Fyzici z CERNu našli spôsob, ako zachytiť atóm antivodíka dostatočne dlho, aby ho mohli preskúmať podrobnejšie. Portál Wired priniesol informáciu o vzrušujúcom výskume fyzikov zo Ženevského CERNu, ktorý detailnejšie popísali v žurnále Nature.

Ich práca bola zameraná na štúdium antihmoty, konkrétne dvojča atómu vodíka v podobe antivodíka.  Za pomoci komplexného experimentu ALPHA sa im ho podarilo zachytiť dostatočne dlho na to, aby ho mohli detailnejšie preskúmať.

Trošku teórie na začiatok

Ak sa pozrieme na naše dnešné chápanie fyziky častíc, zistíme, že vedci definujú pre každú časticu existenciu jej zrkadlového dvojčaťa. Takéto dvojčatá nazývame antihmota a príkladom by mohli byť elektróny, kvarky a mióny spárované s dvojčatami, ktoré nazývame pozitróny, antikvarky či antimióny.

Každá častica tak má svoje dvojča s rovnakou hmotnosťou, no vykazuje opačne nabitý elektrický náboj. Ak sa teda dvojčatá hmoty a antihmoty stretnú, dôjde k anihilácii, pri ktorej pôvodné častice zanikajú vo forme iného druhu energie. Tento proces je pomerne často sprevádzaný vznikom svetla. Príkladom by mohol byť blesk, ktorý vzniká počas búrok emitujúcich pozitróny, ktoré anihilujú s elektrónmi.

Takéto správanie je popísané takzvaným „Štandardným modelom“ fyziky častíc, no fyzici už dlhšie tušia, že nie je úplne presný. Fyzik Randolf Pohl z nemeckej Univerzity v Mainze hovorí, že „podľa Štandardného modelu by sme ani nemali existovať.“ Dôvodom je samotná anihilácia hmoty a antihmoty. Ak by platili pravidlá štandardného modelu, pri Veľkom tresku by vytvorený vesmír pozostával z rovnakého množstva hmoty a antihmoty.

Ako ďalej vysvetľuje Pohl, „hmota a antihmota by už dávno anihilovali a nezostalo by dosť hmoty na vytvorenie galaxií, hviezd, planét a ľudí.“ Vďaka štúdiu antihmoty sa tak vedci snažia prísť na to, prečo k tomu nedošlo. Preto sa aj fyzici v CERNe snažia zachytiť časticu antihmoty čo najdlhšie, aby mohli za pomoci nej nájsť vodítka k tomu, prečo v našom vesmíre prevláda práve hmota nad antihminotou.

Vodítka sa bohužiaľ nenašli, ale …

Fyzici v CERNe sa pri experimentoch ALPHA snažili o zachytenie antičastice vodíka, konkrétne antivodíka. Za pomoci špeciálnych nástrojov zahŕňajúcich magnety, kontajnery a lasery mohli častice antivodíka riadiť, zachytiť a študovať. V experimentoch sa zamerali na časť antivodíkového spektra, konkrétne na takzvané signatúry svetla, ktoré tieto kvantové častice emitujú.

Zobraziť celú galériu (3)

Prístroje používané pri experimente APLHA. Zdroj: Maximilien Brice/CERN

Na základe frekvencie a farby vyžarovaného svetla je totižto možné odhaliť vnútornú štruktúru antivodíka, ako je napríklad trajektória jeho pozitrónu pri obiehaní antiprotonóvého jadra. Pre účely pozorovania antivodíka fyzici využili urýchľovače častíc a iné nástroje, ktoré vyprodukovali antiprotóny a pozitróny.

Následne zmiešali asi 90 000 antiprotónov s 3 miliónmi pozitrónov v rovnakom okamihu pri teplote pol stupňa nad absolútnou nulou. To viedlo k produkcii asi 30 atómov antivodíka, ktoré vedci zhromaždili v dlhom vákuovom valci. Následne na nich nasmerovali pulzný laser, ktorý spôsobil vyžarovanie svetla.

Zobraziť celú galériu (3)

Na obrázku je možné vidieť valcovité zachytávacie médium pre neutrálnu antihmotu s priemerom 44,35 mm a axiálnou dĺžkou 280 mm, ktoré je umiestnené vo viacerých elektródach Penningovej pasce. Zároveň je obklopené oktupolovou cievkou, piatimi zrkadlovými cievkami a dvoma solenoidmi, z ktorých sú všetky supravodivé. Zdroj: Nature

Ta pomoci toho mohli vedci skúmať spektrum vyžarovaného svetla, pričom sa sústredili hlavne na jeho ultrafialovú zložku s presnosťou na 12 desatinných miest. Na základe experimentov fyzici zistili, že ako kvantový mechanický objekt sa pozitrón riadi zvláštnymi pravidlami.  Pohybovať sa môže iba po určitých trajektóriách vzhľadom na antiprotónové jadro. Tieto predpísané trajektórie súvisia s frekvenciami svetla v antivodíkovom spektre.

Pri experimentoch ALPHA teda fyzici zistili, že antivodík vykazoval identický Lambov posun s vodíkom, čo vlastne súhlasí s teóriou štandardného modelu fyziky častíc a hovorí, že dvojčatá hmoty a antihmoty by sa mali správať rovnako. To znamená, že tím fyzikov nenašiel žiadne nové vodítka o tom, prečo vesmír neanihiloval a vôbec existuje.

Zobraziť celú galériu (3)

Maximilien Brice, Julien Ordan/CERN

Stále sú však nadšení, pretože majú k dispozícii spôsob, akým môžu zachytiť atómy antihmoty, ktoré môžu naďalej skúmať aj z iných pohľadov a za pomoci odlišných prístupov. Napríklad, vedci si chcú teraz posvietiť na spôsob, akým antivodík padá. Štandardný model v skutočnosti nepredpovedá, ako by sa antivodík mal správať v gravitačnom poli Zeme, a niektorí vedci dokonca predpokladajú, že by mohol „klesať“ nahor. Veríme teda, že ich snaha bude úspešná a prinesú naozaj vzrušujúce objavy.