Při srážkách těžkých jader na urychlovači LHC se velká část jejich kinetické energie přemění na hmotnost (klidovou energii) nových částic. Přesně podle známého Einsteinova vztahu E=mc2. Při této velmi intenzivní produkci nových částic vzniká stejný počet částic a antičástic, v daném případě kvarků a antikvarků. Vzniká velice horká a hustá jaderná hmota ve fázi kvark-gluonového plazmatu. Při jeho ochladnutí se kvarky a antikvarky musí spojit do částic označovaných jako hadrony, tedy hadrony i antihadrony (blíže o zoologii elementárních částic zde). Mezi ně patří protony a neutrony i antiprotony a antineutrony. Horká a hustá jaderná hmota se pak dále rozpíná a chladne. Částice se rozlétají. Může se však stát, že proton a neutron jsou velmi blízko sebe a letí téměř stejným směrem a stejnou rychlostí, jejich pohyb vůči sobě je natolik malý, že se spojí do deuteronu. Totéž může nastat i pro antiproton a antineutron a vznikne tak antideuteron. Pravděpodobnost těchto událostí je velmi malá, ale srážek jader olova na LHC je extrémní množství, takže se i tak vyprodukuje velký počet deuteronů a antideuteronů. A dokonce vznikají i jádra se třemi nukleony. Může jít o triton, tedy velmi těžký vodík, který má jeden proton a dva neutrony. V případě antitritonu pak jeden antiproton a dva antineutrony. Nebo o lehký izotop hélia tři se dvěma protony a jedním neutronem. Zatím nejtěžším antijádrem, které se podařilo takto získat, je antihélium 4, poprvé to bylo na urychlovači RHIC v americkém Brookhavenu (zde). Ovšem s každým dalším nukleonem klesá pravděpodobnost produkce jádra o tři řády (viz obrázek). Další antijádro už tak představuje značný problém. Neexistuje jádro (a tedy i antijádro) s pěti nukleony. Další by pak muselo mít nukleonů šest (třeba lithium 6 se třemi protony a třemi neutrony). Ale produkce antilithia 6 by byla o šest řádů, tedy milionkrát méně pravděpodobná, než produkce antihelia 4. A to je zatím nepřekonatelná překážka.
Velice podrobnou analýzu velkého množství dat o lehkých jádrech a antijádrech, které se nashromáždilo při srážkách jader olova v experimentech první etapy provozu urychlovače LHC, provedli fyzikové experimentu ALICE. Tato detektorová sestava obsahuje velmi silný magnet, jehož magnetické pole o intenzitě zhruba 0,5 T silně zakřivuje dráhu letu nabitých částic. Uvnitř něj jsou detektory, které umožňují velice přesně tuto dráhu zobrazit. Z ní je pak možné jádro či částici identifikovat a také velice přesně určit poměr hmotnosti a náboje. Ještě přesněji než absolutní hodnotu tohoto poměru u jádra a antijádra lze určit rozdíl tohoto poměru mezi nimi. V tomto případě se odstraňuje řada zdrojů nepřesností a získá se tak velice přesné určení rozdílu v této hodnotě u jádra a antijádra. Podařilo se tak zjistit, že rozdíl je na úrovni desetiny procenta a menší.
Takto přesnou hodnotu rozdílu poměru hmotnosti a náboje se podařilo zjistit u deuteronu a antideuteronu i u helia 3 a antihélia 3. Byla to pěkná oslava padesátého výročí první produkce antideuteronu na protonovém synchrotronu v americkém Brookhavenu i v samotné laboratoři CERN v roce 1965. Přesně určený rozdíl poměru hmotnosti a náboje u jádra a antijádra a dříve s velikou přesností určené hodnoty rozdílu hmotnosti protonu a antiprotonu i neutronu a antineutronu umožňují také zjistit rozdíl vazebné energie pro jádro a antijádro. Zjištěné rozdíly pro poměr hmotnosti a náboje i vazebnou energii jsou ukázány na obrázku.
Tyto výsledky doplnila velice přesná měření, která nedávno uveřejnil experiment BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment). Ten využívá cernský zpomalovač antiprotonů. Podařilo se mu prokázat, že poměr náboje a hmotnosti je u protonu a antiprotonu stejný s přesností 69∙10-12. Metodu, kterou využili, bylo srovnání cyklotronové frekvence antiprotonu a záporného iontu vodíku se dvěma elektrony. Měření prováděli v magnetické pasti s intenzitou magnetického pole 1,95 T. Je tak vidět, že kombinace různých experimentů v laboratoři CERN se vzájemně doplňují a přinášejí špičkové výsledky.
Proč je to důležité?
Principiální důležitost měření těchto veličin je dána tím, že ukazují na dodržování fundamentálních symetrií v přírodě. Těmito symetriemi jsou zrcadlová symetrie, označovaná také jako P symetrie. Ta platí, když se fyzikální zákonitosti zachovají při zrcadlovém zobrazení. Tedy, že svět v zrcadle se nedá rozeznat od normálního světa. Dále jde o C-symetrii. Ta platí, když se fyzikální zákonitosti nezmění v případě záměny částic za antičástice a naopak. Tedy, že svět nelze rozeznat od antisvěta. Třetí je pak T-symetrie, která platí, když se fyzikální zákonitosti nezmění při záměně směru toku času. Postupně se ukázalo, že se narušuje P-symetrie a také C-symetrie. Dále také, že se narušuje i kombinovaná CP-symetrie. Speciální teorie relativity vyžaduje, aby se zachovávala kombinovaná CPT-symetrie. Jestliže se narušuje CP-symetrie, musí tak být toto narušení kompenzováno narušením T-symetrie. Právě porovnání rozdílu poměru hmoty a náboje u objektu z hmoty a objektu z antihmoty velice přesně testuje zachování CPT-symetrie. Pokud by se pozoroval rozdíl, znamená to její narušení. Podrobněji o těchto symetriích a jak lze jejich narušení využít pro to, abychom vzdáleným mimozemšťanům sdělili, která strana je levá a která pravá i to, že jsme z hmoty a ne antihmoty je popsáno zde. Stále přesnější měření hmotností, poměru hmotnosti a náboje částic a antičástic i jader a antijader umožňuje prokázat, že fyzika těchto objektů, tedy i interakcí, které v nich působí, zachovává CPT-symetrii s velmi vysokou přesností. Daří se tak vylučovat některé hypotézy exotické fyziky za Standardním modelem.
Na závěr bych si dovolil osobní poznámku. Na experimentu ALICE intenzivně pracují i fyzikové z Česka, hlavně z Ústavu jaderné fyziky AV ČR a FJFI ČVUT. Své diplomové i PhD práce zde dělají i naši studenti. Podílejí se i na práci spolupráce STAR v americkém Brookhavenu. Já osobně jsem se maličko podílel na budování ALICE a na počáteční fázi jejího experimentování. Teď už její práce sleduji spíše zpovzdálí. Právě proto svým kolegům a kamarádům k tomto výsledku moc a hrozně rád gratuluji.
Literatura
Publikace ALICE: https://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3432.html
Publikace BASE: https://www.nature.com/nature/journal/v524/n7564/full/nature14861.html
Video: Význam experimentálního výsledku