Vědci z projektu ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) u známého evropského výzkumného střediska CERN (Conseil Européen pour la recherche nucléaire) zveřejnili vůbec první výsledky měření chování antihmoty v gravitačním poli.
Antihmota se v našem vesmírném okolí prakticky nevyskytuje. Skládá se z částic, které mají hodnoty svých základních vlastností (elektrického náboje, ale i vůně či barvy) opačné než části běžné hmoty. Při srážce s běžnou hmotou to vede k anihilaci, tedy vzájemnému zničení obou částic. Anihilace je oblíbenou rekvizitou řady sci-fi dobrodružství. K jejímu energetickému využití máme ovšem velmi daleko, současný zájem vědců se aktuálně zaměřuje spíše na teoretičtější otázky. Odborníci doufají, že by jim lepší poznání vlastností antihmoty mohlo prozradit, proč žádná antihmota už není (respektive ji nikde ve vesmíru nepozorujeme). Podle současných předpokladů totiž těsně po vzniku vesmíru (cca před 13,5 miliardy let) byla antihmota stejně hojná jako běžná hmota. Jak ale vyplývá z neslučitelných povah obou látek, brzy se vzájemně přeměnily na záření, kterého je od té doby vesmír doslova plný. Nestalo se to však zjevně úplně dokonale: část hmoty přežila. Na každou miliardu anihilujících částic a antičástic zbyla ve vesmíru jedna částice běžné hmoty. A právě z toho malého přebytku je náš vesmír. Proč část hmoty (ta, ze které jsme my) anihilaci přežila, není zcela jasné. Je možné, že by se mohla skrývat v drobných rozdílech v chování hmoty a antihmoty. Obě látky by měly být téměř identické, ale jen „téměř“ — a tyto malé rozdíly by měly vysvětlovat, proč můžeme existovat. Pozorování těchto rozdílů 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). Případné zjištění, že CPT symetrie neplatí, by znamenalo hodně velkou změnu jednoho ze základních paradigmat fyziky. Hlavní důvod zkoumání antihmoty má tedy přímou souvislost s jednou ze základních otázek vědy vůbec.
Jak uvařit antivodík
Dostupnost antihmoty není na první pohled problematická: vědci ji vyrábějí už více než půl století. Dlouho však šlo jenom o jednotlivé částice, především antielektrony (tzv. pozitrony) a antiprotony. To není až tak složité: tyto částice vznikají při některých typech radioaktivního rozpadu (pozitrony), nebo je lze vytvořit v urychlovači (antiprotony). Odborníci tyto části proměřili, jak mohli, a také se je naučili používat v urychlovačích. Výzvou je ovšem vytvořit opravdovou antihmotu, tedy (alespoň) jednotlivé atomy. To se poprvé zdařilo v roce 1995, a začalo se, pochopitelně, od nejjednodušší možné varianty, kterou je „antivodík“ — antiatom nejméně složitého atomu na světě. Jeho jádro se skládá z jediného protonu, kolem kterého obíhá jediný elektron. Recept na antivodík je tedy ve své podstatě velmi jednoduchý: vezměte jeden antiproton, pak jeden pozitron a ten umístěte na oběžnou dráhu kolem prvního. V praxi se na tento recept těžko shánějí vhodné přísady, protože antičástice se na Zemi přirozeně nevyskytují. Lze je vytvořit pouze v laboratoři. Experimentátoři nechali dříve vytvořené antiprotony kroužit v menším urychlovači a při každém oběhu (cca 3 000 000× za sekundu) je nechali projít proudem plynu, konkrétně xenonu. Výjimečně se stalo, že antiproton při průchodu atomem xenonu přeměnil malou část své vlastní energie na elektron a pozitron (tj. antielektron). V ještě vzácnějších případech byla rychlost pozitronu dostatečně blízká rychlosti antiprotonu, aby se obě částice spojily, a tak vznikl atom antivodíku. „Výrobní“ metody se od 90. let výrazně zlepšily a zefektivnily. Dnes už je možné v dalších generacích urychlovačů najednou udržet tisíce antiatomů, tedy o dva řády více než v prvních pokusech. Pořád jsou to ovšem naprosto nepatrná množství, která mimo vědecké experimenty nemají praktická využití. Jediným místem na světě, kde lze dnes vyrábět antivodík, je stále středisko CERN. Má urychlovač vytvářející antiprotony z vysokorychlostních srážek protonů, a zařízení zvané ELENA, který je zpomaluje natolik, že je lze uchovat pro další manipulaci. Tento zpomalovací stupeň převezme antiprotony z antiprotonového zpomalovače s energií 5,3 MeV, zpomalí je na energii 100 keV a předá je experimentům. V hale pro výzkum antihmoty v CERN se zařízení ELENA (extra low energy antiproton ring) napojuje na několik různých pokusných stanic. Ale i se zpomaleným antivodíkem by se dalo těžko experimentovat, kdyby fyzici nevěděli, jak antihmotu alespoň na chvíli zachránit před anihilací.
Co nejlepší past
V roce 2010 tým z projektu ALPHA v rámci CERN vydal práci popisující, jak se mu podařilo vytvořit první funkční past na antivodík. Ta, i když jsou atomy antivodíku magneticky neutrální, pracuje na principu magnetického pole: Atomy mají magnetický moment, jsou to tedy zjednodušeně řečeno velmi malé a extrémně slabé magnety. Pole, které je má udržet, tak musí být velice silné. Vědci takové pole sestrojili, a ještě mu dali speciální tvar. Udělali „past“ podlouhlého tvaru. Ve vakuové nádobě vytvořili magnetické pole, které je nejsilnější na krajích a směrem do středu slábne. Atomy tak byly vtahovány do „magnetické jámy“ uprostřed. Nebyl to zdaleka dokonalý systém, většina antivodíku z pasti unikla, ale některé atomy v takové pasti zůstaly po dobu několika minut. Přesvědčit se o tom nebylo složité. Stačilo magnetické pole vypnout. Antihmota se rozletí a následně anihiluje při srážkách s běžnými atomy. Záření a částice vznikající při anihilaci zachytily detektory obklopující past. Ve stejně hale v CERN, kde stojí „zpomalovač“ ELENA, se tak dnes nachází i zařízení nazvané ALPHA-g. Písmeno „g“ na konci názvu ovšem ukazuje, že jde o speciální variantu pasti, která je určena právě ke zkoumání vlivu gravitace na antihmotu.
Padni, kdo padni
Autoři pokusu nejprve nechali vzniknout řídký plyn z tisíců atomů antivodíku. Pak ho vtlačili do připravené pasti: zhruba 3 m vysoké vertikální šachty obklopené supravodivými cívkami, jejichž magnetické pole mělo antihmotu udržet na místě. Tedy její část. Vědci totiž nechali záměrně některé atomy antihmoty uniknout. Konkrétně šlo o atomy s vyšší teplotou, protože ty mají tolik energie, že na ně gravitace nemá veliký vliv. „Gravitace je totiž zatraceně slabá,“ popsal problém vedoucí celého programu ALPHA Jeffrey Hangst. V pasti tak zbyly jen atomy zchlazené na teploty kolem 0,5 K, tedy těsně nad absolutní nulu. Ty mají tak málo energie a pohybují se natolik pomalu, že jejich pohyb přitažlivost Země už dokáže ovlivnit. Šlo o skupiny řádově kolem stovky atomů antivodíku. Následně vědci během 20 s zeslabovali magnetická pole v horní a dolní části své pasti — podobně jako by odstraňovali víko a dno plechovky — a pomocí dvou senzorů detekovali unikající antiatomy (respektive jejich anihilaci při srážkách s okolní hmotou). Plyn má při otevření nádoby, ve které je uvězněn, tendenci expandovat všemi směry. Ovšem protože antiatomy měly tak nízkou energii, gravitační pole Země jejich pohyb výrazně ovlivnilo. Většina z nich past opustila spodním „otvorem“ v magnetickém poli a pouze zhruba čtvrtina „víkem“. Počítačové simulace zař ízení ALPHA-g ukázaly, že v případě hmoty by tato operace vedla k tomu, že by asi 20 % atomů vyšlo horní částí pasti a 80 % spodní částí. Zprůměrováním výsledků sedmi uvolňovacích pokusů tým ALPHA zjistil, že podíly antiatomů vystupujících horní a spodní částí odpovídají výsledkům simulací, a tedy teoretickým předpokladům. Data jasně ukazují, že na antiatomy působí přitažlivost stejně jako na běžné atomy vodíku. Chybové rozpětí je stále poměrně velké, ale experiment může alespoň definitivně vyloučit možnost, že by antivodík „padal nahoru“. Což, řekněme rovnou, nikdo vlastně nečekal. Na druhou stranu „ve fyzice platí, že dokud něco nepozorujete, tak to vlastně nevíte“, jak řekl Hangst v tiskovém prohlášení k pokusu. Fyzici si v tomto případě byli prakticky jistí, že pokus dopadne, jak dopadl. Ovšem na druhou stranu, antihmotu ještě nikdy nikdo padat neviděl a neměřil. Současné teorie také říkají, že případné rozdíly v chování hmoty a antihmoty by mohly existovat i tak, ale byly by jen malé — zhruba do jednoho procenta. Ovšem ALPHA-g zatím není tak přesný, aby tak malý rozdíl změřil. Chystají se tak další úpravy a nezávislé experimenty, které by měly vědcům umožnit takové hranice přesnosti dosáhnout.
Atomy v sirupu
Výrazné zlepšení výsledků by mělo do budoucna přinést zavedení systému dopplerovského chlazení atomů antihmoty. Při něm se proti směru letu cílových částic vysílá laserový paprsek, jehož fotony při srážkách atomy doslova připraví o energii. Laser musí vysílat určitý typ fotonů, tedy světlo o přesně dané vlnové délce, aby došlo k jeho „pohlcení“ cílovým atomem. Při srážce atomu totiž může dojít k tomu, že foton atomu předá svou hybnost; ale pouze pokud má foton správnou energii. Jaká to je, je dáno vnitřní strukturou atomu, jeho energetickými hladinami. Jestliže se energie fotonu rovná rozdílu dvou energetických hladin atomu, atom foton absorbuje. Ale jen nakrátko: za chvíli ho znovu vyzáří. A to je právě ono chlazení. Vyzáření totiž proběhne úplně náhodným směrem. Není ovlivněno tím, odkud foton přilétl. Odlétnutí fotonu pak atom znovu připraví o další část jeho hybnosti. Takže atom nejprve zpomalí „čelní srážka“. Pak přijde o část své energie při dalším vyzáření fotonu — ale protože to je náhodné, pravděpodobně ho „nepopostrčí“ ve směru jeho pohybu, ale znovu ho zpomalí. Nejde o příliš efektivní proces, každá srážka má jen malý vliv. Ovšem jednotlivé fotony a atomy jsou k dispozici v neomezeném množství. Když se podobné srážky mnohokrát opakují, atom se postupně zpomalí velmi výrazně. Což tedy jinak řečeno znamená, že se ochladí na teploty velmi blízké absolutní nule, protože energie a teplota jsou spojené nádoby. Jistě jste si všimli, co v popisu chybí: jak zajistit, aby systém zpomaloval ty správné atomy? A tady právě přichází na řadu „dopplerovská“ část chlazení. Jak nepochybně víte, Dopplerův jev popisuje skutečnost, že délka světla, zvuku či jiného vlnění se pro nás může měnit v důsledku našeho vzájemného pohybu. Auto rychle jedoucí směrem k nám zní jinak než ve směru od nás. Totéž se týká i atomů a proudu fotonů z „chladicího“ laseru. Atomy letící proti směru letu fotonů „vidí“ frekvenci tohoto světla jinak než atomy letící ve stejném směru jako fotony v laserovém paprsku nebo například kolmo na něj. Světlo laseru v atomové pasti tedy je nastaveno tak, aby mělo tu správnou frekvenci — tj. aby ho pohltily jen atomy mířící určitým směrem. Ty paprsek zpomalí, na jiné nebude mít vliv. S pomocí svazků správně nastavených laserů lze tak vytvořit prostředí, kterému se říká „optický sirup“. Mimochodem, chlazení a chytání atomů lasery zatím především přispělo k základnímu poznání vztahů mezi zářením (světlem) a hmotou (atomy). Oceněni za ni byli Nobelovou cenou v roce 1998 Steven Chu, pozdější Obamův šéf ministerstva energetiky, Claude Cohen-Tannoudji a William D. Phillips. Jde o jednu z několika Nobelových cen (včetně té letošní) pro různé využití laseru v základním výzkumu. Celý princip se ve fyzikálním výzkumu využívá pro experimenty s antihmotou, které mají celou řadu specifik daných povahou zkoumaného materiálu. Autorský tým se ovšem domnívá, že se mu podařilo většinu potíží vyřešit, a je připraven k zavedení této technologie mimo jiného i při experimentech s gravitací. Další výrazné zpomalení atomů by měření slabého efektu mělo zásadně zpřesnit. /jj/
