Zajímavosti z MFF UK První atomy skutečné antihmoty vyrobeny v CERNu

Jiří Kubašta, 1996


Periodická soustava prvků v současné době obsahuje 112 chemických prvků. Její obdoba ve světě antihmoty zatím obsahuje prvek jediný. V roce 1995 se podařilo mezinárodnímu týmu fyziků z Německa, Itálie a Švýcarska, pracujících v Evropském středisku pro jaderný výzkum CERN poblíž Ženevy, vytvořit 11 atomů antivodíku, nejjednoduššího prvku skutečné antihmoty.

První závěry směřující k předpovědi existence antičástic se objevily v pracích britského fyzika P.A.M. Diraca v oblasti relativistické kvantové mechaniky na přelomu 20. a 30. let dvacátého století. Diracovy elektronové rovnice měly dvě řešení. Jedno řešení popisovalo elektron a druhé tehdy neznámou částici se stejnou hmotností, spinem a velikostí elektrického náboje, jako má elektron, avšak s opačnou polaritou náboje. Již v roce 1932 C. Anderson ve sprškách způsobených kosmickým zářením objevil pozitron e+, Diracem předpovězený protějšek elektronu.

CPT teorém, velmi obecný princip symetrie odvozený na základě současného působení nábojové konjugace (C), prostorové inverze (P) a obrácení chodu času (T) v relativistické kvantové teorii pole, předpovídá, že ke každé elementární částici existuje antičástice se stejnou hmotností, se stejnou velikostí ovšem s opačnými znaménky elektrického náboje a magnetického momentu. Protože nemáme rozumný důvod pochybovat o symetrii mezi částicí a antičásticí, mělo by být teoreticky možné skládat antičástice v antihmotu působením týchž sil, kterými jsou vázány částice v "normální" hmotě. Zcela pochopitelně se jeví jako nejjednodušší spojit antiproton p- a pozitron e+, tj. vytvořit atom antivodíku.

Poprvé se tuto myšlenku podařilo uskutečnit na přelomu září a října roku 1995 fyzikům v CERNu. Experiment byl postaven na urychlovači antiprotonů zvaném LEAR (Low Energy Antiproton Ring).

Antiprotony o kinetické energii 1.94 GeV se v jedné z přímých částí urychlovačového prstence srážejí s atomy plynného xenonu. Při těchto srážkách mohou v malém počtu případů antiprotony vytvářet elektron-pozitronové páry v elektrickém poli jader xenonu. Pokud se takto vzniklý pozitron nachází po dostatečně dlouhou dobu v blízkosti antiprotonu, může na základě jejich přitažlivé coulombické interakce vzniknout neutrální atom H0.

Pro registraci vzniklých antivodíkových atomů byl vybudován detekční systém a byla stanovena kritéria, jejichž splnění se považovalo za důkaz vytvoření atomu H0:

  1. Jakožto elektricky neutrální objekt pokračuje antiatom H0 ve směru dopadajících antiprotonů a opustí prstenec LEARu tangenciálně, zatímco všechny nabité částice budou odchýleny magnetickým polem zakřivovacích magnetů. Atom H0 vletí rychlostí rovnou asi 9/10 rychlosti světla do tří za sebou postavených křemíkových detektorů, kde ztratí část své energie a opět se rozdělí na dvě původní částice.
  2. Pozitron po zastavení anihiluje s některým elektronem v prostředí Si detektoru. Tento jev je doprovázen uvolněním energie ve formě dvou fotonů záření gama s energií 511 keV. Fotony jsou detekovány scintilačními NaI detektory.
  3. Antiproton z rozpadu H0 dále pokračuje do soustavy detektorů, kde se měří jeho rychlost z doby letu a zakřivení dráhy v magnetickém spektrometru. Z těchto veličin lze zjistit, zda detekovanou částicí je skutečně antiproton.
Uvedeným kritériím vyhovělo během patnáctihodinové doby měření 11 událostí. To znamená, že se podařilo vytvořit 11 atomů antivodíku, z nichž každý existoval po dobu třiceti miliardtin sekundy a uletěl dráhu asi deseti metrů.

Skutečná antihmota tedy byla vyrobena. Její využití v praxi, např. jako velmi efektivní palivo, je ovšem zatím fikcí. Na druhé straně tento výsledek nabízí velkou možnost ověření či vyvrácení hypotézy o CPT symetrii. Laserová spektroskopie umožňuje měřit spektra energetických hladin v atomu vodíku s nepředstavitelnou relativní přesností 1:1018. Stejně tak je možno měřit spektra atomů antivodíku a velmi přesně porovnat naměřené hodnoty. K tomu je ovšem třeba vyrobit atomů antihmoty větší množství a udržet je v jednom místě po delší dobu. To je úkol, na jehož; řešení se pracuje.


Další zdroje:
First Observation of Hot Antihydrogen
Stránka projektu PS210, který prokázal existenci antivodíku


Své komentáře posílejte na adresu egg@matfyz.cz. Můžete se vrátit na hlavní stránku nebo tam, odkud jste přišli.
Stránka byla vytvořena 2. září 2002 a její HTML kód neobsahuje syntaktické chyby.