| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Experimenty s antivodíkem mohou začít
Petr Kulhánek
Existenci 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. předpověděl Paul Adriene Maurice Dirac již v roce 1930. Antičástice se od běžných částic hmoty liší tím, že mají opačné hodnoty všech kvantových nábojů. První antičástice, pozitron, byla objevena v kosmickém záření Carlem Andersonem v roce 1932. Antiproton byl objeven mnohem později, až v roce 1955 Emiliem Segrem a Owenem Chamberlainem. Z antiprotonu a pozitronu byl uměle připraven první atom antivodíku v roce 1995 v evropském komplexu laboratoří 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.. V roce 1997 byl antivodík také připraven v americkém FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií.. Tím se otevřela zcela nová oblast fyziky – výzkum 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..
|
Antiproton 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. ATHENA – 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. ATRAP – Antihydrogen Trap, jeden ze dvou experimentů na výrobu antivodíku v CERNu. Jde o gradientní magnetickou past, do které z jedné strany vnikají antiprotony a z druhé pozitrony (přes rotující elektrodu). Antivodík zde může být držen až několik hodin. CERN – 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. Fermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií. 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. CPT invariance – 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). Standardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+, W−, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. Standardní model je vybudován na základě kvantové teorie pole. Princip ekvivalence – gravitační zrychlení těles nezávisí na jejich chemickém složení, gravitační a setrvačná hmotnost těles je vzájemně úměrná, ve vhodné soustavě jednotek shodná. Tento princip se někdy nazývá slabý princip ekvivalence (WEP – Weak Equivalence Principle). Podle silného principu ekvivalence by měly platit i předpoklady speciální relativity, tj. princip konstantní rychlosti světla a neodlišitelnost inerciálních soustav pro mechanické i elektromagnetické děje. Silný princip ekvivalence má za důsledek to, že by gravitační účinky měla mít i hmotnost odpovídající energii elektromagnetického pole. Důsledkem principu ekvivalence je nerozlišitelnost mezi setrvačnými a gravitačními jevy. Pozitronium – vázaný stav elektronu a pozitronu. Protonium – vázaný stav protonu a antiprotonu. Relativní šířka čáry – bezrozměrné číslo charakterizující šířku čáry, Δλ/λ. |
Experimenty v CERNu
Antiprotony, které vznikají při bombardování kovového terčíku protony urychlenými na urychlovači SPS, vznikají s rychlostmi blízkými rychlosti světla. Prvotním úkolem je proto jejich zpomalení. V antiprotonovém zpomalovači se sníží rychlost antiprotonů na desetinu rychlosti světla. Tyto antiprotony jsou zachyceny ve speciálních magnetických pastech (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., ATRAPATRAP – Antihydrogen Trap, jeden ze dvou experimentů na výrobu antivodíku v CERNu. Jde o gradientní magnetickou past, do které z jedné strany vnikají antiprotony a z druhé pozitrony (přes rotující elektrodu). Antivodík zde může být držen až několik hodin.) a laserově ochlazoványLaserové 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. na teplotu několika milikelvinů a poté přivedeny do kontaktu s mračnem pozitronů z radioaktivního zdroje.
Experiment ATRAPATRAP – Antihydrogen Trap, jeden ze dvou experimentů na výrobu antivodíku v CERNu. Jde o gradientní magnetickou past, do které z jedné strany vnikají antiprotony a z druhé pozitrony (přes rotující elektrodu). Antivodík zde může být držen až několik hodin. určený k výrobě antivodíku. Antiprotony a pozitrony přicházejí z opačných směrů a v centru Penningovy pasti vytvářejí oblak atomů antivodíku. Zdroj: G. Gabrielse, Physical Review Letters, 2005.
Skutečná fotografie zařízení ATRAPATRAP – Antihydrogen Trap, jeden ze dvou experimentů na výrobu antivodíku v CERNu. Jde o gradientní magnetickou past, do které z jedné strany vnikají antiprotony a z druhé pozitrony (přes rotující elektrodu). Antivodík zde může být držen až několik hodin..
Spektrum antivodíku
Veškeré provedené experimenty se do konce roku 2004 omezily na detekci existence antivodíku. Od konce roku 2004 probíhají intenzivní pokusy o změření spektra antivodíku a to jak v CERNuCERN – 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., tak ve FermilabuFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií.. Pokud platí CPT invarianceCPT invariance – 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)., mělo by být spektrum vodíku a antivodíku totožné. Z hlediska současných experimentů jsou ve spektru antivodíku důležité dva přechody. Prvním z nich je dvoufotonový přechod 2s→1s z metastabilního excitovaného stavu 2s, který má extrémně dlouhou životnost 122 ms. Z Heisenbergových relací neurčitosti pro energii takovému přechodu odpovídá velmi malá neurčitost a tím extrémně úzká spektrální čára s relativní šířkou pouhých 5×10−16. Na této čáře bude možné testovat shodnost spektra a tím platnost CPT invarianceCPT invariance – 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). s bezprecedentní relativní přesností 10−18.
Druhým významným přechodem je Lymanova α čára 2s→1p na vlnové délce 121,56 nm. Tato čára je vhodná pro využití k laserovému 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. atomů antivodíku. První k tomu vhodný kontinuální a koherentní laserový zdroj byl zprovozněn v roce 2004 a pracuje buď na parách mědi nebo na parách hořčíku. K laserování se využívá čtyř přechodů mezi hladinami (FWM – Four Wave Mixing).
Kontinuální laserový zdroj na vlnové délce 121,6 nm na parách mědi. Využívá čtyř přechodů ve spektru (Four Wave Mixing). Zdroj: J. Walz a kolektiv, Hyperfine Interactions 2000.
Kontinuální laserový zdroj na vlnové délce 123 nm na parách hořčíku. Nalevo: původní záměr realizace pomocí čtyř přechodů (Four Wave Mixing). Napravo: skutečná realizace, výsledkem je zdroj na 123 nm a na 172 nm Zdroj: J. Walz a kol., Hyperfine Interactions 2000.
Chování antihmoty
V obou laboratořích, které vyrábějí antivodík (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., FermilabFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií.), jsou dnes schopni připravit vzorek o několika desítkách tisíc jedinců. Takový vzorek by měl být dostatečný k pořízení prvních spekter, ze kterých budou provedeny testy CPT invarianceCPT invariance – 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). s relativní přesností 10−18. Pokud je CPT invarianceCPT invariance – 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). platná, mělo by být spektrum antivodíku shodné se spektrem vodíku. Kdyby tomu tak nebylo, znamenalo by to zcela převratné zásahy do našich teoretických představ o stavbě hmoty a 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..
Velmi důležité je také otestovat, zda se hmota v gravitačním poli chová stejně jako antihmotaAntihmota – 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.. Předpokládá se, že zrychlení hmoty v gravitačním poli bude stejné jako zrychlení 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.. Také by měl platit slabý princip ekvivalencePrincip ekvivalence – gravitační zrychlení těles nezávisí na jejich chemickém složení, gravitační a setrvačná hmotnost těles je vzájemně úměrná, ve vhodné soustavě jednotek shodná. Tento princip se někdy nazývá slabý princip ekvivalence (WEP – Weak Equivalence Principle). Podle silného principu ekvivalence by měly platit i předpoklady speciální relativity, tj. princip konstantní rychlosti světla a neodlišitelnost inerciálních soustav pro mechanické i elektromagnetické děje. Silný princip ekvivalence má za důsledek to, že by gravitační účinky měla mít i hmotnost odpovídající energii elektromagnetického pole. Důsledkem principu ekvivalence je nerozlišitelnost mezi setrvačnými a gravitačními jevy. (WEP), tj. zrychlení 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. v gravitačním poli by mělo být závislé jen na celkové hmotnosti tělesa, nikoli na chemickém složení. Gravitační a setrvačná hmotnost by si měly být úměrné stejně jako je tomu u hmoty.
Odkazy
K. Řezáč: Antiprotonový zpomalovač, Aldebaran Bulletin 8/2003
J. Pašek: CPT symetrie a výroba antivodíku ve velkém, Aldebaran Bulletin 9/2003
M. Stránský: Laserové ochlazování, Aldebaran Bulletin 12/2003
N. Russell: Framing Lorentz Symmetry, CERN Courier, 2005
M. Amoretti: Production and detection of cold antihydrogen atoms, Nature. 419 (2002) 456-9
