Oblak polapených atomů antivodíku v experimentu ALPHA. Kredit: Chukman So / CERN.

Byl to husarský kousek. Bez debaty. Vědcům se povedlo vytvořit kousek antihmoty, pak ho vzít, a poprvé v historii změřit, jak atomy antihmoty absorbují záření a zase ho vyzařují. Zvládli to fyzici CERNu, kde mají nejen Velký hadronový srážeč LHC, ale i jiné hračky. Posvítili si ultrafialovým laserem na atomy antivodíku a je z toho pěkný dárek pod fyzikální stromeček, článek v prestižním Nature, a také ohromný úspěch, který zahajuje úplně novou éru výzkumu antihmoty. Zároveň je to výsledek více než dvaceti let intenzivní práce antihmotové komunity CERNu.

Experiment ALPHA. Kredit: CERN.

Tento zářez do fyzikální historie si připisuje mezinárodní tým experimentu ALPHA, který pracuje s atomy antivodíku a pomocí velmi přesných měření je srovnává s atomy nejjednoduššího prvku, vodíku, aby se tak pokusil odhalit podstatu symetrií mezi hmotou a antihmotou, tedy CPT symetrii (symetrie obrácení náboje, parity a času). CPT symetrie možná vypadá na první pohled nenápadně, když předpovídá, že by hladiny energie hmoty i antihmoty měly být shodné. Ale i sebenepatrnější narušení této symetrie by mělo dramatické důsledky pro Standardní model částicové fyziky.

Pohled do experimentu ALPHA. Kredit: CERN.

Fyzici po celém světě skládají týmu ALPHA komplimenty. Odborník na spektroskopii Randolf Pohl z Univerzity Johannese Gutenberga v německém Mohuči to řekl jasně: „Wow!“ Podle něj je to skutečný milník ve výzkumu exotických atomů antihmoty. Teoretický fyzik Michael Peskin ze SLAC National Accelerator Laboratory v Kalifornském Menlo Parku mu přitakává s tím, že takto ovládat antihmotu v experimentu je úžasné.

Vodík a antivodík. Kredit: NSF.

Proč jsou vlastně všichni tak nadšení? Výzkum antihmoty je, suše řečeno, extrémně obtížný. Jak asi každý ví, když antihmota setká s hmotou, tak z toho je velice explozivní anihilace. V roce 2010 právě tým ALPHA v CERNu názorně předvedl, jak polapit antivodík v magnetické pasti. A od té doby tam studují interakce antivodíku s elektromagnetickým zářením. Zhruba každých 15 minut v experimentu ALPHA vyrobí kolem 25 tisíc atomů antivodíku. Vědci spojí pozitrony z radioaktivního zářiče s antiprotony produkovanými urychlovačem částic a je z toho antivodík. 
Většina takto vyrobených antivodíků je pro spektroskopii příliš „horkých“, tedy příliš rychle se pohybujících a příliš energetických. Vědci týmu ALPHA to museli udělat tak, že většinu antivodíků pustili z magnetické pasti ven a nechali si tam jenom pár nejpomalejších a nejméně energetických antiatomů. Podle mluvčího experimentu ALPHA Jeffreyho Hangsta trvalo celé roky, než tohle vyladili. Udělat antivodík je podle něj vlastně docela snadné. Ale vyrobit chladný antivodík, to je doopravdová dřina.
Nakonec se všechno podařilo. S tím výsledkem, že za daného nastavení experimentu je spektrum vodíku a antivodíku úplně stejné. S přesností na 2 díly z 10 miliard. To odpovídá Standardnímu modelu, podle něhož mají mít vodík a antivodík zcela shodné spektrum. Jak už to ale ve fyzice chodí, není to konec. Řada teorií, které míří k nové fyzice, typicky teorie strun, zahrnuje nějaké narušení CPT symetrie. Zároveň stále není úplně jasné, jaká je vlastně povaha CPT symetrie. Vědci proto hodlají i nadále zkoumat spektra antivodíku a používat na to lasery o různých energiích. 

Video:  The ALPHA experiment observes light spectrum of antimatter for the first time

Antihydrogen formation and 1S-2S excitation in ALPHA


Literatura
Nature News 19. 12. 2016, Alpha Experiment 16. 12. 2016, Nature online 19. 12. 2016, Wikipedia (CPT symmetry).

Poznámka: Vzhledem k závažnosti , se k problému „antihmota“ brzo znovu vrátíme a v širších souvislostech.