Okno do antisvěta aneb

jak najít a získat antihmotu, budeme ji umět využít?

„Náznak další poruchy,“ rychle pronesl Spock. „Výkon energetického zdroje narůstá exponenciálně. Přetížení a náhlá přeměna veškeré antihmoty na energii proběhne za …".

Gene DeWeese: Star Trek – Enterprise v ohrožení

1. Úvod.

2. Základní vlastnosti hmoty a antihmoty.

2.1 Struktura hmoty. 2.2 Co to antihmota je? 2.3 Jaké jsou její hlavní vlastnosti.

3. Kde a jak antihmota vzniká?

3.1 Existence antihmoty ve vesmíru 3.2 Umělá produkce antičástic a antijader. 3.3 Produkce antiatomů a dalších systémů.

4. Využití antihmoty

4.1 „Anti“ - zrcadlo našeho světa. 4.2 Antihmota v medicíně. 4.3 Zdroj energie pro vesmírné lety?

5. Jak vznikla asymetrie mezi hmotou a antihmotou.

6. Závěr.

Vladimír Wagner

Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/

Teoretická předpověď antičástic – Paul Dirac

Relativistické kvantové pohybové rovnice pro elektron → řešení pro kladnou i zápornou hmotnost → nový typ částic Q → -Q → předpověď pozitronu

Objev pozitronu v kosmickém záření C. D. Andersonem - 1932 Paul Dirac Objev antiprotonu 1955 E.G. Serge a O. Chamberlain – speciálně vybudovaný urychlo-vač BEVATRON (Berkeley) – protony téměř 6 GeV (pevný terč) → těsně pod minimem

Úvod

Detekce anihilace antiprotonu ve fotografické emulsi

Zdroj energie pro BEVATRON

Detektor pro první antiproton

p + anti-p → 2 mpc2 = 1,88 GeV. Využití Fermiho pohybu nukleonů v jádře. p + p → p + p + p + anti-p

Zkoumání vlastnosti antičástic:

Stále výkonnější urychlovače →Produkce antičástic, antijader i antiatomůRozdíly částic a antičástic

Následující léta – urychlovače zdrojem řady dalších antičástic ke známým částicím

Setkání částice a antičástice → anihilace

Nyní?! V budoucnu?!

Hledání antihmoty ve vesmíru Praktické využití?

současný urychlovač protonů i jader v Berkeley

C.D. Anderson E.G. Segre O. Chamberlein

Pozorování antineutronu - 1956

Částice a antičástice

Každá částice má „symetrického“ partnera s opačnou hodnotou nábojů

kvarky antikvarky

leptonyelektron, mion, tauon

antileptonypozitron, antimion, antitauon

hadrony antihadrony

baryony antibaryonymezony antimezony

jádra antijádra

atomy antiatomy

hmota antihmota

qqqqq qqqqqproton, neutron … pí mezony, K mezony … antiproton, antineutron … pí mezony, K mezony …

hvězdy antihvězdy ???

svět antisvět ???Pozor na anihilaci !!

Hmota a antihmota může tvořit i metastabilní útvar

&

Urychlovač (LHC v CERNu) – produkce antičástic Systém detektorů (budování experimentu CMS)- detekce a zkoumání antičástic

Ve většině případů nutná produkce ve dvojicích částice – antičástice( nutné pro dodržení platnosti zákonů zachování )

Produkce antičástic – srážky při velmi vysokých energiích

Stěžejní nástroj – srážka urychlených částic

Nárůst energie → produkce většího množství antičástic

Největší urychlovače E ~ 100 GeV

Dokončuje se ještě větší LHC s vstřícnými svazky 7 000 GeV

Antisvět – zrcadlo našeho světa

Anihilace – při setkání hmoty a antihmoty dojde k jejich zániku, její klidová energie se mění na jinou formu energie

Stejné velikosti hodnot veličin pouze opačné znaménko u nábojů

Existujeme → musí existovat rozdíl mezi hmotou a antihmotou

Kreace – možnost vzniku páru částice a antičástice při dodání příslušné energie

Úzké spojení se symetriemi

C - nábojové sdružení – záměna částic za antičástice P – prostorové zrcadlení – zrcadlové zobrazení

T – časová inverzeRozlišení antisvěta v zrcadle od našeho světa

(hmotnost, doba života, spin, velikost náboje, magnetického momentu ...)

Anihilace

Setkání hmoty a antihmoty – anihilace → přeměna hmoty na fotony a mezony → mezony se rozpadají v konečném důsledku na fotony a neutrina → uvolnění energie:

E = mc2

přeměna klidové hmotnosti (energie) na energii → nejkompaktnější zdroj energie

Počátek vesmíru → téměř shodné množství hmoty a antihmoty → obrovská anihilace (vzniká reliktní záření) – malý přebytek hmoty zůstává

Největší anihilace v našem vesmíru nastala na jeho počátku a jejím pozůstatkem je reliktní záření

Velká anihilace v představách tvůrců seriálu Star Trek

Jak antihmotu získat?Přírodní zdroje částic antihmoty:

Umělé zdroje částic antihmoty:

1) Rozpad beta plus – zdroj pozitronů

2) Kosmické záření – srážka částic (jader) s vysokou energií → zdroj široké palety antičástic – hlavně antiprotony, vznik těžších antijader nepravděpodobný

1) Urychlovače – podobně jako u kosmického záření – velmi vysoké energie, produkce v

páru, urychlení na rychlosti v ≈ c

Jak antihmotu skladovat?Uchovávání antičástic pomocí magnetického pole v podobě nabitých částic - plazmy → magnetické prstence, magnetické pasti – dnes až několik měsíců

Část zařízení LEAR pro produkci pomalých antiprotonů (protonový urychlovač v CERNu)

akumulační prstenec ISR v CERNu (Ženeva)

Existence antihelia by byla důkazem antihvězd

Let STS 1991 v červnu 1998

J. L. Kavandi F. R. Chang-Diaz

Spektrometr AMS-01Studium prvkového složení, hledání antijader

nenalezeno ani antihelium

Hledání těžších antijader a antihmoty ve vesmíru

Spektrometr a raketoplán Discovery

Nový spektrometr AMS-02: supravodivý magnet 0,8 T, několik let na ISS - zdržení

Známkou existence antihmoty je i anihilace na místech rozhraní mezi hmotou a antihmotou → produkce záření gama

nic takového nepozorováno

Produkce antijaderSrážky těžkých jader → velmi vysoká teplota a hustota.

Dostatek energie → vytváření páru částice antičásticeHodně antiprotonů a antineutronů → možnost slepení jednotlivých antinukleonů → vytvoření antijader

Pozorovány antideuterony, antitritony a anti 3He

Experiment NA52 v CERNu. Poměr mezi antideuterony a antiprotony 3 : 10000

Možnost připravit jen nejlehčí jádra

V budoucnu se čeká:Pro produkci těžších jader – dostatečná hustota pomalých antiprotonů – reakce podobné těm ve hvězdách

Zdroje antiprotonů (urychlovače) & akumulátory (pasti na antiprotony – antiprotony ve formě plazmy ) & dostatečná teplota a hustota plazmy → termojaderné reakce antihmoty

Jak získat antiatomy – hon za antivodíkem:Problém: 1) antiproton a pozitron blízko sebe 2) jejich vzájemná rychlost musí být malá

Řešení:Využití kreace páru pozitron elektron při pohybu nabité částice v poli jádra → pozitron je vytvořen spolu s elektronem samotným antiprotonem → pozitron zachycen (pravděpodobnost 10-19)

Princip přípravy antivodíku v experimentu s rychlými antiprotony

První antivodík připraven v CERN v r. 1996 (experiment PS210)Pouze 9 atomůOpakování FERMILAB – 100 atomů

Identifikace:Antivodík – neutrálníPozitron - anihilaceAntiproton – změřením poměru hmotnosti a náboje

Magnet odklánějící antiprotony

Produkce většího množství chladného antivodíku:

Jeden případ anihilace antivodíku - vznik 4 mezonů (p+ anti-p) a 2 (e+ e+)

Antiprotony ze zpomalovače se dále zpomalí chladnými elektrony v první magnetické pasti Pozitrony z rozpadu 22Na jsou zpomaleny ve druhé pasti

Ve třetí pasti se antiprotony a pozitrony smíchajíNeutrální antivodík z ní vyletí a na stěnách anihiluje

Rok 2002 - ATHENA produkuje prvních 50000 antivodíků

Experiment ATHENA v CERNu pro produkci antivodíku a detekci jeho anihilace

Zlepšování produkce, pochopení mechanismu vzniku, ...

Současná produkce až miliony antivodíkových atomů.

Dlouhodobé zkoumání další past pro neutrální částice schopná udržet antivodík díky jeho magnetickému momentu

Pokračováním projektu ATHENA je projekt ALPHA (2006):

Pomocí laserů výzkum přechodů mezi vzbuzenými stavy atomy antivodíkuNutnost ochlazení antivodíku na teplotu 15 mK

Chladící zařízení projektu ALPHA

Velmi precizní spektroskopie mezi základním a prvním vzbuzeným stavem (10-18)

Velmi přesný test CPT symetrie

Základem je zpomalovač antiprotonů

Vázané systémy částice a antičástice

Protonium – vázaný systém protonu a antiprotonu

Antiprotonový vodík – vodíková molekula H2+ zachytí antiproton

Jejich zkoumání již také probíhá – daří se je produkovat – je třeba je také udržet déle

Pozitronium – vázaný systém elektronu a pozitronu

Exotické systémy (vázané elektrickou silou)

Běžné (vázané silnou interakcí) – mezony – spojení kvarku a antikvarku – doba života až desítky ns (10-8s)

Molekuly pozitronia – vázaný systém dvou pozitronií – vznik v pórech porézního křemíkuMožná využití pro gama laser

Parapozitronium – orientace spinu elektronu a pozitronu proti sobě → rozpad na dva fotony → doba života 0,125 ns

Orthopozitronium – orientace spinu souhlasná → rozpad na tři fotony → doba života 142 ns

Vázaný systém - antimion – elektron

Sestava pro přípravu molekul pozitronia

K+

πK0

π0

π+

ππ0

π0

Snímek experimentu a přívodu svazku antiprotonů k experimentu ASACUSA (zdroj CERN)

Antiprotonové helium (atomkule) – systém helia a antiprotonu – některé vybuzené stavy žijí déle → lépe se studuje

Vázané systémy mezonu a antimezonu

Studuje je experiment DIRAC

Ani

hila

ce v

ázan

ých

syst

émů

mez

onu

a an

timez

onu

Přesnost měření rovnosti setrvačné hmotnosti protonu a antiprotonu až 9 platných cifer

Zkoumání rozdílu mezi hmotou a antihmotou

Zkoumání vyzařování (energetických hladin) atomu antivodíku

Chování antivodíku v gravitačním poli Země – rozdíl „gravitační hmotnosti“ hmoty a antihmoty

Testy CPT symetrie

Testy principu ekvivalence obecné teorie relativity

past na antiprotony a pozitrony experimentu ATRAP → výrobaantivodíku

Porovnávání vlastností (rozpadů) částic a antičástic

Produkce antiprotonu (zdroj CERN)

Výroba antivodíku (zdroj CERN)

K čemu antihmota?V současné realitě: pozitronová emisní tomografieRadioaktivní izotopy s pozitronovým rozpadem → anihilace pozitronu v klidu → vznikdvou fotonů (kvant záření gama) letících v opačném směru → jejich zachycením určení polohy

Mozek čte Mozek poslouchá

Velmi dobré prostorové rozlišení ( 2 mm ), stále nové sloučeniny pro PET kamery (systémy Pozitronové Emisní Tomografie)

PET kamera v GSI Darmstadt

Vložení radioaktivního izotopu do sloučeniny usazující se ve studovaném orgánu (přesná diagnostika a medicinský výzkum): 1) Určení polohy a rozměru rakovinného nádoru 2) Účinnost ozařování při použití těžkých iontů (10C, 11C) 3) Určení prokrvené a neprokrvené části 4) Určení toho, která část mozku zrovna pracuje

Testy využití anihilace antiprotonů při ozařování nádorů

Anihilace – přeměna klidové energie na fotony (energii) → antihmota – nejúčinnější zdroj energie – vysoký specifický impuls

Ekvivalent pohonu raketoplánu – ~ 100 mg antihmoty

Účinnost výroby antiprotonů (nyní) – 105 protonů (Ep=120 GeV) na jeden antiproton → 1,2∙107 GeV/antiproton → 1,16∙1021 J/g . Efektivita 10-8.

Výroba antihmoty (chybí doly na antihmotu):

Současné metody umožňují – zlepšení o 3-4 řády

Nyní v CERNu a Fermilabu – 10 ng antiprotonů za rok

Mezihvězdná loď AIMstar projektovaná na Pensylvanské universitě

Enterprise zatím léta jen ve SCI-FI – zdrojem energie pro její pohon je kapalný antivodík

Skladování – magnetická a elektrická pole

Projekty - zatím jen na papíře

Mikrofúze inicializovaná lasery, antihmotou

Projekt fúzně poháněné sondy využívající proinicializaci antiprotony skladované v magnetickémprstenci.

Nejpropracovanější projekt Pensylvánské university – ICAN-II

využívaly by se reakce deuteria a tritia inicializované antiprotony

Možnosti a problémy k řešeníHlavní problémy:

1) Efektivní produkce – specializované urychlovače na produkci antiprotonu a zpomalovače pro jejich zpomalení a ochlazení – nutný dostatek energie

Produkce při vesmírných vysokoenergetických procesech (výtrysky v průběhu akrece hmoty na kompaktní objekty ...) – možné doly na antihmotu

2) Efektivní uchovávání: V podobě plazmy (nabitých částic) v magnetickém poli – výhodou je jednoduchost (v současnosti dokážeme udržet plazmu řadu měsíců, nevýhodou malá hustota

V podobě kapalného antivodíku – výhodou je vysoká hustota, nevýhodou zatím nevyřešený problém oddělení antihmoty od hmoty

Vhodné pro velké kosmické lodi – různé typy anihilačních motorů: 1) S pevným jádrem – velice efektivní využití energie, menší výtokové rychlosti 2) S plynným nebo plazmovým jádrem – vyšší výtokové rychlosti 3) S paprskovým jádrem – nejvyšší výtokové rychlost, nutné dlouhé trysky (dolet relativistických mezonů před rozpadem)

Proud hmoty z centra galaxie M87 - foto Hubblův teleskop

Proč je v současném vesmíru pouze hmota a ne antihmota?

Existujeme – jsme složení z hmoty vše nezanihilovalo → v minulosti musel vzniknout přebytek hmoty nad antihmotou ← původní rozložení hmoty a antihmoty homogenní (z reliktního záření)

Baryonová asymetrie = poměr mezi počtem baryonů (nukleonů) a fotonů reliktového záření (předpoklad: reliktní fotony vznikly při anihilaci) nb/nγ = 10-9. Platí zákon zachování baryonového čísla → neměnnost počtu baryonů

Baryonovou asymetrii nelze vysvětlit v rámci standardního modelu

Tři podmínky vzniku baryonové asymetrie (A. Sacharov):

1) Existence procesů narušujících zákon zachování baryonového čísla

2) V těchto procesech musí docházet i k narušení C a kombinované CP symetrie (jinak by celkový počet vytvořených baryonů a antibaryonů byl stejný)3) Částice nebo objekty v jejichž rozpadu baryonová asymetrie vzniká nesmí být v tepelné rovnováze s okolím → existují etapy prudkého rozpínání (jinak vznikají částice a antičástice se stejnou hustotou).

Také tato galaxie M51 není z anti-hmoty ale z hmoty (snímek Hubblova dalekohledu – NASA)

Reliktní fotonové záření homogenně rozloženo

Závěr

1) Každá částice má svého antihmotného partnera

2) Vlastnosti úzce souvisí s fundamentálními symetriemi

4) Ve vesmíru pouze ve srážkách jader kosmického záření, produkce na urychlovač

3) Studium antihmoty – rozdílů mezi hmotou a antihmotou, testování fundamentálních fyzikálních zákonitostí a symetrií

4) Podařilo se získat nejlehčí antijádra (antivodík a antihelium) a také atom antivodíku

5) Současné praktické využití v lékařství – diagnostické metody (PET).

6) Problém využití v energetice – nejsou doly na antihmotu – ?možné zdroje ve vesmíru?

7) Nutnost zefektivnit produkci a uchovávání – možnost využití ke kosmickým cestám, zpočátku kombinace s termojadernou fúzí

8) Je třeba najít možnosti uchovávání antivodíku v kapalné podobě