Nejtěžší potvrzené antijádro je nyní antihelium 4.

Vladimír Wagner

Po objevu antihypertritonu se v nedávné době podařilo experimentu STAR potvrdit existenci dosud nejtěžšího antijádra – antihélia 4.

Před pár dny jsem zde psal o možném objevu nové částice urychlovačem, který je předchůdcem urychlovače LHC ve srážení protonů. I když Tevatron, jak se nazývá, srážel protony s antiprotony. Předchůdcem urychlovače LHC ve srážení těžkých jader je urychlovač RHIC v americké laboratoři v Brookhavenu. Také toto zařízení se snaží ještě před plným nástupem LHC objevit vše zajímavé, co je v dosahu jejich energetických možností.

Hlavním úkolem urychlovače RHIC je ve srážkách těžkých jader produkovat velmi horkou a hustou jadernou hmotu a studovat její vlastnosti. Získává se tak hmota s teplotou, která je sto tisíckrát větší než teplota v nitru Slunce (tedy řádově 10¹² K) a hustotou, která několikanásobně přesahuje hustotu atomového jádra. Tedy hmotu, která byla v našem vesmíru jen pár mikrosekund po začátku jeho rozpínání. Pomocí tohoto urychlovače se prokázala existence nové fáze jaderné hmoty s názvem kvark-gluonové plazma a poprvé se podrobně zkoumaly vlastnosti této hmoty. O tom, jak na tato studia navázal urychlovač LHC a jeho experimenty, jsem psal na Oslovi nedávno.

Stejně jako v případě Tevatronu se i fyzikové využívající urychlovač RHIC snaží využít dlouhodobé detailní znalosti svých zařízení a velkého množství už nabraných dat. Snaží se v nich stále důkladnější analýzou najit velice exotické a vzácné jevy. Fyzici experimentu STAR pracující na urychlovači RHIC se tak nyní věnují hledání velice exotických antijader. Takové studium je velice zajímavé a doplňuje naše znalosti o světě antihmoty. Asi před rokem jsem v článku na Oslovi informoval o objevu antihypertritonu. Jedná se o jádro antitritonu, kde je jeden antineutron nahrazen antihyperonem lambda. Toto antijádro se tak skládá z jednoho antiprotonu, jednoho antineutronu a jednoho antilambda.

Nyní bych chtěl informovat o nedávném objevu vůbec nejtěžšího doposud známého antijádra, který se podařil opět experimentu STAR a zprávy o něm proběhly v druhé polovině března. Fyzikům, kteří na něm pracují se podařilo objevit izotop antihélia 4, který je složen ze dvou antiprotonů a dvou antineutronů. Je to velmi zajímavý úlovek, protože v našem světě je tento izotop helia druhým nejčastějším jádrem a helium tak druhým nejčastějším prvkem ve vesmíru. Ve své většině vznikl už ve velmi ranném vesmíru někdy kolem jeho třetí minuty života. Takže, pokud někde existuje či existoval nějaký antivesmír složený s antihmoty, tak jeho druhým nejběžnějším prvkem po antivodíku bude právě antihelium v podobě izotopu antihelia 4.

Dráhy různých nabitých částic i jader vznikajících při srážce jader zlata v detektorovém systému (časově projekční komora umístěná v magnetickém poli) experimentu STAR. Červeně je vyznačena dráha helia 4 (zdroj physicworld a arXivblog).

Antihélium 4 se podařilo vyprodukovat ve srážkách dvou jader zlata. Oproti urychlovači LHC totiž RHIC urychluje totiž ionty zlata, které jsou sice lehčí než ionty olova urychlované na LHC, ale jejich příprava a urychlení je jednodušší. Pokud je srážka centrální, tak se při něm vyprodukuje už zmíněné kvark-gluonové plazma. Kvarky v původních nukleonech, které jsou v srážejících se jádrech, se uvolní a zároveň vznikne přeměnou kinetické energie velké množství nových kvarků a antikvarků. Ty musí vznikat vždy ve dvojicích kvark a antikvark. Takže dostaneme směs kvarků a antikvarků se slabou převahou kvarků, která je důsledkem existence původních jader zlata. V okamžiku, kdy kvark-gluonové plazma dostatečně zchladne, váží se kvarky to tzv. hadronů. A mezi ně patří právě i neutrony, protony i třeba hyperon lambda, které jsou složené z kvarků. A také antineutrony, antiprotony i antilambda, které jsou naopak složené z antikvarků.

Pro to, aby vzniklo jádro či antijádro, musí být několik nukleonů (protonů či neutronů) či antinukleonů (antiprotonů či antineutronů) téměř ve stejném místě a musí se pohybovat téměř ve stejném směru a téměř stejnou rychlostí. Je to z toho důvodu, aby jaderné síly dokázaly nukleony do jádra spojit. Problémem je, že vzniklá horká a hustá hmota se rozpíná velice rychle a tak taková situace nastává s velmi malou pravděpodobností. A čím chceme těžší jádro s více nukleony, tím je jeho produkce méně pravděpodobná. Takže každý další nukleon zmenšuje pravděpodobnost produkce nového jádra tisíckrát. To je důvod, proč byl sice antiproton objeven v roce 1955 a antineutron v roce 1956, ale antideuteron v roce 1965 a antihelium-3 až v roce 1971 a antitriton v roce 1975. Na další těžší antijádro, tedy antihelium 4 už bylo nutné čekat téměř čtyřicet let.

Na to, aby experiment STAR vyprodukoval 18 jader antihelia-4 potřeboval miliardu vhodných srážek zlata, které probíhaly buď při celkové energii srážky 200 GeV na jeden pár srážejících se nukleonů nebo 62 GeV. Každý ze srážejících se nukleonů tak měl v prvním případě kinetickou energii více než stokrát větší než je energie spojená s jeho klidovou hmotností. Protože není žádné vhodné antijádro složené z pěti antinukleonů, je dalším možným těžším antijádrem antilithium 6, složené ze tří antiprotonů a tří antineutronů. To už je skok o dva antinukleony a pravděpodobnost produkce milionkrát menší než produkce antihelia 4. Z toho je vidět, že současné urychlovače toto antijádro vyprodukovat nedokážou a na jeho produkci si počkáme asi hodně dlouho, neboť to bude vyžadovat úplně nové metody a zařízení.

Teď ještě pár slov o identifikaci antihelia 4. Ta je poměrně jednoduchá. Antičástice i antijádra mají stejnou hmotnost jako odpovídající částice a jádra. Ale jejich elektrický náboj je opačný a stejně velký. Pokud tedy najdeme jádro, které má stejnou hmotnost jako helium a záporný elektrický náboj stejné velikosti, tak to bude antihelium. Hlavní součástí detektorového systému STAR je i velký magnet. A právě pohyb v magnetickém poli umožňuje zjistit hmotnost a náboj částice či jádra.

Počet zaznamenaných jader různých izotopů helia a antihelia (zdroj arXiv).

Velice důležitým poznatkem je, že změřená pravděpodobnost produkce antihelia-4 přesně odpovídá našim představám o mechanismu jeho vzniku. Takže nyní víme, že neexistují nějaké mechanismy, které by pravděpodobnost jeho produkce při srážkách jader zvyšovaly. Takže při srážkách jader v různých vesmírných procesech jej vzniká tak zanedbatelné množství, že ho nemáme šanci u Země zachytit. Pokud tedy nějaké antihelium 4 zaznamenáme, tak je důkazem, že se sem zatoulalo z oblasti vesmíru, která je složena z antihmoty. Tam existují antihvězdy, které je produkují, nebo antihelium vzniklo v raném stádiu této antihmotné části vesmíru.

Klesající pravděpodobnost produkce jader a antijader (zdroj arXiv)

Taková antihelia 4 bude lovit spektrometr AMS-02, který by měl do vesmíru vynést poslední let raketoplánu Endeavour. Start by měl proběhnout 29. dubna a raketoplán přiveze spektrometr na stanici ISS, kde pak bude pracovat. Jedná se o spektrometr, který dokáže určovat hmotnost a náboj různých částic a jader v kosmickém záření. Pokud se mu podaří najít antihelium 4, bude to jasný důkaz toho, že ve vesmíru existuje někde oblast z antihmoty. O spektrometru jsem už psal na Oslovi dvakrát (zde a zde). Takže bych teď zmínil jen jednu změnu. Velmi důležitou součástí spektrometru je velmi silný magnet. Původně se předpokládalo, že se použije magnet supravodivý. Důvod je ten, že omezením zásobování ISS a přepravy velkých nákladů by se nedal zajistit dlouhodobý provoz supravodivého magnetu chlazeného tekutým heliem. Proto se využije klasický magnet. Pokud vše proběhne za pár týdnů dobře, tak se v následujících letech můžeme těšit na velmi zajímavé výsledky.

Takhle bude vypadat spektrometr AMS-02 po připojení k vesmírné stanici ISS (zdroj NASA).

Referováno v New Scientist a Technology review a arXiv.blog.

V Řeži 10. 4. 2011

---