Fyzikom v CERN-e sa podaril experiment, ktorý pred desiatimi rokmi predstavoval len oblasť vedeckej fikcie.
Experiment ALPHA. Zdroj: CERN
Jednou z najväčších záhad dnešnej fyziky je otázka, prečo vesmír tvorí hmota. Podľa našich poznatkov malo pri zrode vesmíru vzniknúť rovnaké množstvo hmoty a antihmoty, akýsi zrkadlový obraz tej bežnej. Keď sa obe stretnú, zaniknú. Keby to tak bolo, prakticky by nič neostalo. Avšak sme tu.
Priblížiť k odpovedi nás môže najnovší úspech výskumníkov z experimentu ALPHA v Európskej organizácii pre jadrový výskum (CERN). Fyzici po prvýkrát ochladili atómy antivodíka pomocou laserového svetla. Metóda teda dovoľuje antivodík spomaliť natoľko, aby sa dala presne odmerať jeho vnútorná štruktúra. Vedci v tlačovej správe píšu, že porovnanie tohto a bežného vodíka by mohlo viesť k odhaleniu rozdielov medzi hmotou a antihmotou i k objasneniu jednej zo záhad fyziky.
Štúdiu zverejnili v časopise Nature.
Prelomová vec
Antihmota je v podstate opakom „bežnej hmoty“. Napríklad elektrón a antielektrón majú rovnakú hmotnosť, ale ich elektrický náboj je opačný. Moderné uvažovanie o antihmote začal Paul Dirac, ktorý v roku 1928 opísal práve možnosť existencie antielektrónu. Už o štyri roky neskôr ho objavil Carl Anderson a dostal meno pozitrón. Výskum antihmoty je však nesmierne ťažký. Je pomerne náročné ju získať. Veľmi rýchlo sa pohybuje a keď sa stretne s bežnou hmotou, zanikne – anihiluje. Možnosť ochladiť, a teda aj spomaliť antihmotu v experimente ALPHA preto mení situáciu.
Výskumníci sa zamerali na antivodík, najjednoduchšiu formu antihmoty. Jeden taký atóm tvorí antiprotón a pozitrón („bežný“ vodík je zložený z protónu a elektrónu). Antivodík sa v prírode nevyskytuje, musia ho v laboratóriu vyrábať. Antiprotóny vezmú z antiprotónového spomaľovača a spoja ich s pozitrónmi zo sodíka-22. Získané antiatómy následne uzavrú do magnetickej pasce, aby sa nemohli stretnúť s bežnou hmotou a anihilovať. Teraz už je potrebné ich spomaliť.
„Podarila sa nám prelomová vec. Asi pred desiatimi rokmi bolo laserové chladenie antihmoty v oblasti sci-fi,“ píše v tlačovej správe CERN-u hovorca experimentu Jeffrey Hangst.
Experiment ALPHA. Zdroj: CERN
Náročný výskum
Laserové chladenie je technika známa už 40 rokov. V podstate spomaľuje pohyb častíc natoľko, aby sa dali veľmi presne odmerať. Veľmi zjednodušene to vyzerá tak, že smerom na atóm vystreľujú množstvo fotónov ako malé loptičky, ktoré po zrážke atóm postupne spomalia.
„Laser vyšle k antiatómu fotón s frekvenciou mierne nižšou, ako zodpovedá energii prechodu antiatómu do vyššieho stavu. Ak ide antiatóm oproti fotónu, vďaka Dopplerovmu efektu ho vidí s vyššou frekvenciou, takže je schopný ho absorbovať a prejsť do vyššieho stavu. Antiatóm vďaka zrážke spomalí. Následne vyžiari fotón, ktorý má vyššiu energiu ako pôvodný fotón. Túto energiu zobral antiatómu. Kinetická energia sa zmenšila oproti stavu pred zrážkou. Menšia kinetická energia vedie k menšej rýchlosti, a teda aj teplote,“ podrobnejšie vysvetľuje pre web Veda na dosah fungovanie chladenia teoretický fyzik Ivan Melo z Katedry fyziky Elektrotechnickej fakulty Žilinskej univerzity.
Náročné bolo najprv skonštruovať laser, ktorý pracuje v požadovanom spektre, a tiež dostať jeho fotóny cez aparatúru na výrobu antivodíka.
„Laserové chladenie antihmoty je problematické osobitne kvôli tomu, že je veľmi náročné vyrobiť antihmotu v dostatočnom množstve a udržať ju dostatočne dlhú dobu. ALPHA to dokázala šestnásť minút, čo je veľký úspech,“ dopĺňa fyzik.
Ako na antihmotu vplýva gravitácia?
Experimenty ako tento môžu viesť k lepšiemu porovnaniu rôznych vlastností vodíka a antivodíka. Akékoľvek rozdiely medzi obomi by mohli ozrejmiť, prečo vesmír tvorí hmota.
„Zákony fyziky – štandardný model – sú takmer symetrické, čo sa hmoty a antihmoty týka, takže by mali byť vyprodukované demokraticky päťdesiat na päťdesiat po Veľkom tresku. Malá výnimka je narušenie jednej symetrie v štandardnom modeli, ktoré veľmi mierne rozlišuje medzi hmotou a antihmotou, ale to nestačí, aby vznikla taká prevaha hmoty, akú pozorujeme,“ dopĺňa Melo.
Jednou z oblastí, v ktorej sa plánuje ďalší výskum, je to, ako antihmota reaguje na gravitáciu, čo je stále záhadou.
„Sú teórie, v ktorých existujú odchýlky od Newtonovho gravitačného zákona pri gravitačnom pôsobení medzi hmotou a antihmotou. Toto by napríklad mohlo viesť k oddeleniu hmoty a antihmoty v rôznych oblastiach vesmíru, a teda by to mohlo vysvetliť, prečo v našej oblasti vidíme len hmotu a nie antihmotu,“ hovorí fyzik.
Zdroje: DOI: 10.1038/s41586-021-03289-6, Svet častíc, CERN (1, 2), The Conversation, Tlačová správa Univerzity v Britskej Kolumbii
