Konečně více antivodíku.

“Důležitost narušení symetrií je v tom, že dělá svět takovým, jaký je”

Steven Weinberg

Před více než šesti lety jsme vás na stránkách Kozmosu informovali o prvních získaných atomech antivodíku (č.2 a č.3 v roce 1996). V té době se podařilo prokázat vytvoření prvních devíti takových atomů. Byl to velký úspěch, ale přesto se v této produkci nepokračovalo. Důvodem byla její nízká efektivita. Antivodík se produkoval pomocí velmi rychlého antiprotonu, který při pohybu v elektrickém poli atomu vytvořil pár elektron a pozitron. Pokud se náhodou stalo, že vzniklý pozitron měl vůči antiprotonu dostatečně malou rychlost, existovala možnost, že antiproton pozitron zachytí a vytvoří se antivodík. Ta však byla velmi malá a při takovém způsobu produkce bylo vytvoření antivodíku jen velmi málo pravděpodobné. Po prvním úspěchu, který se podařil v mezinárodním ústavu CERN v Ženevě, sice podobný experiment zopakovali ve Fermilabu v USA, ale v obou případech se vyprodukoval pouze jednotkový počet atomů antivodíku. To je pro studium rozdílů mezi vlastnostmi vodíku a antivodíku příliš malé množství. Důležitost hledání takového narušení symetrie mezi hmotou a antihmotou je obsažena i ve zmíněném citátu Stevena Weinberga.

Bylo tedy třeba najít cestu, jak získávat antivodík efektivněji a ve velkém množství. K tomu je potřeba vytvořit zařízení, které by dokázalo antiprotony a pozitrony zpomalit. U pozitronů, které mohou vznikat i při jednom z typů rozpadu jader, to není takový problém. Energie takových pozitronů není tak velká. Ovšem u antiprotonů, které se produkují pomocí urychlovačů a terče se bombardují částicemi s relativistickými rychlostmi už to problém je. Vzniklé antiprotony mají vysokou energii a pohybují se rychlostmi velmi blízkými rychlostí světla.

Obr.č.1: Část trasy zpomalovače antiprotonů v CERNu. (snímek CERN)

Pro masovou produkci antivodíku byly v CERNu postaveny dva experimenty ATHENA a ATRAP. Experimenty využívají antiprotony, jejichž rychlost je v antiprotonovém zpomalovači snížena na desetinu rychlosti světla. V balíku, který trvá 200 ns jich zpomalovač pošle dále každých 100 s okolo 30 miliónů. Tyto antiprotony jsou pak zpomaleny pomocí tenké fólie a zachyceny systémem elektrických a magnetických polí do magnetické pasti. V případě experimentu ATHENA je její hlavní částí supravodivý magnet vytvářející magnetické pole s intenzitou 3 T. Past je naplněna chladnými elektrony. Vyrovnání teploty díky elektrické interakci mezi elektrony a antiprotony dále zpomaluje (ochlazuje) antiprotony až na miliontiny rychlosti světla. Nakonec se elektrony vyvedou pryč. Po této proceduře zůstává v pasti okolo 3000 chladných antiprotonů. Ve druhé magnetické pasti se shromáždí 75 milionů pozitronů, získaných z rozpadu jádra 22Na. Pak se antiprotony a pozitrony pošlou do třetí magnetické pasti, kde se promíchají. V této pasti dochází k zachycení pozitronů antiprotony a vzniku antivodíků. Protože je antivodík celkově neutrální, uniká z magnetické pasti a na stěnách anihiluje.

Obr.č.2: Experiment ATHENA (snímek CERN)


 
 

A právě tato anihilace nám umožní vznik a zánik antivodíku identifikovat. Při anihilaci antiprotonu s protonem vznikají v průměru 3 až 4 nabité mezony pí. Ty jsou v případě ATHENY zachyceny pomocí polohově citlivých křemíkových detektorů. Při anihilaci elektronu a pozitronu vznikají dva fotony záření gama, které letí v opačném směru vůči sobě. Ty jsou zachyceny ve scintilačních detektorech z krystalu CsI, které vidí i nabité mezony pí (obr.č.3).

Takovým způsobem prokázal tým experimentu ATHENA produkci 50 000 atomů antivodíku a o svém výsledku informoval v září fyzikální veřejnost. Navázala tak na úspěch experimentu ATRAP, který jako první zachytil a udržel antiprotony v magnetické pasti.

Obr.č.3: Rekonstrukce jednoho detekovaného případu anihilace antivodíku. Anihilace antiprotonu za vzniku čtyř mezonů ? (žluté čáry) a anihilace pozitronu za vzniku dvou fotonů. (snímek CERN)


 
 

Studium vlastností antivodíku by mohlo přispět k poznání, čím se hmota od antihmoty liší. Zatím víme, že je téměř stejná. Kdyby nějaký kouzelník přeměnil hmotu vašeho těla v antihmotu a umístil by vás do antisvěta, vůbec máte velmi malou šanci to poznat. Na druhé straně víme, že se přece jen trochu liší. Jasně to prokazuje prostý fakt naší existence. Na úplném počátku velkého třesku bylo množství hmoty a antihmoty stejné. Ovšem v jeho počátečních stádiích došlo k tomu, že množství hmoty začalo nepatrně převyšovat množství antihmoty. Tomu vděčíme za naši existenci. Bližší informace například v článku v Kozmosu č.6/2000.

V plánu experimentů je studovat záření které je vyzářeno nebo pohlceno při přeskocích pozitronu mezi jednotlivými hladinami v antiatomu. Tyto přeskoky se budou iniciovat pomocí fotonů světla generovaného laserem. Podobná měření prováděná u vodíku patří k vůbec nejpřesnějším. Například relativní přesnost měření provedeného právě skupinou kolem experimentu ATRAP se blíží hodnotě 10-14.

Ze srovnání spekter vodíku a antivodíku můžeme získat i informaci o zachování tzv. CPT symetrie. Zákon zachování CPT symetrie říká, že fyzikální zákonitosti jsou stejné v našem světě i ve světě, kde bychom zaměnili částice za antičástice (C symetrie), zobrazili ho v zrcadle (P symetrie) a promítli události pozpátku v čase (T symetrie). Že se tyto symetrie nezachovávají samostatně už víme z experimentů studujících například úhlové rozdělení elektronů produkovaných v rozpadu beta, rozpad mezonů K0 nebo srovnává rozpad mezonů a antimezonů B0. Uskutečnění podobných experimentů a jejich srovnání s tím, co známe z našeho světa, by bylo šancí, jak poznat, zda nás ten kouzelník zmíněný dříve dostal opravdu do antisvěta. Jestliže by nás však dostal navíc do zrcadlového světa s opačným tokem času a pozorovali jsme tedy popsaný obraz antisvěta a zároveň platilo zachování CPT symetrie, nemáme šanci jej odlišit od světa našeho. Jestliže se tato kombinovaná symetrie zachovává, měla by být zároveň struktura vodíku a antivodíku stejná. Zatím se předpokládá a pro standardní model částic a interakcí to platí, že se tato symetrie zachovává. Srovnání spekter vodíku a antivodíku by pak bylo velmi přesným testem tohoto předpokladu.

Další zajímavou možností je studium toho, jak působí gravitace na antihmotu. Zatím to nebylo možné, protože jsme produkovali antihmotu pouze v elektricky nabité podobě. Takže vliv elektrických a magnetických sil spolehlivě překryl vliv slabé gravitační síly. Ale s neutrálním antivodíkem by takový výzkum byl možný, i když velmi náročný.

K takovým studiím však potřebujeme dlouhodoběji existující antivodíky. Tedy čtvrtou past, která by si poradila s udržením neutrálního antivodíku. Ten sice nemá náboj, ale má magnetický moment. V magnetickém poli se tedy chová jako malá magnetka a může tak být zachycen a udržen. Ovšem postavení takové magnetické pasti je velmi náročné, takže se jejich použití v obou CERNských experimentech teprve připravuje. V každém případě se už v blízké době můžeme těšit na velmi zajímavé výsledky. Podrobnější informace můžete nalézt v originálních článcích experimentů ATHENA a ATRAP, které můžete nalézt například přes webovské stránky CERNu (http://www.cern.ch/).




Vladimír Wagner, Řež, listopad 2002

ÚJF AVČR Řež


Back