Nová past na antihmotu by mohla pomoci vysvětlit, proč se vesmír nezničil

Antihmota je složitá látka ke studiu, v neposlední řadě proto, že zničí každou nádobu, do které se ji pokusíte vložit. Nyní však fyzici v CERNu vyvinuli novou past na antihmotu, která dokáže vzorky zchladit během několika sekund, nikoli hodin. Tento pokrok umožňuje vědcům studovat větší vzorky déle, což by mohlo pomoci odhalit některá z největších záhad vesmíru.

Antihmota je jakýmsi „zlým dvojčetem“ běžné hmoty, která ovládá svět kolem nás. Hlavní rozdíl je v tom, že jeho částice mají opačný náboj než jejich běžné protějšky, ale tato jednoduchá variace má zásadní význam – pokud se hmota a částice antihmoty někdy setkají, navzájem se anihilují v výbuchu energie.

Máme štěstí, že antihmota je dnes ve vesmíru extrémně vzácná, ale vědci si nejsou jisti, proč tomu tak je. Podle Standardního modelu měl Velký třesk vytvořit stejné množství hmoty a antihmoty, které by se pak měly srazit a zničit většinu obsahu vesmíru dříve, než skutečně začal. Skutečnost, že jsme tu nyní, abychom to zpochybnili, ukazuje, že se to nestalo, ale to, co vychýlilo váhy směrem k hmotě, zůstává jednou z nejvíce matoucích záhad vědy.

Bohužel kvůli vzácnosti a nestálosti antihmoty je obtížné problém prozkoumat. Může být vytvořen pouze v malých množstvích v zařízeních, jako je Velký hadronový urychlovač, kde se částice rozbíjejí a vytvářejí páry částic hmoty a antihmoty. A pak se těžko skladuje – antihmotu samozřejmě nemůžete jen tak strčit do sklenice, protože zmizí, jakmile přijde do kontaktu s hmotou.

Vědci tedy ukládají antihmotu do takzvaných Penningových pastí, které využívají elektromagnetická pole k suspendování částic a antičástic ve vakuu. Tyto vzorky jsou často ochlazovány na extrémně nízké teploty, aby se snížil hluk, ale techniky běžně používané na hmotě jsou obtížně aplikovatelné na antihmotu. Nyní výzkumníci CERN vyvinuli novou verzi těchto pastí pro chlazení antihmoty, což zvyšuje velikost vzorků antihmoty dostupné pro experimenty a zlepšuje přesnost měření.

F. Sämmer/JGU

Laserové chlazení je jednou z předních technik – v podstatě, když je atom zasažen laserovým paprskem, absorbuje a poté znovu emituje foton, který mění svou hybnost. Je těžké přimět antihmotu, aby na tuto metodu přímo reagovala, i když jiný projekt CERN nedávno v této oblasti udělal průlom. Místo toho může být antihmota ochlazována nepřímo laserovým chlazením blízkých iontů, které pak absorbují teplo z částic antihmoty. Problém se však vrací k umístění hmoty a antihmoty do stejné pasti.

Takže pro novou verzi vědci ze spolupráce BASE v CERNu propojili dvě Penningovy pasti s 3,5palcovým supravodivým rezonančním elektrickým obvodem. Jedna past obsahuje oblak iontů berylia, zatímco druhá hostí jediný antiproton. Když je berylium chlazeno laserem, energie se přenáší z antiprotonu přes okruh k iontům, čímž dochází k ochlazení antiprotonu.

Tým říká, že tato metoda dokáže ochladit vzorky mnohem rychleji než obvykle a na nižší teploty.

„Toto je důležitý milník v přesné spektroskopii Penningovy pasti,“ říká Christian Smorra, autor studie. „S optimalizovanými postupy bychom měli být schopni dosáhnout teploty částic v řádu 20 až 50 miliKelvinů (mK), ideálně v době chlazení řádově 10 sekund. Předchozí metody nám umožňovaly dosáhnout 100 mK za 10 hodin.

To otevírá cestu k přesnějším měřením, která by zase mohla vrhnout nějaké světlo na to, proč je ve vesmíru tak málo antihmoty. Předpokládá se, že náboj je jediným skutečným rozdílem (spolu s nepatrnými odchylkami v kvantových číslech) mezi hmotou a antihmotou, ale je nejlepší nespoléhat se na předpoklady. Vědci studují některé ze základních vlastností antihmoty a porovnávají je se svými hmotnými protějšky – pokud je něco jiného odlišné, může to být klíč k odhalení celé záhady.

„Naší vizí je neustále zlepšovat přesnost našeho srovnání hmoty a antihmoty, abychom lépe porozuměli asymetrii kosmologické hmoty a antihmoty,“ říká Stefan Ulmer, autor studie. „Nově vyvinutá technika se stane klíčovou metodou v těchto experimentech, jejichž cílem je měřit základní konstanty antihmoty na úrovni dílčích částí na bilion.“

Výzkum byl publikován v časopise Příroda.

Zdroje: CERN, CERN Courier