Vědci poprvé naložili antihmotu na náklaďák a chvíli ji povozili

Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.

Dne 24. března se po areálu evropského výzkumného střediska CERN u Ženevy vydal na cestu nákladní vůz s neobvyklým nákladem. Na korbě vezl zařízení o hmotnosti jedné tuny. Uvnitř bylo v magnetickém a elektrickém poli, ve vakuu a chladu blízkém absolutní nule uvězněno 92 antiprotonů – částic, které se při sebemenším kontaktu s běžnou hmotou přemění na záblesk záření a zmizí.

Zaměstnanci CERN lemovali trasu s telefony v rukou. Náklaďák objel areál, urazil přes osm kilometrů a po zhruba půl hodině dorazil do cíle. Antiprotony přežily. Experiment BASE pak s přepravenými antičásticemi pokračoval v práci, jako by se nic nestalo. „Je to něco, co lidstvo dosud nikdy neudělalo,“ řekl pro časopis Nature Stefan Ulmer, mluvčí experimentu a fyzik z Heinrich Heine University v Düsseldorfu. Tým prý nakoupil hodně šampaňského a pozval celou komunitu výzkumníků antihmoty na společnou oslavu.

CERN zůstává jediným místem na světě, kde se antiprotony vyrábí v použitelném množství. Dva po sobě řazené zpomalovače – Antiproton Decelerator a navazující prstenec ELENA – snižují energii antiprotonů natolik, aby s nimi šlo pracovat. Dosud musely všechny experimenty s antihmotou probíhat v jedné hale na předměstí Ženevy. Březnový převoz tuto zásadní bariéru poprvé prolomil.

Myšlenka přepravy antihmoty evokuje hollywoodské scénáře. Film Andělé a démoni pracoval s představou, že by ukradená antihmota mohla zničit Vatikán - při kontaktu s běžnou hmotou se měla dokonale proměnit na obrovské množství v procesu známém všem jako anihilace.

Realita je střízlivější, jak upozorňuje Tomáš Jakoubek z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, který v CERN pracuje na analýze dat experimentu LHCb: „Stěhovalo se 92 antiprotonů v zařízení o hmotnosti tuny, což je množství materiálu mnohomilionkrát menší než zrnko písku.“

Může se to zdát málo, ale 92 antiprotonů je pro experiment BASE dostatek materiálu na více než rok práce. Zároveň je to ale tak mikroskopické množství, že experiment byl naprosto bezpečný. „Při anihilaci 92 antiprotonů se uvolní energie velká asi jako když prnko písku spadne z 1 cm na zem, “ říká Tomáš Jakoubek. „Což je málo na zničení čehokoli, natož pak Vatikánu.“ I v případě nárazu a anihalace všech přepravovaných částic by šlo o zanedbatelnou událost, kterou by pouhým okem nebylo možné pozorovat. K něčemu takovému by antičástic bylo zapotřebí o mnoho, mnoho řádů více (o více než 10 řádů více).

Přeprava antihmoty i tak představuje mimořádný technický výkon. Zařízení s názvem BASE-STEP (Symmetry Tests in Experiments with Portable Antiprotons) je v podstatě přenosná „magnetická past“ (tzv. Penningova past). Princip je jednoduchý: Supravodivý magnet vytváří silné magnetické pole, které nutí nabité antičástice do kruhového pohybu podél siločar. Elektrické pole, generované napětím na soustavě pozlacených měděných elektrod, je zároveň stahuje zpět do středu komory. Antiprotony tak zůstávají zavěšené v prostoru a nedotknou se ničeho hmotného.

Komora je chlazena kapalným heliem na teplotu 8,2 kelvina, tedy asi -265 stupňů Celsia. Při tomto chladu jakýkoli zbytkový plyn namrzá na stěny a uvnitř panuje hluboké vakuum, ve kterém mohou antiprotony přežívat měsíce, aniž by narazily na jedinou molekulu běžné hmoty. Experiment BASE ostatně drží dlouhodobý rekord: Antiprotony dokázal uchovat déle než rok.

Celá aparatura měří necelé dva metry na délku, metr na šířku a 165 cm na výšku. Váží kolem tuny, projde běžnými laboratorními dveřmi a dá se naložit vysokozdvižným vozíkem. Její rám je zkonstruovaný tak, aby snesl zrychlení odpovídající jednonásobku gravitace ve všech směrech a zvládl stoupání do deseti procent. Na autonomní provoz bez externího napájení vydrží čtyři hodiny.

Loni proběhl testovací převoz s obyčejnými protony, který ověřil, že systém funguje. Březnový pokus s antiprotony byl ale zásadním skokem: Vědci museli antičástice vyrobit, naložit do přenosné pasti, odpojit ji od laboratorní infrastruktury, převézt a po příjezdu z ní zase „vyčerpat“ užitečný signál, aniž by kdykoli došlo k narušení vakua. Výsledky experimentu vyšly v Nature.

Vědci antihmotu neodvážejí z CERN jen pro zábavu. V největší fyzikální laboratoři světa nemohou dost přesně měřit. Experiment BASE se zaměřuje na precizní měření vlastností antiprotonů, především jejich magnetického momentu a poměru náboje k hmotnosti, a na srovnání těchto hodnot s vlastnostmi běžných protonů. Dosahuje přitom přesnosti šestnácti biliontin – jde o nejpřesnější testy podobností mezi hmotou a antihmotou, jaké kdy byly provedeny.

Jenže „továrna na antihmotu“ v CERN je hlučné místo. Zpomalovač antiprotonů a další zařízení v hale vytvářejí magnetický „šum“. Není silný, je asi dvacettisíckrát slabší než magnetické pole Země a venku za budovou prakticky neměřitelný. Pro přesnost, jakou BASE potřebuje, je to ale nepřekonatelná překážka.

„V produkční hale vzniká příliš mnoho ruchů a signálů,“ vysvětluje Tomáš Jakoubek. „Fluktuace magnetického pole znemožňují tak přesná měření, jaká by si fyzikové představovali.“ Transport je tedy nutný – a jakmile se jednou rozhodnete antičástice odvézt, na vzdálenosti už vlastně nezáleží.

Prvním cílem je nová laboratoř na Heinrich Heine University v Düsseldorfu, zhruba 700 kilometrů od CERN. Cesta by trvala nejméně osm hodin, což znamená, že bude potřeba na náklaďák přidat generátor pro pohon kryochladiče – supravodivý magnet musí zůstat pod hodnotou 8,2 kelvina po celou dobu přepravy.

Zahájení měření v Düsseldorfu se plánuje kolem roku 2029 a přesnost by se měla zvýšit desetkrát až tisíckrát oproti současnému stavu. Největší výzvou nebude samotná jízda, ale okamžik příjezdu: Přečerpat antiprotony z přenosné pasti do laboratorního experimentu tak, aby žádný z nich nezanikl.

Měření vlastností antiprotonů s extrémní přesností není samoúčelné cvičení. Souvisí s jednou z nejzákladnějších otevřených otázek fyziky: Proč je náš vesmír tvořen převážně hmotou, ne rovným dílem hmotou a antihmotou.

Antihmota je v podstatě zrcadlovým obrazem běžné hmoty. Skládá se z částic, které mají opačný elektrický náboj a opačné hodnoty dalších kvantových vlastností. Antiproton má záporný náboj tam, kde proton kladný. Pozitron, tedy antielektron, je naopak kladně nabitý. Ve všem ostatním by si měly být obě verze hmoty prakticky rovny – a právě slůvko „prakticky“ je klíčové.

Podle současných modelů měly obě látky po velkém třesku, tedy před zhruba 13,8 miliardy let, vzniknout ve stejném množství. Prakticky veškerá hmota a antihmota se vzájemně přeměnila na záření, tedy v procesu anihilace. Ale nestalo se tak úplně dokonale: Na každou zhruba miliardu anihilujících párů přežila jedna částice běžné hmoty. Z toho nepatrného přebytku je celý náš vesmír – hvězdy, galaxie, planety, my sami.

Proč hmota převážila, popsal v roce 1967 sovětský fyzik Andrej Sacharov prostřednictvím tří nutných podmínek. Musí existovat procesy, které porušují zachování takzvaného baryonového čísla. Musí být porušeny určité symetrie mezi hmotou a antihmotou (konkrétně nábojová symetrie a nábojově-paritní symetrie, v odborné řeči C a CP). A vesmír musí být mimo stav termální rovnováhy, protože v rovnováze se jakákoli asymetrie automaticky vymaže.

Zjednodušeně řečeno: Aby hmota mohla zvítězit, musely v raném vesmíru existovat procesy, které zacházely s hmotou a antihmotou trochu odlišně, a tyto procesy musely proběhnout v době, kdy se vesmír bouřlivě rozpínal a chladl. Dnešní teorie, takzvaný standardní model částicové fyziky, nám stačí jen částečně – nedokáže toho vysvětlit dost.

„Podle standardního modelu se hmota a antihmota v některých případech chovají odlišné, ale rozdíl mezi nimi je podle teorie výrazně menší, než jaký musel být, aby náš vesmír mohl vypadat tak, jak vypadá,“ shrnuje to jednoduše Tomáš Jakoubek. Věda nejspíše potřebuje nějakou teorii „za“ dnešními představami o světě částic (tzv. standardním modelem).

Něco, co by ho nahradilo tam, kde zjevně selhává. Můžeme si to představit podobně, jako když v minulosti einsteinovská fyzika se svými hrátkami kolem rychlosti světla a gravitace doplnila klasickou newtonovskou fyziku, jakou známe ze školy. Newtonovu mechaniku stále používáme tam, kde stačí. Ale zároveň máme nástroje, které lze místo ní používat tam, kde nestačí, třeba při vysvětlení extrémních astronomických jevů. Stejně tak bychom potřebovali „novou fyziku“ za standardním modelem.

Z toho důvodu se měří vlastnosti antiprotonů s přesností na biliontiny. Jakýkoli sebemenší rozdíl oproti protonům by byl porušením CPT symetrie, tedy jednoho z nejzákladnějších principů dnešní fyziky, a mohl by být vodítkem k oné „nové fyzice“, která přesahuje standardní model.

Vědci antihmotu zkouší vyrábět už od 50. let minulého století. Nejprve šlo jen o jednotlivé částice – pozitrony a antiprotony. Vytvořit opravdový antiatom, byť ten nejjednodušší, antivodík, se poprvé podařilo až v roce 1995 právě v CERN.

Zlomovým momentem výzkumu pak bylo zachycení antihmoty. V roce 2010 se týmu projektu ALPHA v CERN poprvé podařilo udržet atomy antivodíku v magnetické pasti – několik desítek atomů na zlomky vteřiny. O rok později oznámili, že antivodík udrželi už tisíc sekund, tedy asi šestnáct a půl minuty. Stačilo to, aby se antiatomy „uklidnily“ a seskákaly do základního stavu, v němž je lze přesněji měřit.

Na podzim 2023 experiment ALPHA-g poprvé změřil, jak antivodík reaguje na gravitaci. Fyzici nechali zchlazené antiatomy unikat z vertikální pasti a sledovali, kterým směrem odlétají. Výsledek publikovaný v Nature potvrdil, že antihmota padá dolů, stejně jako běžná hmota – nikoli nahoru, jak občas spekulovaly okrajové teorie. Experiment ale zatím nedosahoval přesnosti potřebné k odhalení subtilních rozdílů do jednoho procenta, které některé „exotické“ fyzikální teorie připouštějí, natož případně rozdíly menší.

A letos v březnu antihmota poprvé opustila místo svého vzniku. Za patnáct let se výzkum posunul od „udržet neudržitelné“ přes „změřit neměřitelné“ k „převézt nepřevozitelné“.

Nešlo by to ovšem bez tunové aparatury, supravodivých magnetů a vakua hlubšího než v mezihvězdném prostoru. A nutná byla i naděje, že pár částic, které nikdo nikdy neuvidí ani neucítí, nám může pomoci odpovědět na otázku, proč se vůbec můžeme na něco ptát.

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.