ALPHA v laboratoři CERN (zdroj APLPHA, CERN).

 

K tomu, aby se dalo využít právě 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 také elektron a pozitron 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 funguje v ultrafialové oblasti a druhý v infračervené. Excitace do Rydbergova stavu tak probíhá ve dvou stupních. Daří se produkovat o tři řády více Rydbergových pozitronií během jednoho pulzu než pomocí dřívějších metod. Předpokládají dokonce, že by se jim v budoucnu mohlo podařit získat takové Rydbergovy stavy, které umožní dobu života pozitronií v řádu desítek milisekund. A zároveň ještě zvýšit efektivitu jejich produkce.

 

 

Celkový pohled na experiment ASACUSA (zdroj CERN).

 

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. Proto na ní pracují i fyzikové experimentu AEGIS, který chce právě padání antivodíku studovat. V článku o tomto experimentu se vysvětlovalo, že pro efektivní produkci antivodíku je velmi výhodné využít Rydbergovo pozitronium. Je tam také popis toho, jak se dá průběh pádu antivodíků měřit a podobné metody by se použily i při určování průběhu pádu pozitronií.

 

 

Vakuová nádoba připravovaná pro experiment AEGIS

 

Závěr

 

Je vidět, že se v poslední době velmi významně posunuly 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.

 

V Řeži 7. 2. 2012


Zpet