Článek
Čtete ukázku z newsletteru TechMIX, ve kterém Pavel Kasík a Matouš Lázňovský každou středu přinášejí hned několik komentářů a postřehů ze světa vědy a nových technologií. Pokud vás TechMIX zaujme, přihlaste se k jeho odběru!
Zjistili, že atomy antihmoty v gravitačním poli skutečně padají směrem dolů. Výsledek vyšel v odborném časopise Nature.
Antihmota je typ látky složené 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 původních částic.
Anihilace je pro vysokou účinnost oblíbeným zdrojem energie ve všemožných sci-fi dobrodružstvích. K jejímu energetickému využití máme ovšem velmi daleko. V současnosti je zájem vědců mnohem teoretičtější: Mimo jiné hledají v antihmotě odpověď na otázku, proč vlastně existujeme.
Fyzikové totiž doufají, že by jim lepší poznání vlastností antihmoty mohlo prozradit, proč vlastně žádná antihmota už není (my ji alespoň 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. Ale nestalo se tak 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, je dobrá otázka, na kterou ovšem nemáme přesnou odpověď. 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. Hlavní důvod zkoumání antihmoty má tedy přímou souvislost s jednou ze základních otázek vědy vůbec.
Z hlediska zkoumání procesu vzniku vesmíru je důležité vědět, zda základní vlastnosti hmoty a antihmoty jsou opravdu stejné a případně o kolik se liší. To se týká různých aspektů, včetně třeba jejich chování v gravitačním poli. Ale aby to bylo možné, je nutné nejprve antihmotu vůbec mít a udržet si ji tak dlouho, aby ji bylo možné zkoumat.
Jak uvařit antivodík
Dostupnost antihmoty na první pohled není problematická: Vědci ji vyrábí 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 ale vytvořit opravdovou antihmotu, tedy (alespoň) jednotlivé atomy. To se zdařilo poprvé v roce 1995 – a pochopitelně se začalo od nejjednodušší možné varianty.
Tou je „antivodík“, tedy nejméně složitý atom ze všech. 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 shání 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 3milionkrát 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 tvorby se od 90. let výrazně zlepšily a zefektivnily. Dnes už je možné v dalších generacích urychlovačů najednou udržet tisíce antiatomů. Což je sice o dva řády více než v prvních pokusech, pořád jsou to ovšem naprosto nepatrná množství, která nemají praktické využití mimo vědecké experimenty.
Jediným místem na světě, kde lze dnes vyrábět antivodík, je stále středisko CERN. Má urychlovač, který vytváří antiprotony z vysokorychlostních srážek protonů, a „zpomalovač“ zvaný ELENA, který je zpomaluje natolik, že je lze uchovat pro další manipulaci. V hale pro výzkum antihmoty v CERN se na ELENA napojuje několik různých experimentů.
Ale i zpomalený antivodík by byl pochopitelně k ničemu, kdyby fyzici nevěděli, jak antihmotu alespoň na chvíli zachránit před anihilací ve chvíli, kdy jim vznikne pod rukama.
Kam s nimi?
Neexistoval totiž také ani dobrý způsob, jak tento „opak“ běžné hmoty uchovat v bezpečí před neustálým rizikem srážky s běžnými atomy a následné anihilace. Až v roce 2010 tým z projektu ALPHA v rámci CERN vydal práci popisující, jak se mu podařilo vytvořit první funkční past na antivodík.
Udržet atom tak, aby se s ničím nesrazil, není nic jednoduchého. Neurčitá „silová pole“ existují pouze ve sci-fi. Pokud by šlo o nabitou částici, stačí elektrické nebo magnetické pole. Ale atomy antivodíku jsou elektricky neutrální, tak jak na ně? Kupodivu také magnetickým polem; chce to ovšem trochu představivosti.
Atomy antivodíku jsou sice elektricky neutrální, mají ale magnetický moment, tj. chovají se jako malé a velmi slabé magnety. Pole, které je má udržet, musí být tedy za prvé velmi 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 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.
Ono to padá!
Vraťme se ovšem k pokusu s gravitací. Zmiňoval jsem „zpomalovač“ zvaný ELENA, který stojí v CERN a zpomaluje antiprotony natolik, aby s nimi vědci mohli něco dělat. Ve stejné hale stojí i zařízení nazvané ALPHA-g.
Jde o past na antihmotu, která je do značné míry následnicí vůbec první úspěšné pasti na antihmotu známé jako ALPHA. Malé „g“ na konci názvu ovšem ukazuje, že jde o speciální variantu pasti, která je určena právě ke zkoumání vlivu gravitace na antihmotu.
Autoři pokusu nejprve nechali vzniknout řídký plyn z tisíců atomů antivodíku. Pak ho vytlačili do připravené pasti: Zhruba 3 metry vysoké vertikální šachty obklopené supravodivými cívkami, jejichž magnetické pole mělo antihmotu udržet na místě.
Alespoň tedy její část: Vědci 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,“ jak si postěžoval pro časopis Nature vedoucí celého programu ALPHA Jeffrey Hangst.
V pasti tak zbyly jen atomy zchlazené na teploty kolem 0,5 Kelvina, tedy těsně nad absolutní nulou. Ty mají tak málo energie a pohybují se tak pomalu, že jejich pohyb přitažlivost Země už dokáže ovlivnit. Šlo o skupiny řádově kolem stovky atomů antivodíku.
Následně vědci během 20 sekund zeslabovali magnetická pole v horní a dolní části své pasti – podobně jako by odstranili 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 zařízení 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 CERN 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 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.
To je ovšem otázka příštích let. A tak zatím můžete dál klidně žít s vědomím, že na otázku, proč vlastně náš svět existuje, nemá věda dobrou odpověď.
V plné verzi newsletteru TechMIX toho najdete ještě mnohem víc. Přihlaste se k odběru a budete ho dostávat každou středu přímo do své e-mailové schránky.
