Co to je a proč to nezničilo vesmír?

Zní to jako sci-fi: normální hmota má „zlé dvojče“, které anihiluje, jakmile se ti dva dostanou do kontaktu. Ale tato antihmota je velmi skutečná a navzdory desetiletím studia zůstává velmi záhadná. Co je tedy vlastně antihmota? Kde to je? Proč je důležité, abychom tomu rozuměli? A proč už nezničila vesmír?

Jakkoli to zní zvláštně, antihmota je v podstatě stejná jako běžná hmota, až na to, že její částice mají opačný náboj. Ale tento jednoduchý rozdíl má několik zásadních důsledků – pokud se někdy částice a její antičástice setkají, zničí se navzájem v výbuchu energie.

Naštěstí pro nás je antihmota extrémně vzácná. Vyrábí se přirozeně v nepatrných množstvích při interakcích kosmického záření, během hurikánů a bouřek a jako součást některých typů radioaktivního rozpadu – ve skutečnosti cokoliv, co obsahuje draslík-40, občas vyplivne částice antihmoty. To zahrnuje banány a ano, dokonce i vás. Ale nebojte se, daleko se nedostane, než se srazí s elektronem a zase zmizí.

Uměle se antihmota většinou vyrábí v urychlovačích částic, jako je Velký hadronový urychlovač v CERNu, ale opět jen v nepatrném množství a obvykle netrvá dlouho.

CERN

Každá částice má svou ekvivalentní antičástici – například existuje antiproton, antineutron a antielektron (známější jako pozitron). Některé částice, například fotony, jsou ve skutečnosti svými vlastními antičásticemi.

Tyto antičástice se mohou také spojit a vytvořit antiatomy, takže například antiproton a antielektron mohou tvořit atom antivodíku. Každý prvek by měl mít ekvivalent antihmoty a kromě náboje by měl mít všechny stejné vlastnosti jako jejich protějšky v běžné hmotě.

Antihmota samozřejmě není ze své podstaty „horší“ než normální hmota – jen ji definujeme jako „anti“, protože je to opak toho, na co jsme zvyklí. Ale pokud někde venku žijí tvorové z antihmoty žijící na antihmotové planetě, obíhající kolem hvězdy antihmoty v galaxii antihmoty (což je mimochodem vše teoreticky možné) – pravděpodobně by změnili označení hmoty a antihmoty. .

Mohlo by být snadné zaměnit antihmotu s temnou hmotou, ale obě jsou velmi odlišné. Předpokládá se, že temná hmota je rozšířena po celém vesmíru, a přestože existuje spousta důkazů, že existuje, stále uniká přímé detekci. Antihmota, na druhé straně, je extrémně vzácná, ale byla experimentálně potvrzena a je předmětem neustálého studia.

Vědci v zařízeních, jako je CERN, mohou vytvořit antihmotu rozbitím určitých částic dohromady v urychlovači, který produkuje spršky hmoty a párů antihmoty. Když jsou tyto páry odděleny, antihmota může být uložena a studována.

Je to však obtížný postup a jako takový bylo uměle vyrobeno jen několik desítek nanogramů. To z něj také dělá zdaleka nejdražší materiál na světě na výrobu, přičemž vědci odhadují, že cena za gram je až 25 miliard USD. Část obtížnosti a nákladů pochází ze skladování, protože to samozřejmě není tak snadné, jako to jen strčit do sklenice, protože to většinu nádob při kontaktu zničí.

Takže vědci používají to, čemu se říká Penningova past. Částice antihmoty jsou zavěšeny ve vakuové komoře pomocí elektromagnetických polí, která je drží stranou od stran. Pomocí této metody se vědcům nejprve podařilo zachytit atomy antivodíku na několik zlomků sekundy v roce 2010, poté to v roce 2011 prodloužili na více než 16 minut. Současný rekord uchovává antiprotony na 405 dní.

Pokud se skladování antihmoty zdá složité, její přeprava je zcela jiná výzva. V roce 2020 CERN podrobně popsal nový design pasti, kterou by bylo možné použít k přesunu velkého množství antihmoty na delší vzdálenosti.

Christian Smorra

Zařízení nazvané BASE-STEP by se skládalo ze dvou Penningových pastí, z nichž jedna přijímá a uvolňuje antiprotony a druhá je skladuje pro transport. Pasti by byly obklopeny supravodivým magnetem o síle 1 Tesla, aby je stabilizoval, zatímco vrstva kapalného helia udržuje systém chladný po dlouhou dobu. Celá jednotka je dostatečně malá na to, aby se dala naložit na nákladní auto, které by pak mohlo antihmotu převážet do dalších zařízení k podrobnějšímu prostudování.

Je to dost, abyste se divili, proč se vůbec obtěžujeme, ale antihmota má velký technologický potenciál. Ve skutečnosti již našel jednu užitečnou aplikaci, kterou jste možná sami zažili.

Pokud jste někdy podstoupili PET sken, měli jste lékaře, kteří sledovali vaše tělo, zda ve vás nedošlo k zániku antihmoty. Je to přímo v názvu – PET je zkratka pro pozitronovou emisní tomografii a pozitron je antihmotová verze elektronu.

PET skenování funguje tak, že pacientům vstříkne radioaktivní stopovací chemikálii, která při rozpadu částic emituje pozitrony. Tyto pozitrony se pak srazí s elektronem v pacientově tkáni a uvolní fotony gama záření, které zachytí specializovaná kamera. Sledováním těchto událostí pak lékaři mohou rekonstruovat 3D obrazy orgánů a nádorů.

Jens Maus

Pokud se někdy podaří vyrobit nebo shromáždit antihmotu ve velkém měřítku, mohli bychom ji použít pro revolučnější aplikace. Energie uvolněná při srážce hmoty a antihmoty je obrovská – pouhý jeden gram každé z nich by vyprodukoval energii přibližně 40 kilotunové atomové bomby. Využití, které by mohlo pomoci velmi efektivně pohánět kosmické lodě vzdálené budoucnosti vesmírem – jen pár desítek miligramů antihmoty by stačilo k vyslání lodi na Mars.

Temnější stránkou však je, že antihmota by mohla vytvořit zbraň s nevýslovnou ničivou silou, ale díky neúměrně vysokým nákladům to naštěstí zůstává v říši románů Dana Browna. Pro teď.

Ale než uděláme nějaké velké plány pro antihmotu, musíme ji prostudovat mnohem podrobněji. Přeci jen jsou některé zásadní otázky, na které stále nemáme odpovědi.

Kromě opačného náboje by hmota a antihmota měly být v zásadě stejné a měly by se řídit stejnými fyzikálními zákony – ale důraz je kladen na „měl by“. Předpoklady nesvědčí o solidní vědě, takže fyzici pro jistotu ještě dvakrát ověřovali základy, protože jakékoli anomálie by mohly naznačovat zcela novou kapitolu standardního modelu částicové fyziky.

Například: každý prvek a sloučenina má jedinečný otisk prstu nazývaný jeho emisní spektrum, podle toho, jaké vlnové délky světla absorbují a které vyzařují. Podle Standardního modelu by měly mít atomy hmoty a antihmoty stejného prvku stejné spektrum, ale teprve v roce 2016 vědci z CERNu konečně prověřili. Tým přerušil atomy antivodíku laserem, aby změřil jeho spektrum, a zjistil, že odpovídá spektru běžného vodíku.

CERN

Další důležitou otázkou je, zda antihmota reaguje na gravitaci stejně jako běžná hmota. Opět se očekává, že by mělo, ale existuje asi jedna ku milionu pravděpodobnost, že antihmota může skutečně spadnout nahoru namísto. Zní to jako docela základní věc, kterou bychom již měli vědět, ale veškerá dosavadní práce s antihmotou ji musela pozastavit v elektromagnetických pastích.

CERN má v práci dva samostatné experimenty na testování této myšlenky, známé jako GBAR a ALPHA-g. V obou případech je návrh experimentu docela jednoduchý – vypněte past a zjistěte, zda k ničení dochází pod nebo nad ní. Doufáme, že na výsledky už nebudeme dlouho čekat.

Ale je tu ještě jedna velká vesmírná záhada, kterou bychom mohli vyřešit studiem antihmoty – proč tu vůbec jsme?

Podle Standardního modelu částicové fyziky měl Velký třesk vyprodukovat hmotu a antihmotu ve stejném množství. Ale pokud by tomu tak bylo, celý obsah vesmíru by se v průběhu času zničil kolizemi a vesmír by dnes zůstal velmi prázdným místem.

Očividně se tak nestalo. Co se tedy stalo s veškerou antihmotou?

Může to být někde venku. Teoreticky by antihmota měla být schopna se shlukovat do hvězd, planet a galaxií stejně jako běžná hmota (pokud v okolí není žádná pravidelná hmota, která by ji zničila). To znamená, že mohou existovat kouty vesmíru, kde dominuje antihmota.

A nemusí to být tak daleko, jak si možná myslíte. Někteří vědci předpokládají, že hvězdy antihmoty by se mohly skrývat v naší vlastní galaxii a zářit stejně jako běžné hvězdy. Mohli bychom však být schopni identifikovat tyto „antihvězdy“ prostřednictvím neobvyklých záblesků gama záření, které by vydávaly, když se jich dotkly skvrny hmoty.

Ale to by mohlo také rozvrátit myšlenku. I kdyby byly oblasti hmoty a antihmoty ve vesmíru odděleny obrovskými úseky mezigalaktického prostoru, stále by podél hranic probíhaly poměrně pravidelné anihilace. To by vedlo k jasným signálům gama záření, které nebyly pozorovány, takže je nepravděpodobné, že by v pozorovatelném vesmíru existovaly oblasti s převahou antihmoty.

Místo toho hlavní směr uvažování spočívá v tom, že v počátcích vesmíru něco způsobilo nerovnováhu v poměru hmoty a antihmoty, takže jednoho bylo o něco více než druhého. To by znamenalo, že veškerá hmota v dnešním vesmíru je jen nepatrným zlomkem – pouhou desetimiliardou – toho, co kdysi existovalo, pozůstatkem po kosmickém kataklyzmatu zničení antihmoty.

Co tedy mohlo způsobit tuto nerovnováhu? Existuje několik hypotéz.

Jedna myšlenka říká, že za svou existenci vděčíme neutrinu. Tyto neutrální subatomární částice jsou svými vlastními antičásticemi a předpokládá se, že mohly přeměnit nějakou antihmotu na hmotu, když raný vesmír procházel fázovým přechodem.

Jiné subatomární částice jako kouzelný mezon byly zachyceny při přepínání mezi hmotou a antihmotou v laboratoři. Pokud je pro ně z nějakého důvodu přechod z antihmoty na hmotu snazší než naopak, mohli vytvořit nerovnováhu na počátku historie vesmíru.

Harigaya a Co/NASA

Jiný příběh ukazuje na hypotetickou částici zvanou axion. Předpokládá se, že jsou neuvěřitelně lehké, nemají žádný elektrický náboj a plavou kolem vesmíru ve vlnách, které zřídka interagují s jinou hmotou. Podle jedné studie začalo axionové pole v raném vesmíru oscilovat a vytvořilo o nepatrný zlomek více hmoty než antihmoty.

Je zajímavé, že axiony se mohou ukázat jako velmi vhodné částice. Jejich existence by mohla vyřešit nejen problém asymetrie hmoty a antihmoty, ale zároveň dva další vesmírné rébusy – jsou také kandidátem na temnou hmotu a zaplňují další díru v našem chápání částicové fyziky, známou jako Strong CP. taky problém.

Inherentní záhada antihmoty bude pravděpodobně i nadále zmást vědce po dlouhou dobu. Laboratorní experimenty a astronomická pozorování nepochybně poskytnou nová vodítka, která by nám mohla pomoci pochopit vývoj vesmíru, limity Standardního modelu částicové fyziky a jak využít tuto podivnou látku pro použití, která si ani neumíme představit.

Podívejte se na naše další vysvětlovače fyziky o temné hmotě a temné energii.