První atomy antihmoty vytvořeny v CERN

Idea existence antihmoty je úzce spojena se jménem znamenitého britského teoretického fyzika Paula Adriena Maurice Diraca. Ten r. 1928 odvodil pohybovou rovnici pro elektrony, která byla v souladu se dvěma základními teoriemi moderní fyziky – se speciální teorií relativity a s teorií kvantovou. Její řešení byla dvojího druhu: jednak s kladnou energií, jednak s energií zápornou. Řešení s kladnou energií určovala chování a vlastnosti záporně nabitých elektronů, např. jejich pohyb v prostoročasu, jejich spin a magmetický moment hybnosti. Řešení se zápornou energií však popisovala chování částic zcela nových, dosud neznámých, tzv. antičástic elektronů. Tyto částice měly mít kladný elektrický náboj – tedy opačný než elektrony, ale hmotnost, spin a dobu života shodnou s elektrony. Jak vzpomíná sám Dirac, taková interpretace řešení se zápornou energií nebyla zcela samozřejmá: Zprvu jsem se neovážil postulovat existenci nové částice. Názorové klima té doby bylo totiž proti zavádění nových částic, tedy zcela opačné než dnešní. Uveřejnil jsem proto svoji práci jako teorii elektronů a protonů, doufaje, že coulombovská interakce mezi protony a elektrony bude schopna nějak způsobit velký rozdíl mezi jejich hmotnostmi. V tom jsem se však zcela mýlil. Jak postřehli brzy matematici, takový rozdíl hmotností mezi částicemi, které jsou popsány řešením s kladnou a zápornou energií, nebyl možný. Kategorické vyjádření tohoto druhu první publikoval Weyl, který zdůraznil, že nová částice musí mít stejnou hmotnost jako elektron.

Nová částice, plynoucí z Diracovy teorie, byla objevena až čtyři roky poté, co byla předpovězena. Roku 1932 americký fyzik Carl D. Anderson beze vší pochybnosti prokázal existenci této antičástice elektronu v kosmickém záření (viz obr. obrázek). Pojmenoval ji pozitron podle jejího pozitivního elektrického náboje, analogicky ke jménu elektron. Diracova teorie, která byla oceněna Nobelovou cenou za fyziku r. 1932, však nepředpověděla jen pozitron. Podle Diracovy teorie každý typ částice s poločíselným spinem v přírodě má svého partnera, svoji antičástici, která má s výchozí částicí stejnou hmotnost, spin a dobu života, ale opačná znaménka všech nábojů (elektrického, leptonového, baryonového, barevného atd.). Tím Dirac předpověděl nejen existenci celé plejády antičástic, ale vlastně i existenci druhého světa – světa antihmoty. Z nejobecnějších principů relativistické kvantové teorie pole byla později odvozena exaktní symetrie mezi těmito dvěma světy, tzv. symetrie CPT. Podle ní nejen částice s poločíselným spinem, ale i se spinem celočíselným, tedy vůbec každý typ částice, má v přírodě svoji antičástici.

Objevy dalších antičástic ze světa antihmoty však nechaly na sebe čekat. Bylo k nim totiž potřeba nových, výkonnějších urychlovačů. Tak až v roce 1955, když byl spuštěn protonový urychlovač Bevatron v Berkley, tedy 23 let po objevení pozitronu, byla objevena další antičástice. Byla to antičástice protonu a za rok na to antičástice neutronu. Místo toho, aby dostaly zvlášní jména, byly jednoduše nazvány antiproton a antineutron (řecké anti- znamená proti). Antiproton se od svého protějšku – protonu – liší znaménky elektrického a baryonového náboje, která jsou u něj záporná, a elektricky neutrální antineutron a neutron se od sebe liší opačným směrem svých magnetických polí vzhledem ke směru svých spinů a rovněž opačným znaménkem baryonového náboje. Hlavní potíž, s níž se objevitelé těchto antičástic museli vypořádat, spočívala v umění „nalézt špendlík v kupce sena“ – oddělit velmi malý počet ve srážkách vzniklých antičástic od skoro milionkrát většího počtu snáze vznikajících a stejně nabitých jiných částic, tzv. mezonů. Za průkopnický objev antiprotonu byla r. 1959 Emiliu Segré a Owenu Chamberlainovi udělena Nobelova cena za fyziku.

Část vesmíru, ve které žijeme, je téměř výhradně tvořena z částic hmoty. Antičástice, které pozorujeme v kosmickém záření nebo získáváme v laboratoři pomocí urychlovačů či v případě pozitronu z některých radioaktivních rozpadů prvků (např. fosforu ³⁰P), záhy prudce reagují se svými protějšky a dochází k jejich vzájemné anihilaci, k nejúčinnější přeměně jejich hmotností v energii. Podle Einsteinovy speciální teorie relativity jsou totiž hmotnost a energie jen různými formami téže podstaty a jedna může být přeměněna v druhou, jsou-li přitom zachovány některé vlastnosti (např. celkové náboje). Kdyby se však antičástice ocitly v takové části vesmíru, v níž by se nacházely pouze antičástice, pak se domníváme, že by se spojovaly stejnými silami a způsobem jako částice v naší části vesmíru. Vytvářely by atomy a molekuly složené pouze z antičástic, tj. atomy a molekuly antihmoty.

Mají však fyzici pro toto své přesvědčení nějaký experimentální důkaz? Až donedávna nikoli. Důkaz existence i toho nejjednoduššího atomu antihmoty – atomu antivodíku tvořeného antiprotonem a pozitronem – chyběl. Základní tři stavební kameny antihmoty, antiproton, antineutron a pozitron, už sice byly objeveny, ale k vlastní přípravě atomu antivodíku zbývalo překonat ještě dvě úskalí. Především mít dostatečně intenzivní zdroj antiprotonů a pozitronů, a potom umět vytvořit prostředí, v němž by tyto antičástice integrovaly a vytvářely vázané stavy, kýžené atomy antivodíku, přesto, že pravděpodobnost jejich vzniku je velmi malá. Řešení obou principiálních potíží vyžadovalo spolupráci a výzkum řady fyzikálních oborů, uskutečňovalo se krok za krokem a bylo korunováno úspěchem teprve nedávno.

Nejdříve se ukázalo, že z antiprotonů a antineutronů lze skutečně vytvořit různá jádra antiatomů. V roce 1965 bylo pomocí 30 GeV protonového synchotronu v americké Národní laboratoři v Brookhavenu poprvé vytvořeno asi 200 jader těžšího antivodíku, antideuteronu. Obtížnost experimentu naznačuje skutečnost, že každé jádro antideuteronu muselo být „vyloveno“ asi ze sto milionů jiných, nežádoucích jader. Potom, v sedmdesátých letech, bylo připraveno pět jader antihelia 3 (izotopu helia tvořeného dvěma antiprotony, jedním antineutronem) na serpuchovském urychlovači a pak čtyři jádra nejtěžšího izotopu antivodíku, antitritia, na urychlovači v Novosibirsku. V posledním experimentu už na jedno jádro chtěného antitritia připadalo asi 25 miliard jader nechtěných! V několika laboratořích studovali i tzv. pozitronium – vázaný stav tvořený elektronem a pozitronem, který podle jejich orientace žije desetinu miliardtiny až miliontiny vteřiny, než se elektron s pozitronem stačí setkat a vzájemně anihilovat. Konečně 1. února 1996 vyšel v časopisu Physics Letters B článek oznamující, že se 24členné německo-italské skupině fyziků pracující v CERN a vedené Waltrem Oelertem podařilo poprvé vytvořit nejméně 9 atomů antivodíku. Tyto první atomy antihmoty byly vytvořeny v září 1995 při srážkách antiprotonů s atomy xenonu, a to během experimentu na antiprotonovém prstenci LEAR (Low Energy Antiproton Ring) v CERN, který trval asi 3 týdny. Každý z těchto atomů antivodíku existoval asi 40 miliardtin vteřiny, než se setkal s „obyčejnou“ hmotou, anihiloval a produkoval posloupnost charakteristických signálů, které ho jednoznačně identifikovaly. Protože se pohyboval skoro rychlostí světla, urazil od svého vzniku do místa svého zániku dráhu něco přes 10 metrů.

Recept na syntézu antivodíku je velmi jednoduchý. Vem jeden antiproton, přidej k němu jeden pozitron a způsob, aby začal obíhat kolem antiprotonu. Složitější je to s jeho realizací. Antiprotony se vyrábějí v CERN bombardováním kovového terčíku svazkem protonů urychlených na protonovém synchrotronu PS. Při srážkách protonů s jádry terčíku vznikají totiž také páry protonů a antiprotonů, z nichž se antiprotony poměrně složitě odfiltrují, upraví a pak shromažďují v antiprotonovém prstenci LEAR. Tam, v ultravysokém vakuu, které je dobře izoluje od okolní hmoty, se antiprotony dále formují ve vhodný svazek mající asi 1,7.10¹⁰ antiprotonů, se kterým se může nejméně 3 minuty experimentovat. Takže první předpoklad k úspěšné přípravě antivodíkového atomu – vytvoření kvalitního, intenzivního zdroje antiprotonů – byl v CERN splněn. Jak to bylo v CERN s vlastní přípravou antivodíkových atomů?

Celkem se uvádějí dva možné způsoby syntézy antivodíkových atomů: syntéza „v klidu“ a syntéza „za letu“. Dr. Oelert a jeho spolupracovníci použili druhý způsob. Svazku antiprotonů v LEAR nastavili do cesty plynový terčík z atomů xenonu, kterým antiprotony svazku procházely při každém svém oběhu prstence LEAR, tj. asi 3milionkrát za vteřinu. Velmi zřídka některý antiproton při interakci s Coulombovým polem blízkého atomu xenonu přeměnil část své energie na vytvoření elektron-pozitronového páru. Ještě řidčeji se stalo, že antiproton zachytil z takového okolního páru pozitron a spolu s ním vytvořil vázaný stav – kýžený, rychle se pohybující antivodíkový atom. (Účinný průřez takového vzniku antivodíkového atomu je asi 6.10^–33 cm²). Antivodíkový atom je elektricky neutrální, takže vychylovací magnety prstence LEAR na něj nepůsobily. Pokračoval proto v přímočarém pohybu a opustil antiprotonový prstenec LEAR, jak zachycuje obr. obrázek. Pak už zbylo jen se přesvědčit, že v LEAR byly syntetizovány skutečně atomy antivodíku. Tohoto úkolu se Oelert se svými spolupracovníky zhostil velmi elegantně. Skoro rychlostí světla se pohybujícím antivodíkovým atomům nastavil do cesty dva detektory, které je jednoznačně identifikovaly. V prvním, křemíkovém detektoru byl každý prolétávající antivodíkový atom nejprve zbaven svého pozitronu a ten pak byl zjištěn. Anihiloval totiž v detektoru s některým z přítomných elektronů, což detektor zjistil zaznamenáním dvou charakteristických, opačně letících fotonů, které vznikají při elektron-pozitronové anihilaci. Samotné jádro antivodíku (antiproton) prošlo detektorem a pokračovalo ve svém letu. Nejprve vletělo do magnetu spektrometru, který zakřivil jeho dráhu nepřímo úměrně jeho rychlosti, a pak pokračovalo i do vlastního detektoru, kde bylo nuceno anihilovat. Posloupnost a tvar signálů z prvního a druhého detektoru jsou pro antivodíkový atom natolik charakteristické, že mohou sloužit k jednoznačnému zjištění jeho přítomnosti. V Oelertově experimentu studium těchto signálů nakonec vyloučilo z původních jedenácti registrovaných možných případů antivodíkového atomu dva jako nepravé, způsobené jinými procesy.

Nedávný experiment v CERN tedy ukázal, že atomy antivodíku skutečně existují a že je umíme připravit. Zbývá však ještě prověřit jejich vlastnosti, zjistit, zda antivodíkový atom skutečně „funguje“ stejně jako atom vodíkový, zda energetické spektrum pozitronu v antivodíku je přesně stejné jako energetické spektrum elektronu ve vodíku, zda se atomy vodíku a antivodíku skutečně přitahují a ne odpuzují, změřit jeho magnetický moment atd. Přitom přesnost, se kterou by se tato měření měla provést, je nesmírně náročná – na triliontiny (10^–18). Kdyby se totiž antivodík i jen takto nepatrně lišil ve svých vlastnostech od vodíku, který tvoří 3/4 vesmíru, čili kdyby neplatila dříve zmíněná symetrie CPT mezi světem hmoty a antihmoty zcela přesně, mělo by to dalekosáhlé důsledky nejen pro mikrosvět elementárních částic, ale i pro naše chápání zrodu a vývoje celého vesmíru. K tomu, abychom tato náročná měření mohli provést, musíme umět uchovat syntetizovanou antihmotu po dobu vteřiny až týdnů v jakýchsi „láhvích“ či „pastích“ náležitě odizolovanou superultravakuem a magnetickými a elektrickými poli od okolní hmoty. Jedno takové vyvíjené zařízení zachycuje obr. obrázek.

Nápor novinářů v CERN však nebyl způsoben objevem antivodíku coby začátku systematického výzkumu světa antihmoty, ale spíše různými fantastickými spekulacemi, s tímto objevem spojenými. Všechny vycházejí z pravdivého jádra, že totiž anihilace hmoty a antihmoty představuje nejefektivnější způsob uvolňování energie, asi tisíckrát větší, než je tomu u jaderných procesů, a miliardkrát větší, než je tomu u procesů chemických, jako např. při spalování. Tyto spekulace se zmiňují např. o tom, že už 147 mg antiprotonu by mohlo poskytnout dostatek energie k letu na Mars a zpět. Nehovoří však už příliš o tom, že i toto nepatrné množství antiprotonu, které je srovnatelné s kapkou deště, bychom na dnešních zařízeních vyráběli miliony let.