Astronomická společnost Chomutov

                                                                               ^{další články               +}      

kosmologie

Stanislav  06.02.2021

Co musí existovat, ale je to jen těžko hmatatelné?

Fyzici hledají antihmotu, protějšek hmoty. Již dokázali vyrobit anti-vodík. Ale úsilí spojené s urychlovači částic je obrovské.

Antihmota je téměř dokonalým protějškem naší normální hmotě. V této souvislosti fyzici hovoří o symetrii mezi hmotou a antihmotou. Každá známá částice materiálu má protějšek z antihmoty, která má přesně stejné vlastnosti. Až na jednu výjimku: antihmota je elektricky nabita přesně opačným způsobem. Antičástice elektronu je například pozitron. Má přesně stejnou hmotnost a ve všech ohledech vykazuje stejné vlastnosti. Není však elektricky negativně nabitá jako elektron, ale pozitivně. Výsledkem je, že antihmota má opačný magnetický moment. Fyzici také charakterizují elementární částice určitými kvantovými čísly (počet leptonů, počet baryonů atd.), Které také mají v antihmotě opačnou hodnotu než v normální hmotě.

První odkaz na antihmotu pochází z ranné kvantové teorie . Skvělý anglický teoretik Paul Dirac vytvořil v roce 1928 revoluční rovnici, která měla popisovat elektron. Rovnice však umožnila dvě řešení: jedno s pozitivní a druhé s negativní energií. Protože negativní energie nedávají žádný fyzický smysl, interpretoval Dirac toto řešení jako dříve neznámé antičástice elektronu s opačným elektrickým nábojem. Carl Anderson pak uspěl poprvé v roce 1932 v experimentálním prokázání takového pozitronu. Dirac získal Nobelovu cenu v roce 1933 za svůj podíl na tomto průkopnickém vývoji, Anderson v roce 1936.

Později se ukázalo, že všechny ostatní částice hmoty mají protějšky antihmoty. Ve všech experimentech vykazují přesně stejné fyzikální vlastnosti s výjimkou reverzního náboje - ovšem s jednou výjimkou: V určitých rozpadech exotických částic existují minimální rozdíly v tom, jak rychle tyto částice přecházejí do kterých produktů rozkladu. „Ale tyto asymetrie jsou velmi jemné,“ říká Michael Schmelling z Institutu Maxe Plancka pro jadernou fyziku v Heidelbergu. "Jen s nimi nemůžeme vysvětlit přebytek hmoty ve vesmíru."

A právě tohle je přesně ta velká hádanka v dnešním anti-hmotném výzkumu: Nikdo nemůže říci, proč po Velkém třesku zbývala prakticky jen hmota a nezůstala žádná antihmota. Jakýkoli rozdíl musel vést k tomu, že antihmota byla vytvořena v nepatrně menším množství a poté s hmotou vyzářena jako energie. Zbývající hmota je to, z čeho jsme my a všechny hvězdy a planety ve vesmíru utvořeny.

© Jacques Fichet, CERN (detail)  Hledat na CERN | V kruhovém, 27 km dlouhém tunelu LHC, protony rotují téměř rychlostí světla. Ve vybraných bodech fyzici srazí dva svazky částic. Když dojde k nárazu protonů, energie se přemění na hmotu - vytvoří se nové částice a odletí. Některé z nich mohou být také částice, které dosud nebyly popsány žádnou teorií fyziků

2. Jak si vyrobit antihmotu?

Podle Einsteinovy ​​teorie relativity je hmota ekvivalentní k energii. Jakmile je dostatek energie soustředěn v malém prostoru vesmíru, může se podle Einsteinovy ​​a kvantové teorie proměnit v hmotnou dvojici částice-antičástice. Celkový elektrický náboj je zachován jako ve všech fyzikálních procesech.

Recept na výrobu antihmoty zní: Soustředíte hodně energie do jednoho bodu a - hopla! - vznikají dvojice částic, například z elektronů a pozitronů. Totéž funguje s protony a antiprotony a všemi ostatními typy částic. Snaha vědců částic je nyní soustředit co nejvíce energie za přesně definovaných podmínek do jednoho bodu.

Pro velké urychlovače částic, jako je Large Hadron Collider (LHC) v jaderném výzkumném středisku CERN v Ženevě, existují speciální laboratoře, které slouží k výrobě antihmoty. Pokud se během srážky částic vytvoří pár elektron-pozitron, vědci mohou rozlišit částice na základě jejich dráhy letu. Protože částice jsou opačně nabité, létají v magnetickém poli detektoru v protilehlých spirálech. Vědci mohou také použít zakřivení drah k určení energie částic. Z tohoto důvodu mají všechny detektory na urychlovačích částic silné magnety: je to jediný způsob, jak analyzovat výsledné částice.

Pokud byla vytvořena tímto způsobem antihmota, lze tyto částice také magneticky zachytit, zpomalit, uložit a experimentovat s nimi. Tímto způsobem již vědci dokázali kombinovat pozitrony a antiprotony za vzniku atomů vodíku . Zatím se zdá, že se tyto antičástice chovají při všech přesných měřeních přesně jako atomy vodíku.

Druhým nejtěžším prvkem po vodíku je helium. „Bylo by velmi zajímavé testovat antihelium v ​​laboratoři,“ říká Schmelling. Proto pracuje několik výzkumných týmů po celém světě na tomto dosud nedosaženém cíli. Atomová jádra antihelia už mohla být produkována v CERNu - ale stále jich je příliš málo na to, aby z nich vytvořily atomy antihelia.

3. Existují antihmotové galaxie?

Vesmír, který známe, v podstatě sestává z hmoty. V kosmickém záření jsou však i občasné částice antihmoty, které vyplňují vesmír. Pocházejí z vysokoenergetických procesů, které jsou spouštěny normální hmotou. Například ohromná magnetická pole nalezená v supernovách, černé díry a neutronové hvězdy mohou urychlit normální hmotu na extrémně vysoké energie; podobné gigantickému urychlovači částic. Tyto částice - zejména elektrony a protony, ale také těžší částice - mohou absorbovat tolik energie a generovat mnoho nových částic.

© NASA (detail)  AMS-02 na ISS | Alfa magnetický spektrometr (AMS-02) na Mezinárodní vesmírné stanici hledá původ antihmoty.

Pokud například zasáhne vysokoenergetický proton z kosmického záření atomové jádro v horních vrstvách vzduchu Země, může to vést k sprše celých částic, ve kterých se v párech generují stovky elektronů a pozitronů. Musí být vytvořeny ve dvojicích, protože celkový náboj musí být zachován podle fyzikálních zákonů. Protože jsou elektrony záporně nabity a pozitrony jsou kladně nabity jako jejich antičástice, je celkový náboj zrušen.

Těch několik částic antihmoty, které vědci loví ve vesmíru z kosmického záření, tak pochází z obyčejné hmoty a dříve či později se s ní rozpouští zpět do čisté energie. Dosud není zcela jasné, zda jsou některé částice antihmoty v kosmickém záření také zbytky velkého třesku, který přežil dodnes. Nedávná měření experimentu AMS na Mezinárodní vesmírné stanici, která hledala antihmotu, však zjistila vyšší úrovně antihmoty, než se očekávalo. Dosud není možné říci, zda je to kvůli zbytkům velkého třesku nebo dokonce zvláštním účinkům temné hmoty .

Lze si představit galaxie sestávající pouze z antihmoty, ale dosud o nich vědci nezjistili žádné důkazy. Bylo by obtížné dokázat existenci exotických struktur: koneckonců, antihmotové hvězdy by se musely chovat prakticky stejně jako hmotné hvězdy a zářit přesně stejným způsobem. Jejich charakteristické záření jsme v dalekohledu ale dosud neviděli.

Kdyby se někde v rozlehlosti vesmíru vyskytly nějaké velké akumulace antihmoty nebo dokonce galaxie z antihmoty, pravděpodobně by se prozradily jiným způsobem: Konec konců, hmota a antihmota se rozptýlí do čisté energie vyzařováním charakteristického záření. Velmi silné záření by proto mělo vznikat na kontaktním povrchu normálních galaxií a „anti Galaxií“. Astronomové však takové zdroje záření v kosmu dosud neobjevili.

4. Dokážeme z toho postavit bomby?

Protože antihmota a hmota jsou dokonalými protějšky, rozptylují se v čistou energii, když se setkají. Antihmota je nejkompaktnějším způsobem ukládání neuvěřitelného množství energie. Stačí je uvést do kontaktu s kusem materiálu stejné velikosti a bouchne to. Antihmota je jednou z nejničivějších zbraní pro autory příběhů sci-fi a programátorů počítačových her.

Těžké prvky, jako je uran a plutonium, také ukládají obrovské množství energie. Když atomová bomba exploduje a uranová nebo plutoniová výbušnina se rozdělí na lehčí prvky, část hmoty se také změní na čistou energii, obvykle v rozsahu gramů. Antihmotová bomba s podobnou silou jako bomba v Hirošimě by musela obsahovat pouze asi jeden gram antihmoty - ve srovnání s několika desítkami kilogramů vysoce obohaceného uranu.

Tento pochmurný scénář má však dva problémy: Zaprvé, produkování významného množství antihmoty trvá skoro věčně. Dosud bylo podle CERN v roce 2015 vyrobeno na urychlovačích částic jen několik miliardtin gramu látky . Antihmota byla na krátkou dobu uložena v magnetických pastích a prozkoumána detektory.

Na druhou stranu by antihmota v bombě před zapálením nikdy neměla přijít do styku s normální hmotou, jinak se okamžitě vyzáří. Aby bylo možné sestavit výbuchové zařízení, bylo by třeba zablokovat větší množství antihmoty v prakticky perfetním vakuu. Kromě toho jsou pro zachycení částic zapotřebí složitá elektrická a magnetická pole. A i ta nejmenší chyba by vedla ke katastrofě.

5. Padá antihmota nahoru?

Tato otázka je jednou z nejvíce napínavých v současném výzkumu na toto téma. Podle dnešního chápání fyziky lze předpokládat, že antihmota reaguje na gravitaci stejně jako hmota. Takže by to mělo spadnout.

V žádném případě však není jasné, zda tomu tak skutečně je, protože rovnice popisující antihmotu jsou součástí kvantové fyziky. A rovnice teorie relativity, podle které se gravitace chová, se dosud nebyly schopny zkombinovat s kvantovou teorií do společné teorie. Antihmota by v zásadě mohla reagovat na gravitaci třemi různými způsoby:

• Padá jako hmota.
• Je to přesně naopak a stoupá s přesně stejným zrychlením.
• Dělá něco úplně neočekávaného a vykazuje jiné zrychlení.

Výzkum v této oblasti se teprve začíná. „Zatím nelze experimentálně říci nic o známce gravitačního zrychlení antihmoty,“ řekl Alban Kellerbauer z CERN. Pracuje na experimentu AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) , který by měl odpovědět na tyto otázky v následujících letech. „Doufáme, že do roku 2018 dojde k prvnímu výsledku, než dojde k dalšímu dlouhému odstavení LHC,“ řekl Kellerbauer.

Pokud se ukáže, že antihmota padá nahoru nebo jednoduše klesá s jiným zrychlením než je obvyklé, měli by být teoretici velice překvapeni. Protože základní modely dnešní teorie částic jsou založeny na skutečnosti, že hmota a antihmota jsou prakticky dokonalé zrcadlové obrazy.

zveřejněno 18.04.2017

od Dirk Eidemüller

https://www.spektrum.de/wissen/5-fragen-zur-antimaterie/1445437