Zvětšit obrázek

Část zařízení projektu ALPHA. Čárka nad H v logu označuje antivodík. Kredit: CERN/ALPHA

Antihmotu předpověděl v roce 1931 Paul Dirac. Nejde o tajemno z teoretického antisvěta. Anti-elektrony, tedy pozitrony, se běžně používají v medicíně, v pozitronové emisní tomografii. V největším americkém urychlovači, v Tevatronu, se čelně srážejí proudy protonů a anti-protonů. Jsou to elektricky nabité částice a tak lze s nimi manipulovat pomocí magnetických polí a uchránit je – v případě antičástic – od kontaktu s hmotou a zániku ve vzájemné anihilaci. S neutrálními anti-atomy je ale větší problém. Anti-vodík, ve kterém se antiproton váže s pozitronem, produkují nízkoenergetické srážky v CERN již několik let a fyzikům pomáhají testovat gravitační účinky antihmoty a základní fyzikální symetrie, které jsou jádrem Standardního modelu fyziky částic. Jenže jak anti-atomy alespoň chvíli udržet a zabránit jejich téměř okamžitému střetu s okolní hmotou, aby se daly zkoumat? To je problém, jehož vyřešení umožní nahlédnout ještě hlouběji do fundamentálních zákonitostí vesmíru.

Zvětšit obrázek

Penningova past v jejíž magnetickém poli se potkávají zpomalené a podchlazené antiprotony a pozitrony. Kredit: CERN/ALPHA

Mezinárodní tým vědců zapojených do experimentu ALPHA zveřejnil v časopisu Nature článek s výsledky pokusu o uvěznění atomů anti-vodíku, které „stvořil“ pomocí interakcí asi deset miliónů antiprotonů se sedmi sty miliony pozitronů. Měření potvrdila 38 případů anihilací, jež dokazují, že se fyzikům podařilo těchto několik anti-atomů udržet v našem, pro ně nebezpečném hmotném světě po dobu minimálně 170 milisekund, tedy necelé dvě desetiny sekundy. 

Jak získat a pozdržet anti-vodík

Protože antiprotony a pozitrony jsou sice částice antihmoty, ale elektricky nabité, dají se pomocí silných magnetických polí transportovat, urychlovat nebo zpomalovat. A tedy i cíleně za nízkých energií smíchávat v takzvaných Penningových pastích (obr.). V nich magnetické pole kruhových cívek a podélné elektrostatické pole udržují nabité částice v centrální oblasti, čímž umožňují jejich vzájemné interakce. Antiprotony fyzikové získávají z hlavního urychlovače CERN a pozitrony z rozpadu radioaktivního izotopu sodíku ²²Na. Celý proces si vyžaduje magnetické zachycení a zpomalení antiprotonů i chlazení obou druhů částic – jde totiž o srážky při nízkých energiích. Když vznikne atom antivodíku, zrodí se s ním i další problém, který trápí vědce několik let – jak zabránit, aby v podstatě okamžitě nezmizel a neproměnil se při střetu s hmotou v ohňostroj energie a částic?

Kdo četl bestseller Dana Browna Angels and Demons (Andělé a démoni) ví, že na uchování čtvrt gramu antihmoty, kterou tajná sekta chtěla ohrozit Vatikán, autor vymyslel kontejner, jehož baterie umožňovaly jenom 24 hodin udržovat magnetické pole bránící destrukční anihilaci. Samozřejmě, že jde o fikci, ale ne tak docela. Brown bezpochyby čerpal námět a informace z CERN. I zde se snaží uvěznit neutrální antiatomy magnetickými poli. Ne na dny, ani hodiny, ale na zlomky sekundy. Umožňuje to magnetický moment atomů, jenž jsou navenek elektricky neutrální. U anti-vodíku je celkový magnetický moment dán vektorovým součtem orbitálního momentu nespárovaného kladného pozitronu kroužícího okolo jádra, tedy antiprotonu, a vlastních momentů obou částic.

Zvětšit obrázek

Podélné a příčné schéma magnetické pasti – červeně je označené oktupólové vinutí a zeleně kruhové zrcadlové cívky. Vše je umístěno v chladícím válci s tekutým heliem, poté následují vrstvy s detektory. Kredit: Nature a CERN/ALPHA

Pokud se tedy pomocí soustavy vhodně tvarovaných a umístěných elektromagnetů zdaří vytvořit uvnitř pasti takovou konfiguraci silných magnetických polí (1 - 2 T), že v centru bude jeho intenzita minimální a odtud bude na všechny strany směrem k stěně „vězení“ narůstat, atomy budou do této magnetické jámy vtahovány a některé s „vhodnými“ kvantovými stavy se zde na okamžik „zdrží“. Jednou z podmínek je, aby jejich kinetická energie nepřekračovala potenciálovou jámu magnetické pasti. I proto je nutné vnější chlazení tekutým heliem.

Zvětšit obrázek

Jedna vrstva supravodivého oktupólového vinutí magnetické pasti.

To vše ale znamená, že princip Pennigovy pasti je nutné zkombinovat s dalším zařízením, které se bude snažit vzniklé antiatomy v centrální části na chviličku před jejich zánikem uchránit. Navíc nesmí příliš deformovat měření, tedy nezpůsobovat rozptyl částic zrozených při anihilaci, protože detektory jsou samozřejmě umístěné zvenčí. Inspirací se stala Ioffeho–Pritchardova past, používaná při studiu Boseho-Einsteinova kondenzátu. Má tvar válce, na němž je ze supravodivých materiálů podélné multipólové vinutí pro regulaci příčným směrem a dvě kruhové cívky, které vytváří magnetickou bariéru z obou stran střední části válce a snaží se atomům zabránit v úniku ve směru podélné osy. Nazývají se zrcadlové cívky (na obrázcích - mirror coils).

Vysoké nároky experimentu ALPHA si i v tomto směru vyžádaly netradiční řešení. Běžně je Ioffeho–Pritchardova past čtyřpólová, ale jak prozrazuje obrázek vlevo, pro pozdržení antivodíků spolupracující odborníci z Oddělení pro supravodivé magnety v americkém Brookhaven National Laboratory vytvořili osmipólovou. Na obrázku je znázorněna jedna vrstva oktupólového vinutí ze supravodivého materiálu upevněného na speciálním sklolaminátovém substrátu. Celý magnet má osm takových vrstev uspořádaných nad sebou jako slupky kolem vnitřních elektrod v centrální části celého experimentu, kde dochází ke střetům pozitronů s antiprotony a ke vzniku antivodíků. Po obou stranách oktupólového vinutí jsou zrcadlové cívky, jejichž konfiguraci je vidět na posledním obrázku. Chladící vrstva s tekutým heliem představuje další slupku nad magnety a až pak přicházejí na řadu vrstvy, ve kterých jsou detektory (obrázek vpravo nahoře).

Podélný průřez kompletní magnetickou pastí. Atomy antivodíku vznikají při nízkoenergetických srážkách v centrální části zařízení, kolem něhož je podélné vinutí vytvářející magnetické oktupólové pole. Na obou koncích jsou umístěny kruhové cívky, jejichž magnetické pole se snaží atomům zabránit v úniku ve směru podélné osy. Kredit: N. MADSEN et al. 2007

Zasvěcenější informce o projektu ALPHA přislíbil Vladimír Wagner z Oddělení jaderné spektroskopie Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Budou bezpochyby zajímavé nejen pro ty, kteří pomocí antihmoty hodlají podle návodu Dana Browna řešit svůj nesouhlas s příliš mocnými tohoto světa :).

Mílníky z dějin výzkumu antihmoty:

V roce 1931 Paul Dirac teoreticky zdůvodňil existenci antihmoty a jen o několik měsíců později – v 1932 - fyzikové z  CALTECHu (California Institute of Technology) objevili pozitron, tedy antielektron.
V roce 1955 v kalifornském Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) objevili antiproton a rok poté – v 1956 – i antineutron. Devět let nato dala o sobě znát i konkurence ze Starého kontinentu. Evropský CERN vznikl v roce 1954 a v roce 1965 ohásil „stvoření“ jádra anti-deutéria, tedy anti-deuteronu skládajícího se z anti-protonu a anti-neutronu. To samé se podařilo i fyzikům v newyorkském Brookhaven National Laboratory. 
V roku 1995 se v CERN podařilo zaregistrovat první atomy antivodíku a o sedm let později (2002) vyprodukovat již celou spršku tisíců těchto antiatomů. Uvěznit je na dobu potřebnou pro detailnější výzkum například pomocí laseru ale zůstává jako nevyřešený problém. Výsledky letošních experimentů projektu ALPHA představují první výraznější úspěch – 38 antivodíkových atomů pobylo v našem hmotném světě asi 170 milisekund.

Zdroj: stránky projektu ALPHA