Další velmi exotický obyvatel antihmotné ZOO.

Vladimír Wagner

Při studiu srážek těžkých jader se podařilo vytvořit a pozorovat opravdu velmi „podivného“ návštěvníka za světa antihmoty. Jedná se o první antihmotné hyperjádro. Experimentu STAR se podařilo pozorovat vznik antihypertritonu. Jde o jádro antitritonu (nejtěžšího izotopu antivodíku), ve kterém je jeden antineutron nahrazen antihyperonem.

V nejnovějším čísle časopisu „Science Expres“ vyšel článek fyziků z experimentu STAR věnovaný tomuto objevu. Zařízení využívá velký urychlovač RHIC v laboratoři BNL v Brookhavenu. Ten dokáže urychlit i velmi těžká jádra na kinetické energie, kdy se takové jádro pohybuje jen zanedbatelně pomaleji než rychlostí světla a jeho hmotnost je více než stokrát větší než je hmotnost tohoto jádra v klidu. Hlavním úkolem urychlovače je studium velmi horké a husté jaderné hmoty. Takové, která se zde vyskytovala v době, kdy byl náš vesmír starý pouhé zlomky sekundy. O samotném urychlovači, experimentu STAR i oblasti jeho studia si lze podrobněji přečíst zde. Získáte tady i detailnější informace o největším objevu spojeném s urychlovačem RHIC. Tím je potvrzení existence nové formy hmoty, která se označuje jako kvark-gluonové plazma. Experimenty na urychlovači RHIC byly první, které mohly studovat vlastnosti tohoto stavu jaderné hmoty skládajícího se z volných kvarků a gluonů. Ukázalo se, že se tato hmota chová spíše jako ideální kapalina s téměř nulovou viskozitou než jako plyn. Její částice tedy reagují relativně silně a ne slabě, jak řada fyziků předpokládala. O jednom z posledních objevů tohoto experimentu, který se týkal pozorování narušení zrcadlové (P) symetrie a kombinované nábojové a zrcadlové (CP) symetrie informoval OSEL nedávno.

Zařízení experimentu STAR a část jeho fyziků (zdroj BNL).

Antihmota

Poslední objev se pak týká studia antihmoty a studia jader, které obsahují podivné částice. Připomeňme si, o jaké objekty se jedná. Každá částice má svého partnera, který má stejnou hmotnost a liší se pouze v hodnotách nábojů. Velikost je u nich stejná, ale znaménko se liší. Jde třeba o elektrický náboj. Elektron má záporný náboj a jeho antičástice pozitron pak stejně velký ale kladný. Totéž se týká znaménka magnetického momentu, které je u neutronu a antineutronu různé. Zmíněné podivné částice se od svých antičástic liší znaménkem fyzikální veličiny podivnosti. Vlastnost spojená s antihmotou, která je mezi veřejností nejznámější, je anihilace. K tomuto procesu dochází při setkání částice a antičástice a uvolňuje se při něm velké množství energie. Velmi častým procesem je anihilace elektronu a pozitronu, při které vznikají dva fotony záření gama.

Pozitron byl také první pozorovaná antičástice. Byl objeven v kosmickém záření v roce 1932, čtyři roky poté, kdy P. Dirac předpověděl jeho existenci. Na prokázání existence antiprotonu a antineutronu se muselo čekat až na postavení dostatečně výkonných urychlovačů v polovině padesátých let. Pokud chceme vyprodukovat antičástici, musíme počítat s tím, že vzniká v páru se svým částicovým partnerem. Musíme tak dodat pro jejich produkci energii, která odpovídá dvojnásobku klidové hmotnosti hledané antičástice. Proto ta potřeba velkých urychlovačů pro vytvoření antiprotonu a antineutronu.

Historie objevování jednotlivých komponent antisvěta. Kromě toho byly pochopitelně pozorovány antičástice všech známých částic (zdroj prezentace Zhangbu Xu)

Při srážkách protonu s jádry se tedy mohou vytvářet jak antiprotony tak i antineutrony. Pokud má proton dostatek energie, může při srážkách urychleného protonu s nukleony v jádře terče vznikat jak antiproton tak i antineutron. Existuje pak sice velmi malá, ale nenulová šance, že se vyprodukují dostatečně blízko sebe a navíc jejich vzájemná rychlost bude natolik malá, že se spojí do antideuteronu. Existence antideuteronu tak byla prokázána ve srážkách protonů s jádry berylia v roce 1965. Díky tomu, že antinukleony vznikají při srážkách za velmi vysokých energií, je i jejich rychlost velmi vysoká. Je tak velmi malá pravděpodobnost, že dva poletí zhruba stejným směrem a skoro stejnou rychlostí. A ještě s menší pravděpodobností se toho dosáhne pro tři antinukleony. Proto se na objev antitritonu (jeden antiproton a dva antineutrony) a izotopu antihelia 3 (dva antiprotony a jeden antineutron) muselo čekat až do sedmdesátých let, kdy začaly pracovat výkonné urychlovače těžkých jader. Antihelium tak bylo objeveno ve srážkách jader olova. O produkci antivodíku jsme už psali na Oslovi několikrát. A nyní tedy konečně objev dalšího antijádra a dokonce jde o antihmotné hyperjádro. Podívejme se odkud se vzalo to hyper.

Podivné částice

V padesátých letech objevily fyzici velmi podivuhodné částice. Ty vznikaly s velmi velkou pravděpodobnosti (tedy silnou interakcí) a vždy v párech. Rozpadaly se však relativně velmi pomalu (tedy slabou interakcí). To se dalo vysvětlit jedině tím, že mají specifickou vlastnost, kterou lze popsat novou fyzikální veličinou. Ta se zachovává v silných interakcích (proto ta párová produkce nových částic) a nezachovává se ve slabých interakcích (proto se na „normální“ částice mohou rozpadat jen slabou interakcí). Tato fyzikální veličina byla označena jako podivnost a částice, které ji mají se označují jako podivné. My jsme si před časem podrobněji na Oslovi popisovali ty nejlehčí podivné částice, kterými jsou mezony K. Dnes se budeme věnovat podivným částicím, které jsou do značné míry podobné neutronu či protonu. Jedná se o hyperony. Tím nejlehčím je hyperon lambda (L), který stejně jako neutron nemá náboj a je jen zhruba o dvacet procent těžší. Po objevu hyperonu L nebylo daleko k úvahám o možnosti nahrazení neutronu hyperonem a vzniku hyperjádra.

První hyperjádro bylo objeveno polskými fyziky. Vzniklo při interakci kosmického záření s jádry ve fotografické emulzi letící pro jeho zkoumání v balónu.

Jak produkovat hyperjádra a antihyperjádra

Neutron nebo proton v jádře se může změnit na hyperon reakcí s mezonem pí za vzniku podivného mezonu a hyperonu nebo reakcí s podivným mezonem. Jak mezony pí tak podivné mezony vznikají v interakcích kosmického záření v atmosféře. Proto se první hyperjádro podařilo nalézt při zkoumání kosmického záření pomocí balónových experimentů v roce 1952. Pravé hody objevů různých hyperjader nastaly v době, kdy se podařilo postavit urychlovače umožňující připravit intenzivní svazky mezonů pí. Pokud takovým svazkem ozáříme vhodný terč, dostaneme plánované hyperjádro. Dalším vhodným nástrojem pro produkci hyperjader se staly intenzivní svazky nabitých podivných mezonů K. Díky laboratořím, které umožňují produkovat intenzivní svazky mezonů a říká se jim proto mezonové továrny, se podařilo vyprodukovat velký počet různých hyperjader. Nejčastěji těch, která obsahují jeden nebo i více hyperonů lambda. Lambda hyperon má totiž nejdelší dobu života a tato jádra tak žijí nejdéle a nejlépe se identifikují. Takže už známe třeba i hyperjádro olova.

S produkcí antihyperjader je mnohem větší problém. Nemáme terče z antijader, abychom je mohli ozářit mezony pí nebo K a vyprodukovat tak antihyperjádro. Lze jen vytvořit ve srážce těžkých jader vhodné podmínky, kdy se vytvoří vetší množství antiprotonů, antineutronů a antihyperonů lambda, a čekat, jestli se neslepí do hledaného antijádra s antihyperonem. A teď se opět dostáváme k urychlovači RHIC, srážkám těžkých jader na něm a kvark-gluonovému plazmatu. Protony, neutrony a hyperony se skládají z kvarků a antiprotony, antineutrony a antihyperony z antikvarků, v každém z nich jsou vždy tři. Při vzniku kvark-gluonového plazmatu vzniká obrovské množství kvarků a antikvarků. Horké kvark-gluonové plazma se po svém vzniku ve srážce rozpíná a chladne. Při dosažení určité teploty nemohou kvarky a antikvarky zůstat volné a musí se spojit do hadronů (částic, jako jsou nukleony, hyperony nebo mezony). Tomuto procesu se říká hadronizace. Vzniká tak i velké množství antiprotonů, antineutronů a hyperonů antilambda. Existuje tedy nenulová pravděpodobnost (i když velmi malá), že se několik antinukleonů a antihyperon ocitnou dostatečně blízko sebe a s dostatečně podobnými rychlostmi, aby se spojily do antihyperjádra. A právě tímto způsobem se podařilo na urychlovači RHIC ve srážkách jader zlata urychlených proti sobě na velmi vysoké kinetické energie produkovat antihypertritony. Při takových srážkách však vzniká obrovské množství dalších částic a jader. Nastává tak problém, jak hledané antihyperjádro identifikovat.

Rozpad antihyperjádro tritonu na antijádro izotopu helia 3 a kladný mezon pí probíhající na pozadí částic vznikajících ve srážce na urychlovači RHIC (zdroj BNL).

Jak vznik hyperjádra nebo antihyperjádra prokázat.

Cestou, která nám může pomoci, je identifikace produktů rozpadu hyperjádra nebo antihyperjádra. Hyperon lambda (a tedy i antihyperon) má dobu života zhruba 280 ps a řádově podobná je i doba života hyperjádra. Pokud se hyperon nebo jádro pohybují rychlostí světla, urazí za tu dobu dráhu okolo osmi centimetrů. Do detektorů tak dorazí až produkty jejich rozpadu. Výhodou experimentu STAR je, že má velice dokonalou časově projekční komoru, která je velice dobrým dráhovým detektorem pro identifikaci a měření velkého počtu drah částic. Je umístěna v magnetickém poli, takže z průběhu dráhy částice v tomto poli lze určit velmi přesně její náboj a hybnost.

Hyperon lambda se může rozpadat několika způsoby. Nejčastější jsou rozpady na proton a záporný mezon pí nebo na neutron a neutrální mezon pí. Antihyperon antilambda se tak rozpadá na antiproton a kladný mezon pí nebo na antineutron a neutrální mezon pí. Pro identifikaci jsou daleko výhodnější rozpady se vznikem nabitého mezonu, který se dá dobře zachytit. Proto se na experimentu STAR hledaly rozpady antihypertritonu (je složen z jednoho antiprotonu, jednoho antineutronu a jedné částice antilambda), kdy vyletěl kladný mezon a antihyperon lambda se přeměnil na antiproton za vzniku antihelia 3 (je složeno ze dvou antiprotonů a jednoho antineutronu).

Pokud se přesně změřily hybnosti antihelia a kladného mezonu pí a určily jejich dráhy, lze stanovit klidovou hmotnost jádra, jehož rozpadem vznikly. Zároveň lze určit i jakou dráhu urazilo původní jádro před rozpadem a jaká byla jeho doba života. Z těchto údajů lze dedukovat, zda opravdu šlo antihypertriton. Velice důležité je v tomto případě vydělení reálných případů rozpadu antihypertritonu na pozadí velkého množství částic a náhodných podobností. Nakonec se podařilo fyzikům experimentu STAR identifikovat zhruba 70 antihypertritonů, 160 hypertritonů po zpracování sto milionů srážek jader zlata na urychlovači RHIC. Indikací, že při zpracování bylo vše v pořádku, je i velice dobrá shoda předpokládaných poměrů mezi počtem produkovaných antihypertritonů, antitritonů, antihelií, hyperhelií a hypertritonů

Tabulka dosud nalezených antijader a antihyperjader a lehkých jader a hyperjader. Na ose x je počet neutronů (N – neutronové číslo), na ose y počet protonů (Z – protonové číslo) a na ose z počet hyperonů lambda (S – podivnost) . (Zdroj BNL)

K čemu je to dobré?

Hyperony a lehká hyperjádra i antihyperony a lehká antihyperjádra vznikaly ve velkém množství právě v době, kdy přešel vesmír s fáze kvark-gluonového plazmatu do fáze „normální“ jaderné hmoty. Pro pochopení a popis těchto vývojových stádií našeho světa potřebujeme poznat vlastnosti hyperjader i antihyperjader. Hyperony i hyperjádra by se také mohla vyskytovat v nitru neutronových hvězd. Poznatky z fyziky hyperjader a interakce hyperonů s nukleony jsou důležitým prostředkem pro pochopení i těchto astrofyzikálních objektů. Zkoumání rozdílu mezi různými členy světa antihmoty a normální hmoty by měla přispět k pochopení vzniku asymetrie mezi těmito dvěma říšemi.

V blízké době se chystá vylepšení experimentu STAR a tak by mohlo dojít k objevu dalších antijader i antihyperjader. Dalším krokem v této oblasti by mělo být urychlování a srážení těžkých jader na urychlovači LHC v laboratoři CERN, které by mohlo být zahájeno už koncem tohoto roku. Takže se v nejbližších letech můžeme těšit na další objevy.

Pokud si chcete připomenout i další exoty na pomezí světa a antisvěta, můžete se podívat sem a jestli jste se úplně ztratili v názvosloví všech částic a antičástic, lze se pokusit najít cestu zpět zde.

Řež 6. 3. 2010

---