Experimenty s antivodíkem mohou začít

Petr Kulhánek, 21. března 2005

Existenci antihmotyAntihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů. předpověděl Paul Adriene Maurice Dirac již v roce 1930. Antičástice se od běžných částic hmoty liší tím, že mají opačné hodnoty všech kvantových nábojů. První antičástice, pozitron, byla objevena v kosmickém záření Carlem Andersonem v roce 1932. Antiproton byl objeven mnohem později, až v roce 1955 Emiliem Segrem a Owenem Chamberlainem. Z antiprotonu a pozitronu byl uměle připraven první atom antivodíku v roce 1995 v evropském komplexu laboratoří CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostavěn v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.. V roce 1997 byl antivodík také připraven v americkém FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V současné době je zde největší urychlovač světa – Tevatron. K nejvýznamnějším objevům patří objev charmonia (částice J/Ψ) kvarku b (1977), kvarku t (1995) a tau neutrina (2000). V současnosti se Fermilab zabývá výzkumem t kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, zkoumáním platnosti CPT invaraiance a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty. . Tím se otevřela zcela nová oblast fyziky – výzkum antihmotyAntihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů..

Experimenty v CERNu

Antiprotony, které vznikají při bombardování kovového terčíku protony urychlenými na urychlovači SPS, vznikají s rychlostmi blízkými rychlosti světla. Prvotním úkolem je proto jejich zpomalení. V antiprotonovém zpomalovači se sníží rychlost antiprotonů na desetinu rychlosti světla. Tyto antiprotony jsou zachyceny ve speciálních magnetických pastech (ATHENAATHENA – AnTiHydrogEN Apparatus, jeden ze dvou experimentů na výrobu antivodíku v CERNu. Skládá se z antiprotonové pasti, zásobníku pozitronů a rekombinační pasti, ve které dochází ke kontaktu antiprotonů s pozitrony. Athena v řecké mytologii symbolizuje bohyni moudrosti., ATRAPATRAP – Antihydrogen Trap, jeden ze dvou experimentů na výrobu antivodíku v CERNu. Jde o gradientní magnetickou past, do které z jedné strany vnikají antiprotony a z druhé pozitrony (přes rotující elektrodu). Antivodík zde může být držen až několik hodin.) a laserově ochlazoványLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na milikelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. na teplotu několika milikelvinů a poté přivedeny do kontaktu s mračnem pozitronů z radioaktivního zdroje.

Experiment ATRAPATRAP – Antihydrogen Trap, jeden ze dvou experimentů na výrobu antivodíku v CERNu. Jde o gradientní magnetickou past, do které z jedné strany vnikají antiprotony a z druhé pozitrony (přes rotující elektrodu). Antivodík zde může být držen až několik hodin. určený k výrobě antivodíku. Antiprotony a pozitrony přicházejí
z opačných směrů a v centru Penningovy pasti vytvářejí oblak atomů antivodíku.
Zdroj: G. Gabrielse, Physical Review Letters, 2005.

Skutečná fotografie zařízení ATRAPATRAP – Antihydrogen Trap, jeden ze dvou experimentů na výrobu antivodíku v CERNu. Jde o gradientní magnetickou past, do které z jedné strany vnikají antiprotony a z druhé pozitrony (přes rotující elektrodu). Antivodík zde může být držen až několik hodin. .

Spektrum antivodíku

Veškeré provedené experimenty se do konce roku 2004 omezily na detekci existence antivodíku. Od konce roku 2004 probíhají intenzivní pokusy o změření spektra antivodíku a to jak v CERNuCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostavěn v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web., tak ve FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V současné době je zde největší urychlovač světa – Tevatron. K nejvýznamnějším objevům patří objev charmonia (částice J/Ψ) kvarku b (1977), kvarku t (1995) a tau neutrina (2000). V současnosti se Fermilab zabývá výzkumem t kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, zkoumáním platnosti CPT invaraiance a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty. . Pokud platí CPT invarianceCPT invariance – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnou stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie)., mělo by být spektrum vodíku a antivodíku totožné. Z hlediska současných experimentů jsou ve spektru antivodíku důležité dva přechody. Prvním z nich je dvoufotonový přechod 2s→1s z metastabilního excitovaného stavu 2s, který má extrémně dlouhou životnost 122 ms. Z Heisenbergových relací neurčitosti pro energii takovému přechodu odpovídá velmi malá neurčitost a tím extrémně úzká spektrální čára s relativní šířkou pouhých 5×10⁻¹⁶. Na této čáře bude možné testovat shodnost spektra a tím platnost CPT invarianceCPT invariance – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnou stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie). s bezprecedentní relativní  přesností 10⁻¹⁸.

Druhým významným přechodem je Lymanova α čára 2s→1p na vlnové délce 121,56 nm. Tato čára je vhodná pro využití k laserovému ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na milikelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. atomů antivodíku. První k tomu vhodný kontinuální a koherentní laserový zdroj byl zprovozněn v roce 2004 a pracuje buď na parách mědi nebo na parách hořčíku. K laserování se využívá čtyř přechodů mezi hladinami (FWM – Four Wave Mixing).

Kontinuální laserový zdroj na vlnové délce 121,6 nm na parách mědi.
Využívá čtyř přechodů ve spektru (Four Wave Mixing).
Zdroj:  J. Walz a kol., Hyperfine Interactions 2000.

Kontinuální laserový zdroj na vlnové délce 123 nm na parách hořčíku.
Nalevo: původní záměr realizace pomocí čtyř přechodů (Four Wave Mixing).
Napravo: skutečná realizace, výsledkem je zdroj na 123 nm a na 172 nm
Zdroj:  J. Walz a kol., Hyperfine Interactions 2000.

Chování antihmoty

V obou laboratořích, které vyrábějí antivodík (CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostavěn v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web., FermilabFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V současné době je zde největší urychlovač světa – Tevatron. K nejvýznamnějším objevům patří objev charmonia (částice J/Ψ) kvarku b (1977), kvarku t (1995) a tau neutrina (2000). V současnosti se Fermilab zabývá výzkumem t kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, zkoumáním platnosti CPT invaraiance a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty. ), jsou dnes schopni připravit vzorek o několika desítkách tisíc jedinců. Takový vzorek by měl být dostatečný k pořízení prvních spekter, ze kterých budou provedeny testy CPT invarianceCPT invariance – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnou stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie). s relativní přesností 10⁻¹⁸. Pokud je CPT invarianceCPT invariance – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnou stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie). platná, mělo by být spektrum antivodíku shodné se spektrem vodíku. Kdyby tomu tak nebylo, znamenalo by to zcela převratné zásahy do našich teoretických představ o stavbě hmoty a antihmotyAntihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů..

Velmi důležité je také otestovat, zda se hmota v gravitačním poli chová stejně jako antihmotaAntihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů.. Předpokládá se, že zrychlení hmoty v gravitačním poli bude stejné jako zrychlení antihmotyAntihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů.. Také by měl platit slabý princip ekvivalencePrincip ekvivalence – gravitační zrychlení těles nezávisí na jejich chemickém složení, gravitační a setrvačná hmotnost těles je vzájemně úměrná, ve vhodné soustavě jednotek shodná. Tento princip se někdy nazývá slabý princip ekvivalence (WEP – Weak Equivalence Principle). Podle silného principu ekvivalence by měla mít gravitační účinky i hmotnost odpovídající energii elektromagnetického pole. (WEP), tj. zrychlení antihmotyAntihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů. v gravitačním poli by mělo být závislé jen na celkové hmotnosti tělesa, nikoli na chemickém složení. Gravitační a setrvačná hmotnost by si měly být úměrné stejně jako je tomu u hmoty.

Bonus: Animace „Výroba antivodíku v CERNU“

Výroba antivodíku v CERNU. Celý proces se děje v antivodíkové pasti ATRAP (Antihydrogen Trap). V animaci nejprve zleva přilétají antiprotony vytvořené v urychlovači a následně zpomalené. Antiprotony (oranžové) vlétají do Penningovy magnetické pasti. Zde několikát oscilují podél osy pasti než jsou zachyceny speciální kombinací magnetického a elektrického pole a vytvoří chomáč antiprotonů. Zprava potom ze zásobníku pozitronů vlétnou skrze rotující elektrodu do Penningovy pasti pozitrony (zelené) získané z rozpadu radioaktivního sodíku Na 22. Pozitrony interagují s chomáčem antiprotonů a v některých případech dojde k záchytu pozitronu antiprotonem a výsledkem je neutrální atom antivodíku (modře). Na ten nepůsobí magnetické a elektrické pole Penningovy pasti a proto neutrální antiatom její prostor opouští. Zdroj: CERN.

Odkazy