Aldebaran bulletin

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

Hledej

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.kosmickém zářeníKosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. 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 objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvarkového-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. 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. 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

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 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

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 C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily 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.

Laserové ochlazování

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

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage