Andělé a démoni aneb jak se v laboratoři CERN opravdu vyrábí antihmota

Vladimír Wagner

ÚJF AVČR Řež a FJFI ČVUT Praha

Zhruba za měsíc by měl mít celosvětovou premiéru film Andělé a démoni, který natočil Ron Howard podle bestselleru Dana Browna. Producentem filmu je firma Sony Pictures a u nás jej uvede firma Falcon. Kromě Toma Hankse hraje jednu z hlavních rolí ve filmu i laboratoř CERN a antihmota. To je tak příležitost si připomenout, jak se ve skutečnosti antihmota třeba i v laboratoři CERN připravuje a které ze situací zobrazených ve filmu jsou realistické.

Film Andělé a démoni bude uveden v květnu (snímek z oficiálních stránek filmu – Sony Pictures).

Co je to antihmota

Každá částice, ze které se skládá naše „normální“ hmota má svého partnera mezi antičásticemi. Ten má stejnou hmotnost, velikost náboje, dobu života i hodnoty dalších fyzikálních veličin. Liší se pouze ve znaménku náboje a znaméncích některých dalších fyzikálních veličin. Protože existují antiprotony a antineutrony, lze sestavit antijádra antiatomů. Existují také antielektrony, kterým se z historických důvodů říká pozitrony. Můžeme tak sestavit také antiatomy a v principu i antimolekuly a větší množství různých forem antihmoty. Takže by mohla existovat antivoda, antiocel i třeba antisvěty. Ovšem jedině do okamžiku než by se antihmota potkala s hmotou. Důležitou vlastností hmoty a antihmoty, pro kterou se objevuje i ve filmu Andělé a démoni, je totiž anihilace. Tento jev nastává v okamžiku, kdy se setkají částice s antičásticí, hmota s antihmotou. V bouřlivém procesu se při anihilaci přeměňuje energie spojená s klidovou hmotností částic na kinetickou energii. A právě obrovská energie uvolněná při anihilaci je využita jako zbraň v příběhu filmu.

Hlavního hrdinu ve filmu Anděle a démoni hraje Tom Hanks (snímek z oficiálních stránek filmu – Sony Pictures).

Zápletka knihy i filmu

Podívejme se, jakým způsobem vystupuje antihmota a laboratoř CERN v knize a filmu Andělé a démoni. V laboratoři CERN, která je hlavním evropským střediskem pro výzkum elementárních částic a struktury hmoty, je brutálně zavražděn vědec Leonarda Vetra, který se zabýval právě i studiem antihmoty. Na jeho hrudi je vypálen symbol, který se váže k záhadné starodávné sektě iluminátů. Ředitel laboratoře se obrátí na profesora umění Roberta Langdona, znalce symboliky i tohoto společenství. Postupně se zjistí, že spolek iluminátů získal z laboratoře CERN čtvrt gramu antihmoty a sestrojil pomocí ní bombu, kterou chce použít proti svému odvěkému nepříteli katolické církvi. Bomba je vlastně nádoba obsahující ve svém nitru kapku elektricky nabité antihmoty. Ta se vznáší díky magnetickému poli ve velmi vysokém vakua udržovaném tímto kontejnerem. Pokud je napojena na zdroj elektrické energie, který vytváří magnetické pole, je vše v pořádku. Pokud se vnější zdroj elektřiny odpojí, vytváří se magnetické pole pomocí baterie, která však může fungovat pouze čtyřiadvacet hodin. A právě takovou bombu měli umístit ilumináti v podzemí Vatikánu během konkláve, která vybírá nového papeže. Zároveň jsou uneseni i čtyři hlavní kandidáti na místo hlavy katolické církve. Takže pro hlavní hrdiny, Roberta Langdona a adoptovanou dceru Leonarda Vetra Vittorii, zůstává právě zhruba jeden den na rozšifrování cesty k uneseným i k „odjištěné“ bombě z antihmoty. Celý příběh plný zvratů nabízí spletitý labyrint intrik v pozadí, který je ještě mnohem komplikovanější (nebo jednodušší J), než by se dalo na začátku očekávat. Ale pro naše úvahy to není podstatné a bylo by škoda dopředu prozrazovat pointy a překvapivé rozuzlení.

Rolf Landua přednáší nejen pro filmaře, ale i pro české učitele fyziky (zdroj účastníci českého učitelského týdne )

Fyzika ve filmu

Podstatnou úlohu v knize i ve filmu tedy hraje zmíněná antihmota a její vlastnosti. Dále také prostředí laboratoře částicové fyziky CERN. Na rozdíl od Vatikánu bylo vedení laboratoře CERN k filmařům velmi vstřícné, takže mohli natáčet a sbírat podněty i materiál přímo na místě. Zavítali do laboratoří i do podzemí k urychlovači LHC, který je ve filmu zobrazen jako zařízení na němž byla antihmota vytvořena. S filmaři diskutovali i odborníci, kteří se podílejí na skutečném výzkumu antihmoty. Jde například o Rolfa Landua, který přednáší například o antihmotě i pro české středoškolské učitele účastnící se „Učitelského týdne v laboratoři CERN“. Ti se letos při své exkurzi do podzemí k experimentu ATLAS setkali i se skenerem oční sítnice, který má v knize a filmu také svojí roli.

Ve filmu by tak měl být fyzikální popis přece jen o trochu realističtější než v knize. Přesto je pochopitelně podřízen spádu děje a efektnosti. Antihmota je tak připravena na urychlovači LHC. Tam sice při srážkách antičástice vznikají. Jak si však za chvílí podrobněji vysvětlíme, není pro produkci většího množství antihmoty moc vhodný. Film využívá toho, že hlavně jeho detektory jsou obrovské a působí impozantně. Aby jejich mohutnost vynikla ještě více, sledují je tak vědci experiment ATLAS ve filmu při provozu urychlovače přes skleněné okno. Ve skutečnosti to tak z bezpečnostních důvodů není možné a v době provozu v tunelu urychlovače a v jeskyních experimentů nesmí nikdo být. Vše je řízeno z povrchu. Podrobný popis urychlovače LHC a jeho experimentů už na Oslovi je.

Dalším důvodem, že je ve filmu využit urychlovač LHC a jeho experimenty, je jeho poslání. Vědci se s jeho pomocí snaží zkoumat hmotu existující zlomky mikrosekund po počátku stvoření našeho světa. A právě kontrast a napětí mezi úhlem pohledu a způsoby, jakými na „akt zrozeni“ našeho světa pohlíží věda a náboženství, je důležitým tématem knihy i filmu.

Richard Stammers, který měl na starosti filmové triky (firma „Moving Picture Company“ - MPC) připravuje podklady pro přípravu filmových efektů v jeskyni experimentu ATLAS (zdroj CERN).

Jak se produkují antičástice

I ve skutečnosti vznikají antičástice ve srážkách částic s velmi vysokou energií na urychlovačích. Energie musí být dostatečně velká. Taková, aby byla vyšší než je energie spojená známým Einsteinovým vztahem (E=mc²) s hmotností této částice. Navíc se antičástice produkuje pouze v páru se svým hmotným partnerem. Tedy třeba antiproton spolu s protonem. Antiproton a proton mají stejnou hmotnost, takže pro jejich produkci potřebujeme nejméně energii ekvivalentní dvojnásobku této hmotnosti. Abychom si ukázaly, jak velká je energie spojená i s malou hmotností, podívejme se na energii ukrytou ve zmiňovaném čtvrt gramu antihmoty (či hmoty). Jde zhruba o energii 2×10¹³ J a to není daleko od energie uvolněné při výbuchu hirošimské bomby. Hmotnost protonu a antiprotonu a tím i energie potřebná k jejich vzniku je o čtyřiadvacet řádů menší. Z tohoto čísla si můžeme udělat i představu, kolik antiprotonů bychom musely vyprodukovat, abychom dostali tu čtvrtinu gramu antihmoty.

Ještě je třeba připomenout, že pozitrony se produkují i v některých rozpadech radioaktivních jader. Radionuklidy, které tuto částici produkují, a anihilace vzniklého pozitronu s elektronem jsou intenzivně využívány v medicíně například k diagnostice nádorů (více lze najít zde).

Takže si na závěr shrňme. Antičástice, kromě pozitronů vznikajících i v rozpadu radioaktivních jader, se dají produkovat jen ve srážkách částic urychlených na vysoké energie.

Tunel urychlovače LHC (zdroj účastníci českého učitelského týdne).

Proč ne LHC

Ve filmu je k výrobě antihmoty využit urychlovač LHC. V reálném případě se však používají a budou využívat jiné urychlovače. Pro přípravu antiprotonů totiž není optimální tak vysoká energie srážky, jakou urychlovač LHC produkuje. Nejlepší poměr mezi počtem vznikajících antiprotonů a dodanou energií dostaneme pro menší urychlení. Zároveň je pak třeba vzniklé antiprotony zachytit a zpomalit, proto je lépe, když mají nižší kinetickou energii. Urychlovač LHC je navíc srážeč. Urychluje dva svazky protonů proti sobě a sráží je. Ovšem hustota protonů u obou svazků je velmi malá a malý je i počet srážek a produkovaných antiprotonů. Daleko výhodnější je svazek nasměrovat do tlustého terče s těžkého kovu. V tomto případě je hustota jader v terči velmi vysoká a tím je vysoký i počet produkovaných antiprotonů. U kovového terče lze zajistit i efektivní odvod tepla a tedy jeho chlazení. Další výhodou je, že většina takto vzniklých antiprotonů letí ve směru původního svazku a tak je následná manipulace s nimi pomocí magnetických a elektrických polí jednodušší. Ať už je potřebujeme zpomalit pro vytváření antivodíku nebo naopak urychlit a následně srážet z protony, jak je to prováděno na urychlovači Tevatron v laboratoři Fermilab v USA (podrobněji zde). Popsaným způsobem se tak antiprotony produkují ve Fermilabu, v CERNu i dalších laboratořích. V současnosti je roční produkce zhruba do desítky nanogramů (miliardtin gramu) a zmíněnou čtvrtinu gramu bychom tak produkovali desítku milionů let.

Tato část experimentu ATLAS si zahrála ve filmu Andělé a démoni (zdroj účastníci českého učitelského týdne).

Jak získat antivodík?

Podívejme se jaký způsobem lze získat antitomy. Produkce i jen nejlehčího z nich antivodíku není vůbec jednoduchou záležitostí. Potřebujeme k tomu splnit několik podmínek. První je nutnost vyprodukování antiprotonu a pozitronu, ze kterých se antivodík skládá. To až tak složité není. Už víme, že pozitrony získáme v rozpadu některých radioizotopů. Antiprotony lze produkovat popsaným způsobem ve srážkách protonů urychlených na relativistické energie (s rychlostmi blízkými rychlosti světla) s atomovými jádry.

Máme teď sice jednotlivé částice, ale složitý úkol teprve začíná. Abychom vytvořili byť jediný atom, je třeba dosáhnout toho, aby se pozitron a antiproton dostaly do stejného místa a jejich vzájemná rychlost byla tak malá, aby byl antiproton elektrickými silami schopen pozitron zachytit. Problém je, že antičástice vznikají při vysokoenergetických srážkách a mají tak velké kinetické energie. To způsobilo, že první atomy antivodíku se podařilo vyprodukovat až v roce 1996. Využilo se speciálního procesu, při kterém si pohybující se proton sám vyprodukoval pozitron. Nabitá částice, která se pohybuje zrychleným pohybem, totiž může produkovat pár elektronu a pozitronu. Tím se zajistilo, aby byl antiproton a pozitron ve stejném místě. A existovala sice velmi a velmi malá ale nenulová pravděpodobnost, že vzájemná rychlost antiprotonu a vzniklého pozitronu bude dostatečně malá. Proto se podařilo v experimentu trvajícím řadu dní vyprodukovat pouze devět atomů antivodíku.

Abychom získali větší množství antivodíku, musíme použít úplně jinou metodu. V tomto případě vytvoříme z produkovaných antiprotonů nejen svazek, ale tento svazek zpomalíme pomocí zařízení, které působí obráceným způsobem než urychlovač a můžeme mu tak říkat zpomalovač. Zpomalené antiprotony jsou pak zachyceny intenzivním magnetickým polem magnetické pasti. V ní se pak navíc zmenšuje chaotický pohyb antiprotonů a oblak antiprotonů se tak ochlazuje. Magnetické pasti založené na dokonalé superchladné kryogenní technice pak v principu dokáží udržet desítky milionů antiprotonů týdny i měsíce. Podobná, ale daleko sofistikovanější, metoda by se nejspíše využila při skladování antihmoty pro případné využití pro kosmické lodě. Popsaný zpomalovač antiprotonů a podobná past pracuje v laboratoři CERN, i když v tomto případě jsou antiprotony v této pasti jen velmi krátce.

Oblak pozitronů vzniklých v rozpadu vhodného radiozotopu se v jiné magnetické pasti také ochlazuje a poté se vstřikuje do další magnetické pasti, kam jsou současně vstříknuty i ochlazené antiprotony. Zde pak dochází k záchytu pozitronu antiprotonem a vzniku antivodíku. Takovým způsobem se daří připravovat desítky až stovky tisíc atomů antivodíku. Problémem je, že vzniklý antivodík je na rozdíl od osamělého antiprotonu a pozitronu elektricky neutrální. Magnetická past ho tak neudrží, uniká z ní a na stěnách její komory anihiluje.

v antiprotonovém zpomalovači pro brždění antiprotonů (zdroj účastníci českého učitelského týdne ).

Zachycování antivodíku

V současné době se hledají cesty, jak zachytit neutrálního antivodík v novém typu magnetické pasti. Ta by měla využívat toho, že antivodík je sice neutrální, ale má magnetický moment. Je tedy malou magnetkou, kterou lze magnetickým polem uvěznit. Ovšem konstrukce takové pasti je velmi náročná. I když se to podaří, tak získáme jen velmi malý obláček extrémně řídkého plynu z antivodíku. Ten nám sice umožní porovnat vlastnosti vodíku a antivodíku, ale jedná se o množství o dvacet řádů menší než je čtvrtina gramu v Andělích a démonech.

Dnes sice víme, že antihmota a antisvět se od hmoty a světa malinko liší, takže si můžeme sdělit s mimozemskou civilizací, zda je s antihmoty či hmoty (blíže viz zde). Rozdíl je ale opravdu jen velmi malinký a ve specifických procesech. Víme tak, že chemické vlastnosti antivodíku by měly být totožné s vlastnostmi vodíku. Tedy i jeho teplota tání je -259,3°C a teplota varu pak -252,7 °C. Pokud bychom chtěli tedy dostat gramové množství antihmoty jako v knize a filmu a uchovat je v tak malém kontejneru, museli bychom při využití antivodíku vyřešit nejen jeho hromadnou produkci a udržení, ale také nejspíše i jeho alespoň zkapalnění nebo spíše zmrazování. Vše by muselo probíhat takovým způsobem, aby se antihmota nemohla dostat do kontaktu ani s minimálním počtem atomů hmoty. Musela by tedy být ve vysokém vakuu a nějakým způsobem by se musela zajistit stálá separace od stěn kontejneru. Použití elektrického nabití antihmoty a udržení v magnetickém poli využité v knize a filmu je jedinou představitelnou cestou. V reálné situaci si však provedení něčeho takového zatím představit nedokážeme. Problémem by bylo například odpařování antivodíků ze zmrzlé tablety nebo kapky a jeho následná anihilace při setkání se stěnami kontejneru. Proto musí autoři v dílech, kde se antihmota vyskytuje, sahat k řešením z oblasti fikce. Ať už jde o speciální formu antihmoty v Andělích a démonech nebo warpové jádro a dilithiové krystaly v seriálu Star Trek. Filmovou sérii Star Trek je dobré zde připomenout už z toho důvodu, že se začátkem května očekává premiéra jejího jedenáctého filmu, který nás zavede do doby, kdy se teprve formovala posádka vesmírné lodi Enterprise. Máme možnost se tam setkat s ještě velmi mladými hlavními hrdiny Kirkem a Spockem i dalšími známými postavami. Film natočil režisér Jeffrey Jacob Abrams a producentskou společností je Paramount Pictures / DreamWorks SKG.

Zpomalovač antiprotonů v laboratoři CERN (zdroj účastníci českého učitelského týdne ).

Těžší jádra i atomy

V seriálu Star Trek se využívá antideuterium a antitritium. Což by byly těžší izotopy antivodíku. Ty vznikají, stejně jako jádro izotopu helia tři, také při srážkách protonů nebo těžších jader urychlených na velmi vysoké energie s jádry v terči. Ovšem pravděpodobnost jejich produkce je o mnoho řádů menší. Při srážce totiž musí nejen vzniknout potřebné množství antiprotonů a antineutronů. Musí zároveň vzniknout blízko sebe a jejich vzájemná rychlost musí být natolik malá, že se dokáží vázat do jednoho jádra. Tak byl v dlouhodobých experimentech pozorován vznik jednotlivých kusů těchto antijader. Případnou jejich hromadnou produkci a zachycování do magnetických pastí si zatím lze představit jen velmi těžko.

Při produkci ještě těžších jader narazíme na problém, že v našem okolí neexistují antihvězdy. Většina těžších jader totiž vzniká právě ve hvězdách. Hvězdy s hmotností našeho Slunce spalují vodík na hélium a těžší hvězdy dokáží spalovat i hélium a další těžší prvky. Přitom vznikají prvky až po železo. Ještě těžší prvky pak vznikají jako produkty konečných stádií velmi hmotných hvězd při výbuchu supernov.

Vědci se snaží v laboratoři napodobit proces spalování vodíku na hélium. I když zatím pouze jeho těžších izotopů deuteria tritia. Nemají k dispozici tak velké objemy vodíku, jako jsou ve hvězdách, a tak musí docílit ještě vyšší teploty než jsou v nitru Slunce. O tom, jak se nám tyto termojaderné reakce daří realizovat, lze podrobnosti na Oslovi také najít. Pokud bychom chtěli tímto způsobem připravovat větší množství antihélia, jen velice těžko by se řešil problém s vyloučením úniku antičástic z prostoru uvnitř termojaderné komory a jejich anihilace. Pokud bychom chtěli dospět ještě k těžším prvkům, narazili bychom na ještě větší oříšek. Neexistují totiž stabilní prvky (nebo alespoň dlouhodoběji existující) s počtem nukleonů (protonů a neutronů dohromady) pět a osm. Zároveň je velice málo stabilní izotop lithium sedm. Ve hvězdách se tak relativně „jednoduše“ produkují prvky lehké. K těžším prvků se dostávají přes vznik uhlíku v reakci tří jader hélia, když nejdříve vznikne beryliu osm, které má dobu života v řádu 10^-16 s. Taková reakce, které se říká Salpeterův cyklus, je hrozně málo pravděpodobná. Ve hvězdách probíhá v dostatečném množství jen díky jejich obrovskému objemu. V laboratoři by se asi muselo jít přeszmíněné lithium sedm, které by se muselo rychle vyvést z reakční komory, aby nebylo rozbíjeno, a shromážďovat se pro další reakce v nějaké pasti stranou. Všechny uvedené úvahy o tvorbě těžších antiatomů a jejich případné chemii bez toho, aby nám vše zhatila anihilace, je zatím v oblasti vědecké fantastiky. A možná spíše jen fantastiky, protože spoustu zádrhelů, na které by se narazilo, jsme ani nezmínili.

V květnu, ještě před Anděly a démony, bude mít i českou premiéru další, už jedenáctý, film série Star Trek produkovaný firmou Paramount Pictures. Setkáme se i s mladinkou Uhurou (zdroj startrekmovie.com).

Energetické využití antihmoty

To, že neexistují v našem okolí zásoby antihmoty, je důvodem, proč ji nemůžeme využít energeticky. I když by to byl její extrémně koncentrovaný a efektivní zdroj. Nikde prostě nejsou doly na antihmotu. Proto se zatím uvažuje o jejím využití pouze pro pohon kosmických lodí. Tam je důležitá kompaktnost, malá hmotnost a efektivnost paliva. Že se ve výsledku z paliva dostane mnohem méně energie než se při jeho produkci spotřebujeí, už tak důležité není. Reálně se v rozumném časovém horizontu dá uvažovat o využití nabitých antiprotonů v podobě plazmy uzavřené v magnetické pasti. Nevýhodou je, že taková plazma je relativně řídká a tím se kompaktnost a efektivnost tohoto zdroje zhoršuje. Problémem je v současnosti malá efektivnost výroby antiprotonů. Současné možnosti produkce na Tevatronu ve Fermilabu jsou zmíněné zhruba jednotky nanogramů antiprotonů ročně. Pokud bychom využili relativně jednoduchá vylepšení v produkci a sběru antiprotonů a postavily urychlovač na jejich produkci specializovaný, nebyl by problém zvýšit produkci o dva řády. Další zefektivnění by už bylo náročnější. I tak to však budou pouze mikrogramy ročně. I když však vyrobíme více antiprotonů, narazíme na limity při jejich skladování. Dnešní magnetické pasti zatím dokáží udržovat desítky milionů antiprotonů. I zde je možné vylepšení o pár řádů, ale i tak to budou jen jednotky až desítky miliard antiprotonů, tedy desetiny nanogramů. A pro pohon mezihvězdného plavidla jsou potřeba nejméně gramy. Proto se uvažuje o kombinaci termojaderného pohonu a pohonu na antihmotu. Všechny tyto úvahy jsou však zatím pouze na papíře a bude třeba překonat velké množství technických překážek, než se budou případně moci uskutečnit. Blíže o možném využití antihmoty pro kosmické lety jsem již v článku na Oslovi psal.

Závěr

Ukázali jsme si, že realizace bomby využívající antihmotu ukázána ve filmu by možná nebyla. Stejně tak je odlišný od skutečnosti i popis laboratoře CERN. Ale to nemusí být na závadu kvality tohoto díla. V tomto případě jde hlavně o způsob podání zápletky a její režijní a herecká realizace. Kniha je z tohoto hlediska zajímavá a čtivá. Film jsem neviděl, takže jeho kvality posoudit nemohu a nemohu jej případně doporučit nebo zatratit. V každém případě jména režiséra a herců i předchozí filmové zpracování knihy „Šifra mistra Leonarda“ slibují kvalitní a zajímavou podívanou. Proto se na film určitě vypravím a odchylky od fyzikálních reálií mě vadit nebudou. Spíše mě povzbudí k tomu, abych se po shlédnutí filmu ještě podrobněji prostudoval a zamyslel se nad možnostmi skutečného výzkumu antihmoty a podstaty našeho světa. A toto bych doporučoval i ostatním čtenářům a divákům. Stejně tak se jako fanda vědecké fantastiky a série Star Trek těším i na druhý film zmíněný v tomto článku. Na závěr bych ještě rád zdůraznil, že při popisu filmu Andělé a démoni jsem se mohl dopustit omylů. Pochopitelně jsem ho neviděl a jeho zobrazení fyziky znám tak jen zprostředkovaně. Za případné chyby se čtenářům omlouvám.

Pro úspěch filmu není ani tak podstatné lpění na přesných vědeckých reáliích, ale hlavně kvalita zpracování zápletky, charakterů postav a také výkony herců. (Zdroj oficiální stránky filmu, Sony Pictures).

Na závěr bych chtěl poděkovat účastníkům Učitelského týdne v laboratoři CERN za jejich intenzivní fotografování (jejich fotografie tvoří většinu doprovodných ilustrací). Pro další informace o filmu Andělé a démoni lze zabrousit na stránky firmy Falcon nebo Sony Pictures. Informace o posledním filmu Star Trek jsou na těchto místech. O spouštění urychlovače LHC, nehodě i probíhajících opravách jsem už na Oslovi psal. Lze zde najít i informace o to, co může veřejnost od urychlovače očekávat a proč se ho nemusí bát. O výzkumu antihmoty pak jsou informace zde a zde. Oficiální stránky laboratoře CERN jsou zde.

---