Hmota nie je len jedna a antihmota je popri tmavej hmote už roky témou, ktorá fascinuje vedcov po celom svete. Každý atóm vo vesmíre má svoj „anti- náprotivok“, ktorý je jeho zrkadlovým obrazom, len s opačným znamienkom elektrických nábojov.

Podľa Branislava Sitára by z antihmoty mohol byť teoreticky zložený aj iný svet, ktorý by sa však musel nachádzať v inom priestore. Hmota a antihmota sa totiž navzájom vylučujú – doslovne.

Štrnásť antiatómov je úspech

Protóny majú antiprotóny, elektróny zase pozitróny a dokonca aj jadrá majú svoje antijadrá. Antiatómy pritom vedia vedci v CERNe už niekoľko rokov aj vyrobiť. V centre pozornosti je teraz antivodík, ktorý tvoria z pozitrónov a nízkoenergetických antiprotónov.

Problémom antihmoty je, že je vysoko nestabilná a dá sa vyrobiť len vo vysokom vákuu. „Musíte ju tiež udržovať vo vysokom magnetickom poli a v pohybe, pretože keď ju zastavíte, tak máte problém – anihiluje s hmotou a zmení sa späť na energiu,“ vysvetlil vedúci Bratislavskej skupiny na experimente ALICE v rozhovore pre náš portál.

Nestabilnosť antihmoty spôsobuje, že je takmer nemožné ju preskúmať. Vedci preto len postupne a po dlhom úsilí nachádzajú riešenia, ako spoznať jej konkrétne vlastnosti. „Každý prvok môže teoreticky mať svoj antiatóm, ale prakticky je veľmi ťažké vyrobiť už len ten najjednoduchší atóm – antivodík,“ vysvetlil nám Ivan Melo z Katedry fyziky Elektrotechnickej fakulty Žilinskej univerzity.

Experiment ALPHA, ktorý prebieha na Antiprotónovom spomaľovači v CERNe je v tomto smere výnimočný tým, že dokáže antivodíkové atómy nielen vytvoriť, ale aj uväzniť – v špeciálne navrhnutej magnetickej pasci. Vďaka tomu vedci majú možnosť antiatómy skúmať, a to pomocou laserov a iných zdrojov žiarenia.

„Využitie lasera na pozorovanie prechodu v antivodíku a jeho porovnanie s vodíkom, aby sme videli, či v oboch platia rovnaké fyzikálne zákony, bolo vždy kľúčovým cieľom vo výskume antihmoty,” uviedol v tlačovej správe experimentu Jeffrey Hangst, hovorca kolaborácie ALPHA.

V jednom pokuse v CERNe dokážu vyrobiť zhruba 25 000 antivodíkových atómov, ktoré však môžu byť uväznené len ak sa v momente produkcie pohybujú dostatočne pomaly. Momentálne vedia počas jedného pokusu vedci uväzniť zhruba 14 antiatómov, čo je možné vďaka novej metóde spájania antiatómov. Predtým sa im darilo uväzniť iba jeden až dva antiatómy za pokus.

„Drvivá väčšina atómov antivodíka totiž hneď anihiluje s hmotou a premení sa na fotóny,“ približuje Ivan Melo. „Aj preto sa na štúdium antihmoty vo finálnom štádiu používa práve Antiprotónový spomaľovač. Antihmotu musíte spomaliť, ak ju chcete študovať.“

Antiatómy pod svetlom lasera odhaľujú svoje spektrum

Keď elektróny, ktoré v atóme obiehajú okolo jadra, prechádzajú z jednej orbity na druhú, pri špecifických vlnových dĺžkach absorbujú, alebo naopak vyžarujú svetlo. Tieto vlnové dĺžky pritom tvoria takzvané spektrum atómu, ktoré vedci dokážu merať.

Spektroskopia pomáha fyzikom, astronómom, či chemikom pochopiť vnútornú štruktúru atómov a molekúl a presnejšie ich charakterizovať. Vodíkové spektrum je už pomerne dobre preskúmané, no s tým antivodíkovým to nebolo tak jednoduché.

Tím experimentu ALPHA. Foto: CERN/Brice, Maximilien

Podľa Štandardného modelu majú antičastice rovnaké hmotnosti ako častice, ale presne opačné elektrické náboje. Antiprotón má teda záporný náboj a pozitrón kladný náboj. Ich spojením vznikne antivodík, ktorý má nulový náboj rovnako ako vodík a tiež má rovnakú hmotnosť a mal by mať aj rovnaké spektrum,“ vysvetľuje Ivan Melo.

To, či má vodík rovnaké vlastnosti ako antivodík je predmetom výskumu v CERNe už 20 rokov a po rokoch práce sa vedcom v experimente ALPHA podarilo uväzniť dostatok antivodíkových atómov, ktoré osvetlili laserovým zväzkom s presnou frekvenciou. Vďaka tomu mohli sledovať prechody v antiatómoch. 

Rozdiely by porušili základné princípy, no vysvetlili záhadu

Hmota a antihmota v našom vesmíre nie sú v rovnováhe. „Všade, kam sa vo vesmíre pozrieme, vidíme hmotu. Antihmota, ktorá bola krátko po Big Bangu prítomná v takmer rovnakom množstve ako hmota, zmizla,“ hovorí Ivan Melo.

Táto dominancia hmoty nad antihmotou je pre vedcov záhadou. Ak by však medzi vodíkovým a antivodíkovým spektrom vedci odhalili čo i len najmenší rozdiel, mohlo by to dôvody tejto záhady poodhaliť. Napriek tomu, že by takýto rozdiel porušil základné princípy fyziky.

Experiment ALPHA je prvým, v ktorom sa vedcom podarilo spektrá porovnať. Podľa ich výsledkov sa zatiaľ zdá, že sa antihmota správa rovnako ako hmota, keďže medzi spektrálnymi čiarami v atómoch antivodíka a vodíka nenašli rozdiel. To podporuje platnosť Štandardného modelu časticovej fyziky, ktorá však bude v nasledujúcich rokoch ešte viackrát testovaná. 

Unikátny experiment má totiž v meraní antivodíkového spektra len obmedzenú presnosť, ktorá by sa mala postupne zvyšovať. Ďalšie merania by preto mohli priniesť aj odlišné výsledky.

Video: CERN Video Productions/Jacques Fichet