Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 15 – vyšlo 23. dubna, ročník 18 (2021)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Antivodík

Rudolf Mentzl

Kdysi základní, dnes střední škola nás učí zanedbávat nemožná řešení slovních úloh vedoucích na kvadratické rovnice. Vyjde-li nám, že fotbalové mužstvo čítá jedenáct nebo minus šest hráčů, vůbec o druhém výsledku neuvažujeme. Britský fyzik Paul Dirac se tímto přístupem nenechal zmást, počítal i se zdánlivě nesmyslnými kořeny a v roce 1928 předpověděl existenci kladně nabitého elektronuElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932.. Když pak o čtyři roky později Carl Anderson objevil stopy pozitronuPozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932. v kosmickém zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., byla existence antihmotyAntihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů. definitivně prokázána. Právě kosmické záření bylo po dlouhá desetiletí jediným zdrojem antihmoty. Posléze jsme se naučili připravovat antičástice v urychlovačích. V roce 1995 dokázali v laboratořích CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. spojit antiprotonAntiproton – antičástice k protonu. Je stabilní, nicméně rychle anihiluje s okolní látkou. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1959. s pozitronem a uměle připravit antivodík. Přelomová práce se stala rutinou a dnes se pokoušíme vlastnosti antivodíku zevrubně zkoumat. Saháme po laserovém ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. antihmoty.

Umělecká představa atomů antivodíku držených v magnetické pasti.
Zdroj: Chukman So/TRIUMF.

Pozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932.

Antiproton – antičástice k protonu. Je stabilní, nicméně rychle anihiluje s okolní látkou. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emiliem Segrém a Owenem Chamberlainem, kteří za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1959.

Laserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku.

Výroba antivodíku

Postavit atom antihmoty z elementárních antičásticAntičástice – částice, u které mají všechna kvantová čísla (elektrický náboj, barevný náboj, vůně atd.) opačné znaménko oproti běžné částici. se zatím daří pouze v tom nejjednodušším případě, tedy u antivodíku. Antiprotony se vyrábí na urychlovači bombardováním kovového terčíku svazkem protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.. Z podstaty věci jsou vzniklé antiprotony příliš rychlé a je potřeba je nejprve patřičně zpomalitAntiproton Decelerator (AD) – antiprotonový zpomalovač. Jde o prstenec v CERNu s obvodem 188 metrů, ve kterém jsou antiprotony drženy magnetickým polem dipólového a kvadrupólového charakteru. Zpomalení antiprotonů je provedeno silným elektrickým polem., uvěznit v magnetické pasti a dochladit na milikelvinovéKelvin – 1/273,16 část termodynamické teploty trojného bodu vody. teploty. Pak nezbývá, než doufat, že se pozitrony přivedené z radioaktivního zdroje ²²NaSodík – Natrium, nejběžnější prvek ze skupiny alkalických kovů, hojně zastoupený v zemské kůře, mořské vodě i živých organizmech. Sodík je měkký, lehký a stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Volný kov se poprvé podařilo připravit roku 1807 siru Humphry Davymu. usadí na jejich volných orbitalechOrbital – oblast v atomárním či molekulárním obalu, kde se vyskytuje elektron. Pravděpodobnost výskytu elektronu v orbitalu je rovna druhé mocnině velikosti komplexní vlnové funkce. a dají vzniknout antivodíku. Z řádově sto tisíc antiprotonů a milionů pozitronů zbude v magnetické pasti po mnoha výrobních cyklech několik tisíc atomů antivodíku. Podrobněji jsme se o jeho výrobě rozepsali v bulletinu AB 12/2005

Původní experiment ATHENAATHENA – AnTiHydrogEN Apparatus, jeden ze dvou experimentů na výrobu antivodíku v CERNu. Skládá se z antiprotonové pasti, zásobníku pozitronů a rekombinační pasti, ve které dochází ke kontaktu antiprotonů s pozitrony. Athena v řecké mytologii symbolizuje bohyni moudrosti. v CERNu nahradil koncem roku 2005 nový experiment APLHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus). Kolaborace ALPHA oznámila již v roce 2011, že její magnetické pasti dokážou zadržet atomy antivodíku až na 1000 s. Ačkoli je to dostatečně dlouhá doba, atomů je stále málo na klasické spektroskopické metody, které počítají s řádově 10¹² atomy. K významným úspěchům si ALPHA může započítat měření pozitronového přechodu 1S-2S, který se chová stejně jako elektronový přechod 1S-2S atomu vodíku. S rostoucí obtížností dalších měření stoupají i nároky na teplotu vzorku. Koncem března 2021 kolaborace oznámila úspěšné zvládnutí technologie laserového ochlazování u antivodíku.

Experiment ALPHA. Zdroj: Maximilien Brice/CERN.

Chladíme laserem

Samotné použití slov laser a ochlazování v jedné větě cítíme jako protimluv. Laser spojujeme s pojmy zapálit, protavit nebo ohřát. A přece, podobně, jako studený vítr dokáže ochladit, může ochladit i laserový paprsek. Ačkoli studený vítr nese energii, ochlazuje, protože je jeho teplota nižší, než teplota prostředí. Má-li laserový paprsek teplotu menší, než prostředí, kterým prochází, ochladí ho také. K pochopení jevu je zapotřebí mít na paměti pouhé dvě skutečnosti. Teplota je pouze makroskopickým projevem víření atomů a atomy jsou schopny interagovat pouze s fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. přesně určených frekvencí.

Posvítíme-li na atomy světlem o frekvenci jen o málo menší, než dokážou absorbovat, nic se nestane. Protože jsou však zahřáté, pohybují se náhodnými směry. Ty, které se pohybují naproti přilétávajícím fotonům, cítí díky Dopplerově jevuDopplerův jev – změna frekvence vlnění při vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele. Přibližuje-li se pozorovatel ke zdroji, naměří vyšší frekvenci, než když se vzdaluje. Může jít o zvukové, elektromagnetické i jakékoli jiné vlnění. Jev poprvé popsal rakouský matematik a fyzik Christiaan Doppler (1803–1853), který část svého krátkého života strávil jako profesor pražské Polytechniky, předchůdkyni dnešního ČVUT v Praze. jejich frekvenci poněkud vyšší. Atom pohybující se správnou rychlostí takový foton pohltí a následně vyzáří náhodným směrem. Vyzářený foton má však z pohledu pozorovatele vyšší energii než ten pohlcený. Energetický zisk je tedy záporný, což se projeví v rychlosti, potažmo teplotě atomu. V praxi se ochlazovaný plyn ozařuje šesti laseryLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. ve třech navzájem kolmých směrech. Tímto způsobem lze látku dochladit na teploty v řádu nanokelvinů. Podrobnosti o tomto postupu jsme přinesli v bulletinu AB 12/2003.

Princip laserového ochlazování. Se slabě podladěným laserovým paprskem interagují pouze atomy pohybující se směrem ke zdroji světla. Po následném vyzáření fotonu náhodným směrem se atom pohybuje pomaleji, než před interakcí.

Jak se chladí antivodník

K ochlazení antivodíku využila kolaborace ALPHA přechod 1S-2P Lymanovy série α. Na rozdíl od běžného laserového ochlazování zde stačí aplikovat laserový paprsek pouze v podélném směru, protože sama magnetická past nejen zabraňuje rozbíhání vzorku do stran, ale také mění příčný pohyb částic na podélný. Každý laserový impuls sníží rychlost o 3,3 m·s⁻¹. Po několika desítkách pulzů klesne teplota vzorku na submikroelektronvoltové energie. Díky takovému ochlazení jsou následná měření přesnější. Například tloušťka spektrální čárySpektrální čáry – ostře ohraničené linie ve spektru, které vznikly emisí fotonu v daném prostředí (světlé, tzv. emisní čáry) nebo absorpcí fotonu (tmavé, tzv. Fraunhoferovy čáry). přechodu 1S-2S je čtyřikrát užší než v původních pokusech.

Od přípravy prvního antivodíku uběhlo čtvrt století. Po celou dobu se výzkumné týmy pohybovaly na hranicích soudobých možností technologie a nyní se konečně dostávají na začátek výzkumů, které je k této dlouhé cestě inspirovaly. Současný standardní model sice velice přesně popisuje stávající vesmír, ale zároveň nedokáže vysvětlit, proč je náš vesmír tvořený prakticky výhradně hmotou a antihmotu objevujeme pouze stopově, jako důsledek extrémních událostí. Jeden z návrhů, jak tento fakt vysvětlit se opírá o myšlenku nesymetrie hmoty a antihmoty. Žádné měření zatím symetriiCPT symetrie – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnout stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie). nezpochybnilo, nicméně možností ověřit všechna pozorování precizně bylo zatím poskrovnu. Do nitra hmoty jsme již nahlédli. S laserovým chlazením experimentu ALPHA se nyní zaměříme na nitro antihmoty.

Odkazy