Rozdíly mezi hmotou a antihmotou lze pozorovat

Existují například pouze levotočivá neutrina a pravotočivá antineutrina Také mají u částic a antičástic některé typy stejných rozpadů různé pravděpodobnosti. Podrobnější popis těchto rozdílů a jak nám umožňují sdělit radiovými vlnami vzdálenému mimozemšťanovi, že jsme z hmoty a ne antihmoty, a která strana je levá, je v jednom ze starších článků.

Zatím však předpokládáme, že hmotnost a velikosti náboje i magnetického momentu jsou pro částici a antičástici shodné. Pozorování rozdílu u těchto veličin by mělo fundamentální dopady, protože by vedlo na narušení základní součásti standardního modelu hmoty a interakcí, tzv. CPT symetrie. Ta říká, že fyzikální zákonitosti a procesy, které popisují, musí být úplně stejné, jestliže současně změníme znaménka os (přejdeme do světa v zrcadle – tzv. P symetrie), zaměníme částice za antičástice (přejdeme do antisvěta – C-symetrie) a změníme směr toku času (T-symetrie). Narušení P-symetrie a C-symetrie pozorujeme docela často, viz třeba zmíněná existence pouze levotočivého neutrina. Většinou se vzájemně vyruší a kombinovaná CP-symetrie pro situaci, kdy uplatníme přechod ze světa do antisvěta v zrcadle, pak platí. Pozorujeme však i slabá narušení této kombinované symetrie a právě ta nám umožňují zmíněnou možnost informovat mimozemšťana o tom, co je pro nás antihmota a levá strana.

Nové zařízení ELENA, které převezme antiprotony z antiprotonového zpomalovače s energií 5,3 MeV, zpomalí je na energii 100 keV a předá je experimentům. Výsledkem bude zmenšení ztrát počtu antiprotonů a lepší kvalita jejich souborů. (Zdroj CERN).

Pokud platí CPT-symetrie, mají antičástice stejnou hmotnost a velikosti náboje i magnetického momentu jako částice, liší se jen znaménkem. Její platnost, která vede k neměnnosti fyzikálních zákonitostí při Lorentzově transformaci a stojí tak v základech nejen teorie relativity, lze pak experimentálně ověřovat právě pomocí srovnání hmotností, nábojů a magnetických momentů částic a antičástic. Případné zjištění, že CPT symetrie neplatí, by znamenalo hodně velkou změnu jednoho ze základních paradigmat fyziky. To je také důvod, proč se tato extrémně přesná měření provádějí.

Jak velikost hmotnosti, náboje a magnetického dipólového momentu měřit?

Experimenty, které se studiem rozdílů mezi vlastnostmi hmoty a antihmoty při nízkých energiích zabývají, využívají unikátní zařízení v evropské laboratoři CERN, kterým je antiprotonový zpomalovač. Ten používá protony urychlené na rychlosti blízké rychlosti světla pro produkci antiprotonů v jejich srážky s těžkými jádry v terči. Vzniklé antiprotony, které mají také relativistické rychlosti, jsou pomocí magnetického pole vyvedeny do zmíněného antiprotonového zpomalovače. Jde vlastně o obrácený urychlovač. Ten vyrovná jejich rychlosti, takže se jejich vzájemný chaotický pohyb zmenšuje. Protože střední kinetická energie tohoto pohybu charakterizuje teplotu daného souboru částic, můžeme říci, že se teplota antiprotonového plazmatu ve svazku sníží. Co je ale nejdůležitější, antiprotonový zpomalovač postupně sníží energii a rychlost usměrněného společného pohybu antiprotonů a předá je jednotlivým experimentům, které je mohou zachytit do magnetických pastí. Tam se s nimi pracuje, buď se zkoumají přímo antiprotony, nebo se vytvářejí atomy antivodíku, či kombinace helia a antiprotonu.

Nejmenší problém je s určením setrvačné hmotnosti antiprotonu, která je už delší dobu známá s podobnou přesností jako setrvačná hmotnost protonu, tedy s relativní nejistotou 1:10^-11. Měření rozdílu hmotností těžších jader a antijader a poměru mezi jejich nábojem a hmotností bylo v roce 2015 publikováno experimentem ALICE a je popsáno zde.

Vylepšený experiment ALPHA (zdroj CERN).

U určování gravitační hmotnosti je situace mnohem složitější. Možnosti jsou popsány i s některými měřeními dalších veličin v dřívějším článku. V současné době je nejpřesnější měření gravitační interakce mezi hmotou a antihmotou a gravitační hmotnosti antičástic na velmi nízké úrovni přesnosti. Ta sice ukazuje na shodu gravitačních hmotností vodíku a antivodíku, ale v mezích experimentálních nejistot je dokonce pořád ještě i možnost gravitačního odpuzování hmoty a antihmoty místo přitahování, které se předpokládá a odpovídalo by obecné teorii relativity. Na zpřesnění těchto měření se intenzivně pracuje.

První spektrometrie antivodíku spektrometrem APLHA

V minulých letech jsme byli u experimentů pracujících na antiprotonovém zpomalovači svědky velkého zlepšení v produkci a udržení antivodíku v magnetické pasti. Připomeňme, že neutrální antivodíky jsou v tomto případě držený pouze díky svému magnetickému dipólovému momentu (jsou malými magnetkami). Hlavní pokrok je spojen s experimentem APLHA. Prvních 5000 antivodíků se podařilo vytvořit experimentu ATHENA v roce 2002. První fáze experimentu ALPHA byla zahájena v roce 2006 a první dlouhodobé udržení neutrálního antivodíku v magnetické pasti proběhlo v roce 2010 a týkalo se celkově pár desítek antiatomů a doby udržení v řádu stovek milisekund. V roce 2011 už to bylo celkově několik stovek antiatomů a zhruba dvě desítky už vydržely až 1000 s. Délka udržení je důležitá i kvůli tomu, aby byla jistota, že jsou antivodíky v základním stavu a je dost času na experimentování s nimi. Při těchto měřeních se v každém jednotlivém procesu zachytávání a udržování antivodíků v průměru podařilo udržet 1,2 antivodíku.

Umělecká představa pasti vyplněné antivodíkovým plynem v okamžiku, kdy jeden anihiloval (zdroj Chukman So).

V roce 2012 se podařilo první měření přechodu v atomu antivodíku. Pomocí mikrovlnného záření se inicioval přechod z jedné orientace projekce spinu elektronu v základním stavu atomu antivodíku do druhé. Změna způsobí, že se také změní orientace magnetického dipólového momentu a antivodík z pasti vypadne a anihiluje. Přesnost měření však v tomto případě byla jen omezená.

V prosinci 2016 pak byly publikovány první výsledky spektrometrie antivodíku. Pokrok byl umožněn tím, že se v jednom procesu záchytu a udržování podařilo mít 14 antivodíků. V tomto případě byly antivodíky ozařovány světlem z laseru a pozoroval se přechod mezi základním stavem a prvním excitovaným stavem, tedy mezi stavy 1S a 2S. Vlnová délka záření tohoto přechodu je zhruba 121,5 nm (vlnová délka budícího laseru byla dvojnásobná 243 nm) a pro vodík je energie této čáry změřena s přesností 1:10¹⁵. Při těchto měřeních je potřeba vzít v úvahu i změnu vlnové délky v magnetickém poli a to, že každý ze stavů není jednoduchý. Nyní se tedy povedla spektrometrie této linky atomu antivodíku. Ukázala se shoda se stejnou spektrometrií vodíku na úrovni přesnosti 1:10¹⁰. Vzhledem k tomu, že energie přechodů ve vodíku i antivodíku závisí na nábojích a setrvačných hmotnostech částic, které je tvoří, ověřuje se pomocí jejich měřením jejich shoda a tím i zachování zmíněné CPT symetrie.

Penningova past experimentu ATRAP a postdoktorand Stephan Ettenauer (zdroj CERN).

V následujících letech by mělo dojít hlavně ke zvýšení statistiky, nyní se totiž měření provedlo celkově pouze s pár stovkami antivodíků. Velký prostor je stále v zachycování vzniklých antivodíků. Při jednom cyklu se začíná zhruba s 25 000 a končí zatím průměrně u zmíněných 14. Také by se měl určit přesný tvar linky. Zjistila by se tak nejen shoda mezi přechody v antivodíku a vodíku, ale také by bylo možné určit rozložení náboje v antiprotonu. Jednalo by se o stejný způsob, jakým se pomocí hyperjemné struktury přechodů ve vodíku měří rozložení náboje v protonu. V následujících letech tak lze tak v této oblasti očekávat významný pokrok.

Měření magnetického dipólového momentu antiprotonu

Jak už bylo zmíněno, předpokládá zákon zachování CPT symetrie stejnou velikost magnetického dipólového momentu, pouze má být rozdílné jeho znaménko. Kvůli svému magnetickému dipólovému momentu se proton i antiproton chovají jako malé magnetky. A z chování těchto magnetek v magnetickém poli tak můžeme velikost magnetického dipólového momentu určit. Hodnotu magnetického dipólového momentu protonu známe s relativní přesností 2:10⁹.

Zařízení, které se měřením magnetického dipólového momentu věnuje a nedávno získalo zatím nejpřesnější hodnotu této veličiny, je experiment BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment). Navazuje na výsledky experimentu ATRAP (Antihydrogene TRAP), jehož nejpřesnější hodnoty pocházejí z roku 2013. Toto zařízení umožnilo získat první velmi přesná měření magnetického dipólového momentu. Pro měření jeho hodnoty využívá Penningovou past, která je typem elektromagnetické nádoby s osovým magnetickým polem a nehomogenním elektrickým polem. Antiproton visí uprostřed kruhové železné elektrody vmáčknuté mezi elektrody měděné. Tepelný kontakt s kapalným heliem drží elektrody na teplotě 4,2 K a je zajištěno téměř dokonalé vakuum. Statické a oscilující pole, které se přivádí na elektrody, umožňuje manipulovat s antiprotonem a zjišťovat jeho elektrické a magnetické vlastnosti. Antiprotony pro analýzu jsou do ní přiváděny ze zásobní pasti, kde jsou po svém zpomalení v urychlovačovém zpomalovači uloženy.

Schéma zařízení, které se využívalo. Ze zásobní pasti RT se v případě potřeby pošle do dvou měřících pastí CT, která měří magnetické pole a zmíněnou analyzační past AT pro měření cyklotronové a Larmorovy frekvence. (Zdroj Nature Communications ISSN 2041-1723 (online)).

V daném případě se určuje cyklotronová frekvence, ta souvisí s pohybem nabité částice ve statickém magnetickém poli. Dráha je kruhová nebo po spirále s daným poloměrem a frekvencí pohybu. Ta závisí na náboji a hmotnosti částice a intenzitě magnetického pole. Larmorova frekvence je pak frekvence precesního magnetického dipólového momentu. Závisí na intenzitě magnetického pole a právě magnetickém dipólovém momentu. V zařízení ATRAP se podařilo zlepšit přesnost určení magnetického dipólového momentu 680krát oproti předchozím experimentům.

Ještě lepších výsledků pak dosáhlo nové zařízení BASE, u něhož se dosahuje extrémní snížení energie antiprotonů v magnetické pasti. Teplota antiprotonů, která je dána energií chaotického pohybu částic v této plazmě, je v experimentu BASE okolo jednoho stupně nad absolutní nulou. To umožňuje dosáhnout toho, že pak lze oblak antiprotonů udržovat i více než rok. Past tak představuje v podstatě velice sofistikovanou nádobu na antihmotu, ovšem bohužel jen ve velice řídké podobě antiprotonového plazmatu. Z této shromažďovací pasti se pak dá antiproton poslat k měření.

Experiment BASE a mluvčí tohoto experimentu Stefan Ulmer (zdroj CERN).

Zařízení BASE umožnilo změřit velikost magnetického dipólového momentu s ještě vyšší přesností. Relativní nejistota je jedna miliontina, tedy ppm, což je zhruba šestkrát menší nejistota než u hodnoty změřené pomocí zmíněného experimentu ATRAP. Hodnota u antiprotonu zjištěná experimentem BASE odpovídá v mezích přesnosti měření velikosti magnetického dipólového momentu protonu. To je však jen začátek cesty, která má umožnit zvýšit přesnost ještě 200 až 800krát, čímž se přesnost měření této veličiny u antiprotonu dostane na úroveň jejího měření u protonu. A každý zjištěný rozdíl v hmotnosti či velikosti náboje nebo magnetického dipólového momentu protonu a antiprotonu by byl okamžitým průlomem do exotické nové fyziky.

Závěr

V nejbližších letech se dá očekávat zlomový pokrok v produkci i uchovávání antiprotonů s nízkou energií a antivodíku. Mělo by tomu pomoci zařízení ELENA (Extra Low ENergy Antiproton ring). Zatím se totiž posílají antiprotony ze zpomalovače s energií 5,3 MeV a ty si je pak musí zpomalit. To však vede k jejich ztrátám. Proto se postavilo zařízení ELENA, které je dalším zpomalovačem, který energii antiprotonů sníží ze zmíněné energie 5,3 MeV na energii padesátkrát menší, tedy 100 keV. Tyto antiprotony se pak už efektivně beze ztrát předají jednotlivým experimentům. To by mělo přispět ke zvýšení statistiky experimentů i kvality získaných dat. První testy zařízení ELENA proběhly už v listopadu 2016. Jeho využívání zlepší kvalitu práce experimentů a vylepšení probíhají i u jejich přístrojů. Lze se tak těšit na další novinky z testování fundamentálních vlastností našeho světa a hranic nové fyziky.

Redakce si dovoluje připojit video: Podrobnější vysvětlení řady aspektů produkce, vlastností antihmoty a významu jejího zkoumání: