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

Úvod 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 p + p → p + p + p + anti-p p + anti-p → 2 mpc2 = 1,88 GeV. Využití Fermiho pohybu nukleonů v jádře. Detekce anihilace antiprotonu ve fotografické emulsi Detektor pro první antiproton Zdroj energie pro BEVATRON

Pozorování antineutronu - 1956 C.D. Anderson E.G. Segre O. Chamberlein Pozorování antineutronu - 1956 současný urychlovač protonů i jader v Berkeley Následující léta – urychlovače zdrojem řady dalších antičástic ke známým částicím Zkoumání vlastnosti antičástic: Stále výkonnější urychlovače → Produkce antičástic, antijader i antiatomů Rozdíly částic a antičástic Setkání částice a antičástice → anihilace Hledání antihmoty ve vesmíru Praktické využití? Nyní?! V budoucnu?!

Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)? Každá ze součástí má svého antihmotného partnera Stejné struktury lze poskládat z antičástic Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti

Interakce a jejich popis Interakce – pojem popisující možnost přenosu energie, hybnosti, náboje ... nebo možnost kreace či anihilace částic Interakce zprostředkující boson interakční konstanta dosah Gravitační  graviton 2·10-39   nekonečný Slabá W+ W- Z0  7·10-14 *) 10-18 m Elektromagnetická  γ 7·10-3  nekonečný Silná  8 gluonů  1 10-15 m *) Efektivní hodnota dána velkými hmotnostmi W+, W- a Z0 bosonů Výměnný charakter interakce - je zprostředkována výměnou „virtuálních částic“ – jedná se o bosony (celočíselný spin) Možnost existence virtuálních částic  důsledek kvantové fyziky: Dosah interakce závisí i na hmotnosti zprostředkující částice: nulová klidová hmotnost  nekonečný dosah Při dostatečné energii lze částice interakcí „zviditelnit“ - stanou se reálnými naopak částice hmoty mohou být i virtuální – kreace virtuálního páru částice a antičástice a následná anihilace

Standardní model + antičástice Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo) 1) Silná - kvantová chromodynamika 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie Tři druhy interakcí: + antičástice Cíl - co nejjednoduššími pravidly a s co nejmenším počtem počátečních parametrů popsat hmotu a její chování → cesta dál za standardní model

& Produkce antičástic – srážky při velmi vysokých energiích Ve většině případů nutná produkce ve dvojicích částice – antičástice ( nutné pro dodržení platnosti zákonů zachování ) 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 & Systém detektorů (budování experimentu CMS) - detekce a zkoumání antičástic Urychlovač (LHC v CERNu) – produkce antičástic

Antisvět – zrcadlo našeho světa Stejné velikosti hodnot veličin pouze opačné znaménko u nábojů (hmotnost, doba života, spin, velikost náboje, magnetického momentu ...) Kreace – možnost vzniku páru částice a antičástice při dodání příslušné energie Anihilace – při setkání hmoty a antihmoty dojde k jejich zániku, její klidová energie se mění na jinou formu energie Úzké spojení se symetriemi C - nábojové sdružení – záměna částic za antičástice P – prostorové zrcadlení – zrcadlové zobrazení T – časová inverze Rozlišení antisvěta v zrcadle od našeho světa Existujeme → musí existovat rozdíl mezi hmotou a antihmotou

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 skladovat? Jak antihmotu získat? Přírodní 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 Existence antihelia by byla důkazem antihvězd Umělé zdroje částic antihmoty: 1) Urychlovače – podobně jako u kosmického záření – velmi vysoké energie, produkce v páru, urychlení na rychlosti v ≈ c Část zařízení LEAR pro produkci pomalých antiprotonů (protonový urychlovač v CERNu) Jak antihmotu skladovat? Uchovávání antičástic pomocí magnetického pole v podobě nabitých částic - plazmy → magnetické prstence, magnetické pasti – dnes až několik měsíců akumulační prstenec ISR v CERNu (Ženeva)

nenalezeno ani antihelium nic takového nepozorováno Hledání těžších antijader a antihmoty ve vesmíru Let STS 1991 v červnu 1998 Spektrometr AMS-01 Studium prvkového složení, hledání antijader nenalezeno ani antihelium Spektrometr a raketoplán Discovery F. R. Chang-Diaz J. L. Kavandi 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 antijader Srážky těžkých jader → velmi vysoká teplota a hustota. Dostatek energie → vytváření páru částice antičástice Hodně 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 atomů Opakování FERMILAB – 100 atomů Identifikace: Antivodík – neutrální Pozitron - anihilace Antiproton – změřením poměru hmotnosti a náboje Magnet odklánějící antiprotony

Produkce většího množství chladného antivodíku: 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 smíchají Neutrální 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 Jeden případ anihilace antivodíku - vznik 4 mezonů  (p+ anti-p) a 2  (e+ e+)

Exotické systémy Zlepšování produkce, pochopení mechanismu vzniku, ... Současná produkce až miliony antivodíkových atomů. Pokračováním projektu ATHENA je projekt ALPHA (2006): Dlouhodobé zkoumání  další past pro neutrální částice schopná udržet antivodík díky jeho magnetickému momentu Nutnost ochlazení antivodíku na teplotu 15 mK Pomocí laserů výzkum přechodů mezi vzbuzenými stavy atomy antivodíku Velmi precizní spektroskopie mezi základním a prvním vzbuzeným stavem (10-18) Velmi přesný test CPT symetrie Exotické systémy Jejich zkoumání již také probíhá – daří se je produkovat – je třeba je také udržet déle Antiprotonový vodík – vodíková molekula H2+ zachytí antiproton Antiprotonové helium (atomkule) – systém helia a antiprotonu Chladící zařízení projektu ALPHA

Zkoumání rozdílu mezi hmotou a antihmotou Porovnávání vlastností (rozpadů) částic a antičástic Zkoumání vyzařování (energetických hladin) atomu antivodíku Testy CPT symetrie Chování antivodíku v gravitačním poli Země – rozdíl „hmotnosti“ hmoty a antihmoty Testy principu ekvivalence obecné teorie relativity past na antiprotony a pozitrony experimentu ATRAP → výroba antivodíku Výroba antivodíku Produkce antiprotonu

K čemu antihmota? V současné realitě: pozitronová emisní tomografie Radioaktivní izotopy s pozitronovým rozpadem → anihilace pozitronu v klidu → vznik dvou fotonů (kvant záření gama) letících v opačném směru → jejich zachycením určení polohy Mozek poslouchá Mozek čte PET kamera v GSI Darmstadt Velmi dobré prostorové rozlišení ( 2 mm ), stále nové sloučeniny pro PET kamery (systémy Pozitronové Emisní Tomografie) 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

Ekvivalent pohonu raketoplánu – ~ 100 mg antihmoty Anihilace – přeměna klidové energie na fotony (energii) → antihmota – nejúčinnější zdroj energie – vysoký specifický impuls Ekvivalent pohonu raketoplánu – ~ 100 mg antihmoty Výroba antihmoty (chybí doly na antihmotu): 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. Současné metody umožňují – zlepšení o 3-4 řády Skladování – magnetická a elektrická pole Nyní v CERNu a Fermilabu – 10 ng antiprotonů za rok Enterprise zatím léta jen ve SCI-FI – zdrojem energie pro její pohon je kapalný antivodík Mezihvězdná loď AIMstar projektovaná na Pensylvanské universitě

Projekty - zatím jen na papíře Mikrofúze inicializovaná lasery, antihmotou Nejpropracovanější projekt Pensylvánské university – ICAN-II Projekt fúzně poháněné sondy využívající pro inicializaci antiprotony skladované v magnetickém prstenci. využívaly by se reakce deuteria a tritia inicializované antiprotony

Možnosti a problémy k řešení Hlavní 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 Proud hmoty z centra galaxie M87 - foto Hubblův teleskop 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)

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). Reliktní fotonové záření homogenně rozloženo Také tato galaxie M51 není z anti-hmoty ale z hmoty (snímek Hubblova dalekohledu – NASA)

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