Ztracená antihmota (2): Příprava antiatomu

Fyzika | 19.10.2004

O řadu let později, jakmile to technologie částicových experimentů umožnila, byly objeveny i další antičástice: V roce 1955, tedy 23 let po detekci pozitronu, byla na vysokonenergetickém cyklotronu (Bevatronu) v Berkeley objevena existence antiprotonu. Jeho objevitelé, Emilio Segr· a Owen Chamberlein, získali za detekci tohoto „negativního protonu“ v roce 1959 Nobelovu cenu za fyziku. O rok později byl na Bevatronu objeven i antineutron.

Sdílet

V první části seriálu o antihmotě jsme popsali okolnosti, které vedly k tomu, že Paul Dirac mohl formulovat relativisticky invariantní vlnovou rovnici pro pohyb elektronu. Z této rovnice navíc vyplývalo, že ke každému jejímu řešení popisujícímu stav elektronu existuje symetrické řešení popisující stav tehdy ještě neznámé částice s opačným znaménkem elektrického náboje. Částice přitom kopírovala vlastnosti elektronu, pouze s opačnou hodnotou náboje.
Diracova rovnice, udávající gyromagnetický poměr popisující interakci elektronu s vnějším elektromagnetickým polem, předestřela tehdy dosud netušenou symetrii, spojující elektron s antičásticí opačného náboje. Toto poznání britský fyzik posléze zobecnil na všechny elementární částice.

Většina fyziků, včetně Wernera Heisenberga a Wolfganga Pauliho, na tuto teorii hleděla s despektem či alespoň se zdravou skepsí. Záporná energie, o které vypovídalo řešení Diracovy rovnice, neodpovídala ničemu ze známého fyzikálního světa. (Z toho důvodu označovali kritici Diracovy antielektrony jako „oslovské elektrony“.) Fyziky ovšem přesvědčil Andersonův objev pozitronu v kosmickém záření (v roce 1932), který Diracovu teorii potvrzoval.
O řadu let později, jakmile to technologie částicových experimentů umožnila, byly objeveny i další antičástice: V roce 1955, tedy 23 let po detekci pozitronu, byla na vysokonenergetickém cyklotronu (Bevatronu) v Berkeley objevena existence antiprotonu. Jeho objevitelé, Emilio Segrè a Owen Chamberlein, získali za detekci tohoto „negativního protonu“ v roce 1959 Nobelovu cenu za fyziku. O rok později byl na Bevatronu objeven i antineutron. (Zde je třeba poznamenat, že elektricky neutrální částice se od své antičástice liší především tím, že její magnetický moment má opačný směr.) Ukázalo se, že symetrie částic a antičástic by mohla být skutečností, nikoli jen teoretickým konceptem. A záhy nebylo pochyb ani o tom, že antičástice hrály (či hrají) v mikrosvětě svou nezastupitelnou roli. Symetrie, kterou Dirac svou rovnicí objevil, se stala i základem pro formulaci Standardního modelu elementárních částic a jejich interakcí.

Pokud byly známy tři protějšky základních částicí tvořících atom, vyvstala otázka, jak se bude antiproton a antineutron chovat? Mohou vytvořit antiatomové jádro? Odpověď na tuto otázku přineslo již v roce 1965 vytvoření antideuteronu, uskutečněné v protonového synchotronu v americké Národní laboratoři v Brookhavenu.
Deuteron je jádro těžkého vodíku (deuteria), složené z jednoho protonu a jednoho neutronu, anideuteron se analogicky skládá z antiprotonu a antineutronu. Každé jádro antideuteronu muselo být odlišeno od asi sto milionů jiných, nežádoucích jader, které při experimentu vznikly. V 70. letech byly obdobným způsobem připraveny jádra antihelia a antritia.

Následoval další krok: jestliže může existovat antijádro, lze k němu připojit antielektron (pozitron), aby vznikl stabilní antiatom? Již Diracova teorie ukázala, že by tomu nemělo stát nic v cestě. Ale věda nikdy nemůže učinit závěr, pokud jej nemá experimentálně prověřený. CPT teorém, obecný princip symetrie odvozený na základě současného působení nábojové konjugace (C), prostorové inverze (P) a obrácení chodu času (T) v relativistické kvantové teorii pole, potvrdil předpověď, že ke každé elementární částici existuje antičástice se stejnou hmotností, se stejnou velikostí, ovšem s opačnými znaménky elektrického náboje a magnetického momentu. Vědcům se zdálo zcela logické, že ke každé částici by mělo být teoreticky možné skládat antičástice v antihmotu působením týchž sil, kterými jsou vázány částice v „normální“ hmotě. Nejjednodušší možnost byla spojit antiproton a pozitron, tj. vytvořit atom antivodíku.
Existenci tohoto antiatomu potvrdil tým vědců evropského CERNu pomocí zařízení označovaného jako Nízkoenergetický antiprotonový prstenec (LEAR, Low Energetic Antiproton Ring). LEAR na rozdíl od urychlovače vlastně antiprotony zpomaluje. Úkolem experimentátorů bylo na tento antiproton navázat pozitron a tímto způsobem uměle připravit antiatom vodíku, resp. antivodík. To se v CERNu podařilo až koncem roku 1995 týmu německých a italských fyziků. Devět atomů antivodíku existovalo ale pouhých 30 miliardtin sekundy. Později, v roce 1997, byl atom antivodíku připraven i v americkém Fermilabu. Na pořadu dne je dnes otázka: Bude mít antivodík obdobné vlastnosti jako vodík?
Studium antivodíku patří k fyzice 21. století a za tímto účelem vzniklo zařízení označované jako „Antiprotonový zpomalovač“ (Antiproton Declerator, AD). Fyzici nyní hledají odpověď nejen na otázku, jaké vlastnosti bude antivodík mít, ale zda může hrát v antisvětě stejnou roli jako vodík v světě obyčejné hmoty („koinohmoty“). AD v CERNu je dnes jediné zařízení, kde mohou uměle připravené atomy antivodíku existovat o něco déle než jednu mikrosekundu. Antiprotony vznikají při srážkách protonů o vysoké energii a positrony jsou získávány z radioaktivního zdroje, obě antičástice jsou následně ochlazeny a navzájem sloučeny v malé komoře vyplněné elektrodami s různým napětím (antiprotony je nutno předtím zpomalit z energie 5 MeV na energii jen 0,3 meV). V komoře pak vznikají atomy antivodíku.
Dosud se ale nepodařilo atomy antivodíku někde v prostoru zastavit nebo alespoň vytvořit jejich základní kvantový stav, který je nezbytný pro laserovou spektroskopii. Experimentátoři z tohoto důvodu nyní pracují na způsobech, jak rychlost antiatomů snížit (experiment označovaný v CERNu jako ATRAP).

Další informace:

Stanford Linear Accelerator Center, SLAC
http://www.slac.stanford.edu

CERN Antiproton Declerator
http://psdoc.web.cern.ch/PSdoc/acc/ad/index.html

Emilio Segrè, Clyde Wiegand a Owen Chamberlain (zleva) si prohlížejí film, na němž je zachycena dráha antiprotonu (laboratoř v Berkeley). Emilio Gino Segrè (1905-1989), americký atomový fyzik italského původu; patřil ke studentům a spolupracovníkům Enrica Fermiho. V roce 1937 „vyrobil“ první umělý chemický prvek technecium, později objevil prvky astatin (1940) a plutonium (1941). Jeho největším objevem byla detekce antiprotonu (1955), za niž získal společně s O. Chamberlainem v roce 1959 Nobelovu cenu za fyziku. Poté se věnoval studiu antinukleonů.

Owen Chamberlain (1920), americký fyzik. V roce 1959 mu byla udělena Nobelova cena za fyziku spolu s E. G. Segrèm – za objev antiprotonu.

Antiprotonový zpomalovač (Antiproton Declerator, AD) v CERNu.

Schéma antiprotonového zpomalovače (AD), který je součástí několika zařízení: AA (Antiprotonový akumulátor, je v současnosti přebudován na AD), AC (Antiprotonová sběrnice), PS (Protonový synchotron), LEAR (Nízkoenergetický antiprotonový prstenec).
podle: T. Sefzick