Vedcom v CERN-e sa podarilo uväzniť antihmotu. Aj desatina sekundy im môže stačiť na vyvrátenie modernej fyziky.
Antivodík
BRATISLAVA. Spisovateľ Dan Brown je všetko možné, len nie vizionár. Ale v jeho známej knihe Anjeli a démoni nielenže vedci z Európskej organizácie pre jadrový výskum (CERN) stvoria antihmotu, no prídu aj na systém, ako ju udržať v ako-tak stabilnom stave.
Antihmota má totiž pri kontakte s „bežnou“ hmotou sveta tendenciu anihilovať – teda uvoľní sa veľké množstvo energie a nastane čosi ako výbuch.
Desatina sekundy
V CERN-e sa teraz podľa magazínu Nature naozaj podarilo na chvíľku antihmotu „uväzniť“. Vedci síce dokázali antivodík vytvoriť už v roku 1995, teraz však vďaka experimentu ALPHA prišli na spôsob, ako pomocou magnetov túto antihmotu na krátky okamih – asi na desatinu sekundy – stabilizovať.
Časticoví fyzici tak môžu lepšie skúmať túto relatívne exotickú súčasť kozmu. Chcú zistiť, ako kozmos vyzeral krátko po veľkom tresku.
Na počiatku vesmíru totiž vznikla nielen hmota, ale aj antihmota – teda častice s opačným nábojom. Napríklad záporne nabitý elektrón má ako náprotivok kladne nabitý antielektrón, nazývaný pozitrón.
Záhadou však je, prečo po big bangu všetky takéto častice spolu neanihilovali a v kozme neostalo iba čisté žiarenie. Hmotný svet, ktorý nás obklopuje, je však dôkazom, že z nejakého dôvodu hmota nakoniec nad antihmotou prevážila.
„Z dôvodu, ktorému zatiaľ nikto nerozumie,“ hovorí podľa tlačovej správy CERN-u Jeffrey Hangst, fyzik a hovorca vedcov pracujúci na projekte ALPHA.
Mýlil sa Einstein?
Práve antivodík by mohol pomôcť odpovedať na otázku, prečo je svet hmotný. Nemusí to však byť jediná kľúčová otázka, ktorú si vedci kladú. Možno ešte dôležitejšia je tá, či je vôbec súčasná fyzika správna.
Magazín Science vo svojom internetovom vydaní špekuluje, že antivodíkové atómy by jedného dňa mohli vyhĺbiť zásadnú dieru v Einsteinovej teórii špeciálnej relativity. Kľúčom je porovnanie vodíka a antivodíka. Hypotézy hovoria, že musia mať rovnaké spektrum.
Ak sa ukážu rozdiely, môže to mať zničujúce dôsledky pre viaceré fyzikálne teórie. Znamenalo by to aj, že Albert Einstein sa mýlil a jeho špeciálna teória relativity nie je v poriadku.
Špeciálna relativita totiž predpokladá istú symetriu, ktorá hovorí, že fyzikálne zákony a následne výsledky pokusov sú stále a nezávislé od pozorovateľov (ktorí sa pohybujú vzhľadom na seba rovnomerne a priamočiaro).
Táto (Lorentzova) symetria však priamo predpokladá ďalšiu symetriu (CPT): práve to, že antičastica je obrazom svojej častice. Ak to neplatí, neplatí ani Lorentzova symetria pozorovateľov, a následne neplatí ani špeciálna teória relativity.
„Ak sa ukáže, že tieto symetrie sú narušené, niekto získa Nobelovu cenu,“ dodal pre Science Hangst.
Ak by naše fyzikálne teórie neboli správne, fyzici sa nemusia báť, že by boli nezamestnaní, hovorí jadrový fyzik Jozef Masarik z Katedry jadrovej fyziky a biofyziky UK.
V čom je izolovanie antivodíku dôležité?
„Vytvorenie atómu antivodíka nám dáva nádej, že by sme mohli preskúmať jeho vlastnosti a to by nám mohlo objasniť veci súvisiace s tým, prečo je svet vytvorený len z hmoty a nie z antihmoty. Z modelov vyplýva, že po veľkom tresku by hmota a antihmota mali byť v rovnakom množstve. V súčasnosti vo vesmíre pozorujeme hmotu a antihmota sa niekde stratila. Presné zmeranie vlastností antiovodíka by nám práve túto skutočnosť mohlo vysvetliť."
Špekuluje sa, že vodík a antivodík nemusia mať rovnaké spektrum. To by znamenalo, že neplatí napríklad špeciálna teória relativity.
„Nielen Einsteinova špeciálna teória relativity, ale celý náš štandardný model fyziky elementárnych častíc. Ten je založený na takzvanej CPT teoréme. Keby neplatila, museli by sme celú fyziku elementárnych častíc a na to nadväzujúce disciplíny prerábať. Museli by sme vytvoriť novú fyziku."
Predpokladajme, že rozdiely sa nájdu a fyzika nie je správna. Čo potom?
„Ak by naše fyzikálne teórie neboli správne, fyzici sa nemusia báť, že by boli nezamestnaní. Budú mať robotu: tie teórie nejakým spôsobom zmeniť. Akým smerom to však pôjde, závisí od charakteru nájdených odlišností. Všetci fyzici budú hľadať aj iné javy, v ktorých by sa tieto rozdielnosti mali prejaviť."
Antičastice pozorovali už v 50. rokoch. Prečo sa až teraz podarilo urobiť antivodík ako-tak stabilným?
„V CERN-e neurobili antivodík stabilným. Antivodík stabilný nie je, vedci však dokázali antivodík udržať v takom stave, aby nezreagoval s okolitou hmotou v dostatočne dlhom čase. Keď antivodík vznikne, v priebehu niekoľkých mikrosekúnd sa stretne s hmotou - v tomto prípade so stenami prístroja.
Vedci pomocou dômyselnej konštrukcie magnetických polí dokázali antivodík udržať ďaleko od stien. Schladili ho na veľmi nízku teplotu, vďaka čomu sa pohyboval veľmi pomaly. Magnetické pole ho obmedzilo na určitý priestor a trvalo mu zhuba desatinu sekundy, kým sa dostal k stenám a interagoval.
V magnetickom poli nie je problém udržať antiprotóny či pozitróny, ale keď sa spoja, vznikne neutrálny atóm antivodíka a tento atóm už nemožno držať v priestore elektrickými silami, keďže má nulový elektrický náboj. No má nenulový magnetický moment ktorý interaguje s magnetickými poliami. To umožňuje, aby antivodík bol dlhšiu dobu v priestore."
Aké budú ďalšie kroky?
„Urobili 38 atómov. Budú sa snažiť vyrobiť väčšie množstvá antivodíka a bude treba pracovať na dlhšom udržaní atómov v priestore. No cieľom výskumu bude zmerať ich spektrálne čiary a porovnať ich s vodíkom. To meranie musí byť veľmi presné, rádovo sa môže líšiť na štrnástom, pätnástom mieste za desatinnou čiarkou. To znamená, že bude potrebné atóm udržať ešte dlhšie.
Samozrejme ak sa odlišnosti nájdu, potom sa budú teoretici snažiť o vysvetlenie, prečo sme ich pozorovali. A experimentátori sa budú snažiť o údaje s čo najväčšou presnosťou, aby sa vylúčilo, že rozdiely môže spôsobovať proces merania."