Výzkum vlastností antihmoty je dramaticky komplikován známou vlastností, kdy při setkání antihmoty s hmotou dochází k anihilaci a jejímu zničení. Udržet antihmotu v našem hmotném světě stranou od hmoty není opravdu jednoduché. A snadná není ani produkce antihmoty.

Jednotlivé antičástice lze vytvářet díky kvantovým vlastnostem světa, kdy kvantová fyzika umožňuje přeměnu energie na klidovou energii a hmotnost páru částice a antičástice. Můžeme je produkovat ve srážkách částic urychlených na relativistické energie, jejichž kinetická energie překračuje jejich klidovou a je dostatečná k produkci požadovaného páru částice a antičástice. Takovým způsobem se podařilo vyprodukovat antičástice ke všem známým částicím.

Daleko komplikovanější je produkce vázaných systémů těchto antičástic, tedy jader a atomů. Páry částice a antičástice se produkují při relativistických energiích a jejich kinetická energie je tak většinou srovnatelná s klidovou. Vazebná energie nukleonů (antinukleonů) v jádře (antijádře) je o několik řádů nižší.

Experiment STAR na urychlovači RHIC byl jedním z klíčových zařízení pro studium antijader a antihyperjader (zdroj STAR).

Ve srážkách těžkých jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla, označují se jako relativistické či dokonce ultrarelativistické, se značná část jejich kinetické energie při srážce využije na produkci párů částice a antičástice. Dostaneme tak i velké množství antinukleonů, tedy antiprotonů a antineutronů. Může se tak stát, že vzniklé antinukleony budou v době vzniku dostatečně blízko sebe, aby je mohla silná jaderná síla udržet a zároveň budou mít téměř stejnou rychlost (hybnost), tedy dostatečně malou vzájemnou rychlost (hybnost). Kinetická energie spojená s jejich vzájemnou rychlostí bude menší, než je vazebná energie antinukleonů ve vznikajícím antijádře.

Po takové srážce tak velké množství antičástic vyplňuje danou část tzv. fázového prostoru. To je šestirozměrný prostor, ve kterém tři souřadnice určují polohu a tři další hybnost dané částice. Pokud pak jsou antiprotony a antineutrony v tomto fázovém prostoru dostatečně blízko sebe, mohou vytvořit antijádro. V takovém případě mluvíme o náhodném spojení, koalescenci, nukleonů a koalescenční produkci antijader (případně jader). Vytvoření antijádra je tak náhodný proces, který závisí na počtu vytvořených antinukleonů a na pravděpodobnosti, že se jich více sejde v dostatečné blízkosti ve fázovém prostoru. Počet vytvořených antičástic závisí na velikosti kinetické energie dostupné při srážce pro produkci nových částic. Nejefektivnější využití dostupné energie pro produkci částic je možné v případě experimentu v těžišťové soustavě a tedy při využití urychlovače srážeče.

Produkce antijader ve srážkách ultrarelativistických těžkých iontů

Nejtěžší antijádra se tak podařilo vyprodukovat v experimentech na srážečích LHC v laboratoři CERN a RHIC v Brookhavenu. V experimentech, které na nich probíhají, pravděpodobnost vytvoření stále těžšího antijádra rychlé klesá s každým dalším antinukleonem, a to zhruba o tři řády. Zatím nejtěžší vyprodukované antijádro má čtyři antinukleony. U antihélia 4 se při jeho první produkci na urychlovači RHIC po měsících srážení a více než miliardě srážek dvou jader zlata podařilo zachytit v experimentu STAR pouhých 18 antihélií 4. O prvním pozorování antihélia 4 se psalo v roce 2011.

Produkce lehkých jader a antijader pomocí detekční sestavy STAR na urychlovači RHIC v Brookhavenu. Baryonové číslo ukazuje počet nukleonů nebo antinukleonů (zdroj: STAR, Nature, 473).

Identifikace jednotlivých antijader je u těchto experimentů jednoduchá, jejich pohyb v magnetickém poli je dán jejich nábojem a hmotností. Tyto experimenty tak mají magnet a systém dráhových detektorů, který umožňuje určit pohyb jádra (částice) v magnetickém poli a také detektory určující ionizaci a celkovou energii iontů. Detekční sestava tak umožňuje identifikaci jednotlivých jader a antijader.

Antihélia 4 se podařila vyprodukovat i na urychlovači LHC. Studoval je hlavně experiment ALICE. Na LHC je energie srážky takové, že vzniká velký objem kvark-gluonového plazmatu a obrovský počet kvarků a antikvarků. V následné hadronizaci pak vzniká stejné množství nukleonů i antinukleonů, které se pak mohou se zmíněnou pravděpodobností slepit v různá lehká jádra i antijádra. V tomto případě je pravděpodobnost vzniku antijádra téměř stejná jako vzniku odpovídajícího jádra.

Zobrazení pravděpodobnosti produkce jader a antijader koalescencí v experimentu se srážkami jader zlata s energií na každý svazek 100 GeV/nukleon. Hvězdičkou jsou zobrazeny experimentální hodnoty pozorované v experimentu STAR. Trojúhelníkem výpočty dvou různých koalescenčních modelů. Je vidět, že pravděpodobnost produkce lithia 6 bude o šest řádů nižší, než je u helia 4. Lithium 5 má extrémně krátkou dobu života a velmi těžko bude pozorovatelné (zdroj Kai-Jia Sun a Lie-Wen Chen: arXiv:1509.05302v2).

Experiment ALICE studoval vznik antiprotonů, antideuteronů, antitritonů antihélia 3 i zmíněného antihélia 4. A to v experimentech s různými energiemi svazku i s různými ionty svazku. V případě LHC se i ve srážkách protonů s maximální dosažitelnou energií produkuje dostatečný objem kvark-gluonového plazmatu a velké množství kvarků a antikvarků. Takové, že stačí k produkci pozorovatelného množství antijader se třemi i čtyřmi nukleony.

Existující jádra s počtem nukleonů 5 (vodík 5, hélium 5 a lithium 5) mají dobu života extrémně malou v řádu menším než 10^-21 s a velmi malou vazebnou energii. Rozpadají se prostřednictvím silné interakce, tím je dána jejich krátká doba života, emisí neutronu (⁵H, ⁵He) nebo protonu (⁵Li) Jejich produkce a pozorování jsou tak velmi náročná. Pozorování odpovídajících antijader tak není popsaným způsobem při srážkách relativistických těžkých jader možná.

Nejlehčí hyperjádra jsou hypervodíky a hyperhélia (zdroj prezentace Yue-Hang Leunga na konferenci Strangeness in Quark Matter, 17.-21. 5. 2021)

Ze stejných důvodů nelze produkovat vodík 4 (emise neutronu) a lithium 4 (emise protonu), které mají také extrémně krátkou dobu života a malou vazebnou energii. Další těžší antijádro, které bude možné produkovat, tak musí mít šest nukleonů. Půjde o stabilní antilithium 6. To však znamená, že jeho pravděpodobnost vytvoření bude o zhruba šest řádů nižší, než je pravděpodobnost produkce antihélia 4. Vzhledem k tomu, že už tak to ozařování trvá měsíce, určitě se nedá prodloužit o šest řádů. Stejně tak je těžko představitelné zvýšení frekvence srážek o šest řádů. Pro produkci antilithia 6 tak bude potřebovat vymyslet něco úplně nového.

Produkce antihyperjader

Existují i těžší baryony. Jde například o hyperony, které obsahují nejen nejlehčí kvarky u a d, ale také podivný kvark s. Jádra, která obsahují kromě nukleonů i hyperony, se označují jako hyperjádra. Nejčastěji obsahují hyperjádra hyperon lambda, který je neutrální a v jádře nahrazuje neutron. Přeměna s kvarku na jiný kvark je možná jen prostřednictvím slabé interakce. Pravděpodobnost přeměny částice obsahující podivný kvark na částici bez něho je tak o mnoho řádů menší, než je přeměna částice, kde kvark s není a k přeměně tohoto kvarku na kvark lehčí nedochází. Doba života hyperonu lambda je tak poměrně dlouhá 0,26 ns (tedy v řádu 10^-9 s). A zhruba taková je i doba života hyperjader, které tento hyperon lambda obsahují. Při vhodných reakcí s využitím různých svazků je možné hyperjádra produkovat. Do současné doby se podařilo pozorovat celou řadu hyperjader, některé z nich měly dokonce dva hyperony.

Pomocí speciálních svazků se podařilo z lehkých hyperjader produkovat a zkoumat nejlehčí vodíkové hyperjádro. Jde o hypertriton, který obsahuje jeden proton, jeden neutron a jeden lambda hyperon. Dále se studoval hypervodík 4, kde je jeden proton, dva neutrony a jeden lambda hyperon. U hyperhélií se podařilo produkovat a studovat hyperhélium 4, kde jsou dva protony, jeden neutron a jeden lambda hyperon. A pak postupně hyperhélium 5 až 8, u kterých postupně roste počet neutronů.

Mapa lehkých hyperjader i z vyznačením, ve kterých typech experimentů se je podařilo pozorovat (zdroj prezentace Yue-Hang Leunga na konferenci Strangeness in Quark Matter, 17.-21. 5. 2021)

Ve srážkách ultrarelativistických těžkých iontů vznikají kromě nukleonů a antinukleonů i lambda hyperony a antilambda hyperony. Je tak možné produkovat i antihyperjádra. Jako první se podařilo vyprodukovat antihypertriton. V tomto případě je kritickou výzvou pozorování tohoto vzniklého antihyperjádra. Problémem je krátká doba života hyperjader a antihyperjader, která je ve zmíněném řádu nanosekund. Pozorujeme tak pouze produkty jejich rozpadu. Hyperon lambda se může rozpadat na proton a mezon π^-, hyperon antilambda se rozpadá na antiproton a mezon π⁺. V případě rozpadu antihypertritonu (antihypervodíku 3) dostaneme antihelium 3 a v případě antihypervodíku 4 pak antihelium 4. A právě tyto kanály rozpadu se mohou využít pro jejich detekci.

Po změření energií a hybností produktů rozpadu, antihelia 3 a mezonu pí nebo antihélia 4 a mezonu pi, můžeme s využitím vztahů speciální teorii relativity spočítat invariantní klidovou energii (hmotnost) mateřského jádra. Zároveň je doba života mateřské částice dostatečně velká, aby místo rozpadu antihypervodíku bylo v nějaké vzdálenosti, jde o několik centimetrů, od místa srážky těžkých iontů. Přesné určení dráhy mezonu a dceřiného jádra nám umožňují identifikovat jádro a mezon patřící k sobě a místo jejich vzniku v rozpadu mateřské částice. Vzdálenost mezi místem vzniku antihypervodíku a místem jeho rozpadu umožňuje určit dobu jeho života.

Invariantní hmotnosti hypervodíků a antihypervodíků při experimentech pomocí zařízení STAR. Vidíme, že lze velice dobře pozorovat píky spojené s rozpady těchto hyperjáder a antihyperjáder. (Zdroj STAR: arXiv:2310.12674v3).

Koncem srpna 2024 byly publikovány výsledky experimentu STAR, kterému se podařilo detekovat 16 antihypervodíku 4. Bylo k tomu potřeba 6 miliard srážek. Ve skutečnosti bylo pozorováno 22 kandidátů na toto antihyperjádro. Produkovaných mezonů pí je během srážek obrovské množství. Je tak možné, že se k sobě přiřadí jádro a mezon pí, které ve skutečnosti k sobě nepatří. Pravděpodobnost těchto náhodných koincidencí lze spočítat. Z provedených simulací a výpočtů vyšlo, že by těch případů z náhodného pozadí mělo být šest a ty bylo potřeba od celkového počtu pozorovaných případů odečíst.

Nalevo jsou naměřené rozpadové křivky hypervodíků a antihypervodíků, na ose x je vzdálenost, kterou jádro nebo antijádro uletělo, opravená na kontrakci délek, tedy vliv speciální teorie relativity, a na ose y je počet rozpadlých jader. Obojí s vyznačením experimentálních nejistot. Napravo jsou data o dobách života těchto jader a antijader z této práce i dřívějších prací vyznačený v pikosekundách. (Zdroj STAR: arXiv:2310.12674v3).

Antihypertriton (antihypervodík 3) se podařilo stejným experimentem pozorovat už v roce 2010. Nyní však bylo možné společně pozorovat hypervodík 3 a hypervodík 4 i antihypervodík 3 a antihypervodík 4. Bylo možné určit jejich hmotnosti a doby života a porovnat je. Bylo tak možné hledat případné rozdíly ve vlastnostech hyperjader a antihyperjader. Analýza současného experimentu s doplněním výsledků předchozích experimentů ukazuje shodu dob života hypervodíků a antihypervodíků v mezích nejistot měření, viz obrázek.

Závěr

Studium hyperjader a poznání interakce mezi hyperony a neutrony je velmi důležité i pro astrofyziku. Hyperonová hmota by se mohla vyskytovat uvnitř neutronových hvězd, jak bylo detailně rozebráno v článku o vlastnostech jaderné hmoty uvnitř neutronových hvězd.

Zároveň je velmi důležité pozorování antijader a antihyperjader a srovnání jejich vlastností, hmotností a dob života. Jde o klíčový test kombinované CPT symetrie (P je zrcadlová symetrie, C je symetrie mezi hmotou a antihmotou a T je symetrie při změně směru plynutí času). Pokud se hmotnosti nebo doby života jader a antijader budou lišit, je to známka, že se tato klíčová fyzikální symetrie narušuje. O důležitosti narušení C a P symetrie i kombinované CP symetrie, a jak je využít pro sdělení mimozemšťanům, co je levá a pravá ruka, a co je kladný a záporný náboj, se psalo v dřívějším článku.

První objevy stále těžších antičástic a antijader (zdroj STAR: arXiv:2310.12674v3).

Studium antihypervodíku 4 je dalším krokem v cestě za těžšími antijádry. Antihypervodík 4 je v současné době nejtěžším antijádrem, které se podařilo vytvořit. Je složen z jednoho antiprotonu, dvou antineutronů a jednoho antihyperonu lambda. Má stejný počet baryonů, jako má antihélium 4. Ovšem antihyperon lambda je o dost těžší, než je proton, a vazebná energie antihypervodíku 4 je menší, než je vazebná energie antihélia. Je vysoce pravděpodobné, že antihypervodík 4 zůstane rekordmanem po velmi dlouhou dobu. Jak už bylo zmíněno, bude třeba pro jeho překonání najít úplně novou metodu produkce antijader.

Urychlovač LHC a jeho experimenty však slibují daleko vyšší statistiku u známých antijader i antihyperjader. Dosáhne se tak významné zpřesnění určení jejich vlastností, jak bylo ostatně diskutováno i na konferenci ICHEP 2024 v Praze. Možnosti urychlovače FAIR v GSI Darmstadt v oblasti studia hyperjader a antihmoty byla rozebírána na nedávném setkání spolupráce CBM, která buduje detekční sestavu pro tento urychlovač. Můžeme se tak v budoucnu těšit na další zajímavé výsledky.

Hůře jsme na tom v případě produkce antiatomů, zde se nám zatím podařilo vyprodukovat pouze ten nejlehčí, nejlehčí izotop antivodíku. I když i zde se daří produkovat i uchovávat jeho stále větší množství a dramaticky posunovat přesnost měření jeho vlastností a srovnání s vlastnostmi vodíku. Jak je popsáno v dřívějších článcích, je to také perfektní nástroj pro měření CPT symetrie (zde a zde).

Video: Dřívější přednáška o antihmotě pro Kosmologickou sekci ČAS

Video: Přednáška o symetriích ve fyzice pro kosmologickou sekci ČAS: