Diskuse pod příspěvkem o produkci „molekulárního pozitronia“ ukázala, že alespoň pro část čtenářů Osla je tato tématika zajímavá. Proto bych si dovolil napsat přehled dosud pozorovaných a některých možných vázaných systémů, ve kterých se vyskytuje částice a antičástice. Jak bude vidět, jde stále o systémy velmi exotické, jejichž produkce je opravdu náročná. Tím je dána i nepříliš ujasněná česká (i anglická) terminologie jejich názvů. Na druhé straně však jsou tyto objekty sondami umožňujícími testovat fundamentální zákonitosti našeho světa.

Hned na začátku bych chtěl zdůraznit, že jak v povídání tak i v nadpisu se omezuji na systémy vázané elektromagnetickou silou. Systémy částice a antičástice vázané silnou interakcí jsou totiž běžné. Jedná se o dobře známé mezony, které jsou složeny z kvarku a antikvarku. Existuje jich velké množství a doba života těch nejstabilnějšího z nich (například nabitých pí a K mezonů) je v řádu desítek nanosekund (10^-8s).

Takže rychle k objektům našeho zájmu, které jsou vázány elektrickými silami. Ve zmíněném příspěvku se rozebíral případ pozitronia. V tomto případě se jedná o vázaný systém elektronu a pozitronu, které obíhají kolem společného těžiště. Od atomu se liší hlavně tím, že se jedná o dvě stejně hmotné částice. To je velký rozdíl od vodíkového atomu, kde je hmotnost protonu více než o tři řády větší než hmotnost elektronu. Ovšem povaha síly, které je drží pohromadě jsou stejné. Trochu to připomíná rozdíl mezi systémem dvojhvězdy a hvězdy s planetou. Rozměry pozitronia jsou tak zhruba dvojnásobkem rozměru atomu vodíku. Jeho doba života závisí na tom, jaká je orientace spinu (vnitřního momentu hybnosti) elektronu a pozitronu, které systém tvoří. Jestliže jsou spiny orientovány v opačném směru, hovoříme o parapozitronium. Když je orientace jejich spinů souhlasná, hovoříme o orthopozitronium. Parapozitronium při své anihilaci produkuje dva fotony a jeho doba života je zhruba 0,125 nanosekundy. Způsob rozpadu i dobu života orthopozitronia silně ovlivňuje zákon zachování momentu hybnosti. Protože fotony mají spin 1 a elektron i pozitron 1/2, musí při anihilaci orthopozitronia vznikat tři fotony. Anihilace tak nastává s mnohem menší pravděpodobností a doba života je o tři řády delší, okolo 142 ns.  Taková je situace ve vakuu. V materiálu je vysoká pravděpodobnost, že pozitron v orthopozitroniu anihiluje dříve s nějakým volným elektronem, který má stejnou orientaci spinu, za vzniku dvou fotonů. Jeho doba života v takovém prostředí je menší než jedna nanosekunda.

Pozitrony pro výrobu pozitronia se většinou získávají v rozpadu beta plus uměle připravených radioizotopů. Pozitronium vzniká záchytem pozitronu elektronem po jeho zpomalení účinkem ionizačních ztrát ve většině případů ve vzbuzeném stavu. Nějakou chvíli trvá než elektron a pozitron postupně „přeskáčou“ do základního stavu. Přitom vyzařují energii v podobě fotonů s přesně danou energií. Detekce těchto fotonů nám umožňuje tyto systémy velice přesně studovat. V základním stavu pak pozitronium po době dané zmíněnou dobou života anihiluje.

Ke studiu přechodů v tomto systému lze využít metodu atomové laserové spektroskopie. Je to příklad metody, která dokáže měřit s fantastickou přesností a přinesla nám již dříve řadu poznatků. Například pomocí velice přesného měření hyperjemné struktury přechodů v atomu vodíku. Používá se i při studiu řady dalších námi diskutovaných systémů, takže si připomeňme její principy. Laserem budeme produkovat fotony s přesně definovanou vlnovou délkou (musíme ji mít možnost měnit). Atom (nebo jiný kvantový systém) pohlcuje fotony s přesně danou vlnovou délkou a dostává se do excitovaného stavu. Při své deexcitaci vyzařuje fotony, které se detekují. Budeme-li měnit vlnovou délku světla laseru dopadajícího na atom, budeme pozorovat vyzařování fotonů vybuzeným stavem jen pro její přesně danou hodnotu. Pokud vlnovou délku dokážeme měnit s vysokým rozlišením, určíme z vysokou přesností i energii příslušného excitovaného stavu (pozorujeme příslušnou rezonanci).
V příspěvku J. Pazdery jsme si přečetli, že se podařilo pozorovat existenci vázaného systému dvou pozitronii, který se dá označit jako molekulární pozitronium. Využívá se toho, že velmi koncentrovaný oblak pozitronů (asi milión částic), získaných v pasti a akumulátoru pozitronů, byl vyvržen do porézního křemíku. V pórech existovaly oblasti s malým obsahem elektronů a vzniklá orthopozitronia, která tam difundovala, mohla žít dobu blízkou té ve vakuu. Při dostatečné hustotě takto vzniklých pozitronií mohlo vzniknout i pozitronium molekulární.
 
 

 
Zpomalovač antiprotonu v laboratoři CERN (zdroj CERN)

 
Elektron má velice podobného „bratra“, který je však zhruba dvou tisíckrát těžší. Je označován jako mion. V principu by asi mohl existovat vázaný systém mionu a antimionu. Tedy těžší obdoba pozitronia. Mohl by se třeba označovat jako mionium, kdyby už tento název nebyl použit pro systém, o kterém se zmíníme až za chvíli. Problém s jejich případnou produkcí je, že miony se produkují, podobně jako jiné antičástice, ve vysokoenergetických srážkách částic. To znamená, že miony  i antimiony jsou produkovány s velmi vysokými kinetickými energiemi. Je třeba je zpomalit.

Dokážeme standardně produkovat tzv. mionové atomy i molekuly, ve kterých je elektron nahrazen mionem. Tím, že je mion těžší, je jeho dráha blíže jádru, Proto můžeme pomocí takového systému například určovat rozměry a tvar jádra. K výrobě vázaného systému mionu a antimionu by však bylo potřeba vyrobit dostatečné množství pomalých mionů i antimionů současně a promíchat je. To je složité i proto, že doba životu mionu je jen o něco málo větší než dvě mikrosekundy, pak se rozpadá. Takže je složité připravit dostatečně hustý oblak mionů, do kterého bychom antimiony přivedly a dostali jejich vázaný systém. Proto se zatím podařilo vyrobit a zkoumat pouze systém složený z antimionu a elektronu, protože připravit prostředí s dostatečnou hustotou elektronů není problém. Nejlepší způsob jeho výroby je záchyt elektronu kladným antimionem, který se zastavil ve vhodném materiálu (často se využívaly vzácné plyny). A právě tomuto systému se přiřadil název mionium. Také u něho se zkoumá struktura vzbuzených stavů pomocí laserové spektroskopie. Pochopitelně, že by mohl existovat i systém pozitronu a mionu, ale jeho příprava bude velmi komplikovaná. Pokud se jedná o názvosloví, tak je v této oblasti nejzamotanější. Jako mionium se většinou označuje zmíněný systém elektronu a antimionu, ale někdy i systém mionu a antimionu a často i mionové atomy.

Další produkované a studované systémy už mají daleko větší hmotnost. Jejich produkce je závislá na našich možnostech produkce pomalých antiprotonů, které obsahují. Jako první si zmiňme protonium (název se používá v analogii s pozitroniem), kterému se taky někdy říká antiprotonový vodík. V tomto případě se jedná o vázaný systém protonu a antiprotonu. Produkuje se ve srážkách velice pomalých antiprotonů s protony. Takový systém má v materiálu velmi krátkou dobu života. Ve vakuu by však  mohla jeho doba života dosahovat až mikrosekundy. Kromě dřívějších nepřímých náznaků vzniku protonia se jeho prokázaná produkce podařila až experimentu ATHENA v evropské laboratoři CERN v minulém roce. Stejně jako pro hromadnou přípravu antivodíku se používá zpomalovač antiprotonů (o výrobě antivodíku viz. například zde).

Potvrdila se doba života ve vakuu v řádu mikrosekund a tím se otevřela cesta ke studiu jeho struktury. Velmi užitečné by bylo studium přechodů mezi vzbuzenými stavy tohoto systému. Dala by se tak určit s  velmi vysokou přesností hmotnost antiprotonu a mohli bychom ji porovnat s hmotností protonu. Zatím je však využití takové možnosti pouze na začátku.
 
 

 
Na práci experimentu ATHENA navazuje spolupráce ALPHA (zdroj CERN)

 
Mnohem lépe prostudovaným systémem je antiprotonové helium, což je systém složený z jádra helia a jednoho elektronu, druhý elektron je nahrazen antiprotonem. Někdy se pro takový systém i v češtině používá název atomkule (jde o takový hybrid mezi atomem a molekulou) nebo se spolu s protoniem označují jako baryonový atom (antiproton i proton se řadí k baryonům). Objev tohoto systému lze spojit s rokem 1991 a laboratoří KEK v Japonsku, kde byla pozorována anomálně dlouhá doba života antiprotonů při průchodu terčem z hélia. Právě to se vysvětlilo relativně dlouhou dobou života antiprotonového helia v materiálu (v řádu mikrosekund).  V posledních letech se antiprotonové helium intenzivně produkuje a studuje v již zmíněné laboratoři CERN. Takový systém se dokonce může připravovat ještě jednodušeji než antivodík a jeho studium, stejně jako studium antivodíku, by mělo umožnit studovat rozdíly mezi hmotou a antihmotou.
 
 

 
Schéma antiprotonového helia a struktura jeho hladin. Převzato z práce T. Yamazaki et al.: Antiprotonic helium,  Elsevier preprint 29. 8. 2001

Snímek experimentu ASACUSA (zdroj CERN)

V laboratoři CERN na výzkumech antiprotonového helia pracuje hlavně experiment ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons). Tomuto experimentu se daří studovat jak antiprotonové helium s izotopem ₄He tak i s izotopem 3He. Navíc se jim daří připravovat a studovat antiprotonové helium v ionizovaném stavu s dobou života okolo 100 ns. Zde jde o dvoučásticový systém antiprotonu a helia bez elektronu. Jedná se tak o objekt velice podobný atomu s jedním elektronem, který semiklasickým způsobem počítal už N. Bohr a velice jednoduše a přesně dokázal popsat přechody například v jádru vodíku. I u iontu antiprotonového helia tak můžeme relativně jednoduše dostat příslušné vztahy. Pokud změříme energii těchto přechodů, můžeme pak pomocí nich určit velice přesně poměr mezi hmotností antiprotonu a elektronu. V případě, že využíváme neutrální antiprotonové helium, je třeba spočítat korekce na přítomnost třetí částice - elektronu.
 

 
Při zkoumání antiprotonového helia je třeba řešit problém, že dokážeme zatím produkovat jen relativně velmi malý počet těchto objektů. Antiprotony prolétají terčem z helia, zastavují se a jen asi 3% z nich vytvoří metastabilní antiprotonové helium, které má dobu života zhruba 3-4 mikrosekundy. Ostatní anihilují „okamžitě“. To ztěžuje využití klasické atomové laserové spektroskopie. Proto se vymyslela nová metoda. Využívá toho, že různé stavy antiprotonového helia mají různé doby života (závisí na jejich momentu hybnosti a dalších vlastnostech. Vlnová délka fotonů z laseru  se nastavuje tak, aby umožnila přeskok mezi dvěma stavy, z nichž první zajišťuje relativně dlouhou dobu života a druhý, do kterého po pohlcení fotonu antiprotonové helium přejde, rychlou anihilaci. Měříme dobu, za jak dlouho dojde k anihilaci antiprotonu. Při dosažení příslušné správné vlnové délky (nastane rezonance) prudce poklesne počet opožděných anihilací.  
 
 
 

Zvětšit obrázek

Vedení svazku antiprotonu k experimentu ASACUSA (zdroj CERN)

V minulém roce (2006) se podařilo dosáhnout při měření několika přechodů v antiprotonovém heliu pomocí pulzního laseru velmi vysoké přesnosti v měření poměru hmotnosti antiprotonu a elektronu – na devět platných cifer. Tato hodnota je v mezích přesnosti shodná s hodnotou poměru mezi hmotnostmi protonu a elektronu. Vybíjení vzniklého antiprotonového helia probíhalo v řádu mikrosekund.

V současné době se skupiny využívající svazky zpomalených antiprotonů v laboratoři CERN intenzivně připravují na další etapu výzkumu antihmoty a různých systému složených z antičástic i kombinace antičástic a částic. Vznikla nová spolupráce ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus). Jaký je jejich hlavní úkol? Jedná se o velmi přesná měření energie elektromagnetických přechodů u těchto objektů. Ty se dají využít pro určení případného rozdílu mezi hmotnostmi nebo velikostmi náboje u částice a odpovídající antičástice. Připomeňme si, že v našem případě vždy určujeme setrvačnou hmotnost a tedy studujeme poměr setrvačné hmotnosti částice a antičástice. Ta by podle obecné teorie relativity měla být shodná s gravitační, ale porovnávání gravitačních hmotností hmoty a totožné antihmoty bude mnohem náročnější. Jestliže jsou setrvačná hmotnost a velikost náboje shodné, platí tzv. CPT symetrie. To znamená, že fyzikální zákonitosti se nemění, jestliže zaměníme všechny částice v daném procesu za antičástice (C–symetrie), děj zobrazíme zrcadlově v prostoru (P–symetrie) a změníme tok času (T–symetrie). Původně se myslelo, že v přírodě platí i každá z těchto symetrií zvlášť. Pak však paní Chien-Shiung Wu prokázala v roce 1956 nezachování P–symetrie v rozpadu beta. Ukázalo se, že v téměř všech procesech se toto narušení vyrovnává narušením C–symetrie v opačném směru, takže kombinovaná CP-symetrie se zachovává. Přesto se našly, prozatím jen dva, procesy (rozpad neutrálních K a neutrálních B mezonů), kde se i tato kombinovaná symetrie narušuje. To znamená, že se musí narušovat i T-symetrie tak, aby se zachovávala kombinovaná CPT–symetrie. Narušení CP–symetrie je i jedním ze základních předpokladů vysvětlení vzniku přebytku hmoty nad antihmotou na počátku vesmíru (podrobněji zde).

CPT–symetrie stojí v základech speciální teorie relativity a zatím vše nasvědčuje tomu, že se plně a bez výjimky zachovává. Přesto je velmi důležité tento fundamentální fyzikální princip neustále co nejpřesněji testovat. A k tomu slouží právě studium námi popisovaných systémů.
 
 
 

 
Schématický nákres experimentu DIRAC (zdroj stránky projektu DIRAC)

 
Úplně nakonec jsem si nechal systémy, které obsahují mezony. Jednak jsou většinou velice krátce žijící (doby života mají většinou o více než pět řádů menší) a jak už jsem se zmiňoval na začátku, jsou samotné mezony složeny z částice a antičástice. A také s názvoslovím je to asi nejsložitější. Jako pionium se označuje jak vázaný systém záporného a kladného mezonu pí, tak i vázaný systém mionu a nabitého pí mezonu a dokonce i systém složený z elektronu a kladně nabitého pí mezonu. Zdůrazněme, že i vázaný systém kladného a záporného pí mezonu je držen pohromadě elektrickou silou. Systém s doba života je v řádu femtosekund (10^-15s) byl poprvé produkován na urychlovači v ruském Serpuchově a podrobněji studován experimentem DIRAC (DImeson Relativistic Atom Complex) v laboratoři CERN. Experiment, jak už plyne z názvu, je na takové systémy zaměřen. Snaží se tam studovat i ještě exotičtější vázané systémy nabitých pí a K mezonů. I s názvu experimentu je vidět, že i v tomto případě se při hledání názvu sáhlo opět pro označení atom, takže názvoslovní puristé, kteří dočetli až sem, už z toho nejspíše mají osypky. V těchto případech je někdy velmi těžké doporučit jednotný postup a i názvosloví často zobrazuje klopotnou historii vědeckého bádání. Co je však třeba, je v případě, že je již pojem všeobecně zavedený (což platí například pro pojem pozitronium), ho používat ve správném kontextu.
 

Rozpad („anihilace“) vázaných systémů nabitých pí mezonů a mezonu pí s mezonem K (zdroj stránky experimentu DIRAC)

Systém nabitého pí mezonu a mionu je pak produkován v rozpadu neutrálních mezonů K, které se rozpadají na mezon pí, mion a mionové neutrino. Vázaný systém mezonu pí s elektronem lze připravit implantaci kladně nabitých pí mezonů do pevného materiálu s velkou hustotou volných nebo jen slabě vázaných elektronů. Díky své krátké době života a složitému způsobu produkce je struktura všech systémů s mezony pí jen velmi málo prozkoumaná. Její využití pro poznání rozdílu mezi hmotou a antihmotou je tak zatím velmi otevřenou otázkou. V každém případě jsou to však velmi zajímavé objekty.

Jako mezonové atomy se označují případy, kdy je elektron v atomu zaměněn za záporný mezon. Byla studována řada pí a K mezonových atomů zvláště pomocí rentgenovského záření a Augerových elektronů vyzářeného při přechodech z vyšších vzbuzených stavů na nižší. Jak už bylo zmíněno, jsou samotné mezony složeny z částice a antičástice. Mezonové atomy mají řadu zajímavých vlastností, které umožňují studovat vlastnosti jader i silné interakce. Nejlepšími prostředky pro výzkum rozdílu ve vlastnostech hmoty a antihmoty však zůstávají objekty složené buď čistě z leptonů (elektronu, pozitronu, mionu a antimionu) nebo z leptonu a baryonu, které jsme si popisovali v předchozích částech našeho povídání.

Můj přehled není ani úplný a určitě jsem se nevyhnul řadě nepřesností a přílišných zjednodušení. Pokud na některá narazíte, prosím o upozornění v diskusi.
 
Stránky autora: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/