Hledání antihmoty – experiment Bess-Polar

Petr Kulhánek, 3. října 2005

Hledání 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. ve vesmíru je náplní mnoha experimentů z poslední doby. O antihmotě jsme již podrobněji psali v čísle 20/2005. Astronomové stále váhají, zda by přece jen někde v hlubinách vesmíru nemohly existovat ostrovy látky z antihmoty. Řada experimentů na hranici atmosféry Země potvrdila výskyt antiprotonů. Jde ale o sekundární částice vzniklé až v naší atmosféře při interakci částic kosmického zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na hranici atmosféry plochu o velikosti 1 km² a na zemském povrchu se rozšíří na mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ioniozace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.  s částicemi atmosféry. Nejlepším úlovkem by byl objev antihélia. To přirozenou cestou v naší atmosféře vzniknout nemůže. Objev jednoho jediného atomu antihélia by znamenal existenci antihmoty ve vesmíru. To se však dosud v žádném experimentu nepodařilo.

Experiment Bess-Polar

Zajímavým experimentem z poslední doby (kromě připravovaného experimentu AMS 2) je balónový experiment Bess-Polar (Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer Polar), který proběhl na konci roku 2004 v Antarktidě. Proč balónové experimenty? Při hledání primárních částic antihmoty musíme co nejvíce vyloučit vliv atmosféry, s jejímiž částicemi antihmota anihilujeAnihilace – proces zániku částice a antičástice, při kterém se obě přemění na záření. . Experiment Bess-Polar byl nesen balónem ve výšce kolem 39 km, kde je tlak atmosféry menší než jedno procento tlaku při hladině moře a její vliv je proto velmi malý. Antarktida nebyla k vypuštění balónu volena náhodou. Za normální situace je Země chráněna před tokem nabitých částic z vesmíru magnetosférou. Existují však dvě místa, říká se jim polární kaspyPolární kasp – trychtýřovitá oblast v blízkosti magnetických pólů planety, kterou pronikají jako obrovským vírem nabité částice do atmosféry. Název pochází z anglického „cusp“ (roh, cíp)., kterými mohou nabité částice proniknout do větší hloubky. Primární antiprotony a ostatní antičástice by teoreticky měly pronikat kaspy do horních vrstev atmosféry právě nad polárními oblastmi.

Trasa experimentu Bess-Polar v Antarktidě.

Nahrávka výšky a tlaku pořízená při letu balonu.

Balón s experimentem byl vypuštěn 13. prosince 2004, obletěl jižní pól, a přistál 21. prosince 2004. Experiment navazuje na řadu úspěšných experimentů Bess prováděných od roku 1993. Poprvé byl při tomto letu použit nový částicový spektrometr, který je výrazně lehčí než předchozí typ. Let trval 8 dní v průměrné výšce 39 km a celkem bylo detekováno 900 milionů částic. Zdrojem energie byly solární panely o rozloze odpovídající ploše fotbalového hřiště. Experiment je společným úsilím japonských a amerických vědců z mnoha institucí, především pak z laboratoře KEKKEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačm je KEKB B factory, továrna na B kvarky. Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 10³⁴ cm⁻²s⁻¹. Obvod obou prstenců je 3 016 m. a z NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, založen byl v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších..

Před startem, nafukování balónu. Spektrometr Polar je umístěn
nad konstrukcí se slunečními panely.

Bess těsně po startu. Záběr letící gondoly se slunečními panely a spektrometrem.

Spektrometr Polar

Základem spektrometru Polar je tenkostěnný supravodivý magnet, který ovlivní pohyb nabité částice. Uvnitř magnetu je pole o velikosti 0,8 T. Magnet má speciální konstrukci, která umožnila mimořádně nízkou hmotnost, pouhých 25 % hmotnosti magnetu používaného při předchozích letech. Spektrometr měří tzv. rigidituRigidita – energie částice vztažená na její náboj. Udává se ve voltech. Číselná hodnota určuje napětí potřebné k zabrzdění nabité částice (W_k = QU). R částic, ze které je možné určit hmotnost částice podle vztahu

m = QRc⁻²(c²/v² − 1)^1/2.

Rychlost částic se měří pomocí plastových scintilátorů TOF (Time of Flight). Jde o čítače na obou stranách detektoru, ze kterých je možné zjistit, za jakou dobu částice prolétla detektorem. Další čítač je navíc uvnitř detektoru. Uvnitř magnetu je komora JET pro proměřování trajektorií částic s přesností 140 μm a dvě komory IDC (Inner Drft Chamber) s rozlišením 130 μm. Spektrometr má dále Čerenkovův detektorČerenkovův detektor – detektor částic využívající kužele Čerenkovova záření za nabitou částicí pohybující se v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí. Často se využívá k detekci elektronů nebo mionů v nádrži naplněné vodou. Stěny nádrže jsou pokryty fotonásobiči detekujícími světelný kužel. Jinou variantou jsou aerogelové Čerenkovovy detektory umísťované na sondách. Čerenkovovo záření vznikající v atmosféře ze sekundárních spršek kosmického záření může být sledováno speciálními pozemskými dalekohledy. , kde bylo sledováno Čerenkovovo zářeníČerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí. nabitých částic v aerogeluAerogel – vysoce porézní látka vyrobená z kapalného gelu odpařením kapalné složky za nadkritické teploty a tlaku. Aerogely jsou průhledné, charakterizuje je mimořádně nízká hustota, pevnost a vynikající tepelně izolační vlastnosti..

Schéma spektrometru Polar.

Skutečný spektrometr Polar montovaný v NASA GFSC.

Vědecké cíle projektu

1. Detekce antičástic v kosmickém záření ve vysokých nadmořských výškách za pomoci magnetického spektrometru, zejména detekce antiprotonů s nízkými energiemi, které by mohly k Zemi pronikat polárními kaspy. Experiment detekoval antiprotony v energetickém rozsahu 0,1÷4,2 GeV.

2. Hledání atomů antihélia v kosmickém záření. Detekce, byť jediného atomu, je klíčovým testem existence antihmoty ve vesmíru.

3. Výzkum částic kosmického záření, zejména přítomnosti lehkých prvků v kosmickém záření. Jejich zastoupení je důležité jednak pro pochopení mechanismu šíření kosmického záření vesmírem a jednak pro odhad počtu atmosférických neutrin, která vznikají interakcí kosmického záření s atmosférou.

Existence primárních nízkoenergetických protonů by mohla podpořit teorii existence miniaturních (primordiálníPrimordiální černé díry – černé díry, které by měly mít rozměry elementárních částic a mohly by vznikat v ranných fázích vývoje vesmíru. Jestliže existují, měly by díky Hawkingovu vypařování intenzivně zářit. Současné experimenty již vyloučily, že by těchto objektů mohlo být být více než 300 v krychlovém světelném roku.) černých děr. Ty by měly emitovat antiprotony při tzv. Hawkingovu vypařování. V experimentu bylo pořízeno 2,14 terrabytů dat, která se nyní postupně zpracovávají. Další let podobného typu je plánován na rok 2007, kdy je očekáváno maximum sluneční aktivity.

První výsledky z experimentu: Spektrum protonů a antiprotonů.
Na svislé ose je převrácená hodnota rychlosti, na vodorovné rigiditaRigidita – energie částice vztažená na její náboj. Udává se ve voltech. Číselná hodnota určuje napětí potřebné k zabrzdění nabité částice (W_k = QU)..

Klip týdne: Hurikán Katrina

Dne 29. srpna 2005 zdevastoval hurikán Katrina, který dosáhl nejvyššího pátého stupně Saffirovy-Simpsonovy škály, americké město New Orleans ležící na pobřeží Mexického zálivu. Animace, kterou Vám dnes přinášíme, poodhaluje některé jeho taje. První část animace je složenina meteorologických snímků (z "Terra and Aqua" satelitů NASA) pořízených v období od 24. do 31. srpna 2005 přístrojem MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). Na druhé části animace je vidět postup bouře a teplotu vody. Hurikán potřebuje ke svému vzniku a zesílení vodu alespoň 28 °C teplou. Veškerá vodní plocha žluté, oranžové nebo červené barvy tuto podmínku splňuje. Třetí část animace ukazuje, kolik srážek v kterých místech za období od 23. do 30. srpna z hurikánu Katrina napršelo. Žlutá barva znamená 40 mm srážek, červená 80 mm. Poslední část animace je řez strukturou bouře dne 28. srpna 2005. Data struktury deště jsou získána pomocí přístroje TMI (Tropical Microwave Imager) sondy TRMM. Modrá barva reprezentuje oblasti, kde napršelo alespoň 6 mm srážek, zelená nejméně 13 mm, žlutá 25 mm a červená přes 50 mm za hodinu. Zdroj NASA.

Odkazy