Fizyka antycząstek, czyli recepta na nicość

• Fizycy nauczyli się produkować duże ilości najprostszych atomów antymaterii. Dzięki temu być może odpowiedzą na fundamentalne pytanie: dlaczego w kosmosie istnieją planety, gwiazdy i galaktyki? Dlaczego istnieje coś zamiast niczego?
• Tuż po Wielkim Wybuchu, w którym powstał nasz wszechświat, panowała idealna symetria, m.in. było tyle samo materii, ile antymaterii. Czym to groziło? Materia nie potrafi długo współżyć z antymaterią. Przy zetknięciu się cząstki i antycząstki obie znikają (anihilują), a w ich miejscu pojawia się promieniowanie. W miarę stygnięcia wszechświata powinno więc stopniowo ubywać zarówno materii, jak i antymaterii, aż do pustej próżni wypełnionej promieniowaniem. Coś jednak przeszkodziło w ziszczeniu się tego, złowrogiego dla nas, scenariusza. Co?
• Odpowiedzi na to pytanie mogłyby udzielić dogłębne studia nad światem antymaterii. Najbardziej powszechnym pierwiastkiem tego świata jest wodór, a więc w antyświecie winien dominować antywodór. Kilka lat temu w ośrodkach CERN pod Genewą i Fermilab pod Chicago po raz pierwszy wyprodukowano najlżejsze antyatomy. Zamiast protonu w ich jądrze znajduje się antyproton. Zamiast elektronu na orbicie krąży jego antycząstka zwana pozytonem.
  
• Ta forpoczta antyświata była jednak nieliczna (antyatomy można było policzyć na palcach jednej ręki) i poruszała się niemal z prędkością światła. Z tego powodu prawie natychmiast po przyjściu na świat atomy antywodoru uderzały w ścianki urządzenia i znikały w zderzeniu z atomami materii. Dosłownie wymykały się badaniom.
  

Zamrożone w kadrze

• Teraz jednak nastąpił prawdziwy przełom, który umożliwi otwarcie wrót do antyświata. W CERN zespołowi Athena udało się spowolnić atomy antywodoru, prawie dosłownie zamrozić ich ruch. Temperatura antymaterii w pułapce nie przekracza 15 stopni powyżej absolutnego zera. Dzięki temu można: po pierwsze, zgromadzić sporą ilość antymaterii, po drugie, jest czas, żeby dokładnie się jej przyjrzeć.
  
• Jak jednak obniżyć temperaturę antywodoru? Nie można go wszak chłodzić ciekłym helem ani żadnym innym zimnym ośrodkiem zwykłej materii! Atomy antywodoru trzeba było od początku kompletować zimne, mieszając zimne składniki - antyprotony i pozytony.
  
• Pierwszy składnik menu - gorące, czyli szybkie antyprotony - są produkowane w jednym z akceleratorów CERN. Fizycy spowolnili je w zderzeniach ze zwykłymi elektronami. Nie zawsze bowiem, kiedy zderzą się rozpędzona materia z antymaterią, następuje anihilacja. Im większe są prędkości cząstek, a co za tym idzie również ich energie, tym mniejsza jest szansa, że anihilacja nastąpi. Dlatego można z początku chłodzić antyprotony cząstkami zwykłej materii. Oczywiście do czasu, kiedy nie ostygną za bardzo.
  
• Spowolnione antyprotony oddziela się od elektronów i gromadzi w magnetycznej pułapce, gdzie oddzielone są od ścianek magnetyczną poduszką (jak japoński pociąg na szynie).
  
• Pozytony pochodzą z rozpadu radioaktywnego izotopu sodu 22. Zbiera się je w osobnej pułapce, gdzie są również schładzane po to, aby maksymalnie zmniejszyć ich ruchliwość.
  
• Następnie antyprotony i pozytony miesza się razem, również w pułapce magnetycznej. Ich ruchy są już na tyle powolne, że gdy się spotkają, może dojść do przechwycenia pozytonu przez antyproton i utworzenia antywodoru. Powstały atom nie ma już ładunku elektrycznego, więc nie więzi go już pole magnetyczne. Ucieka z pułapki, gdzie trafia w jedną ze ścian urządzenia i ginie w anihilacji.
  
• Skąd więc wiemy, że zaistniał? Fizycy łapią jego sygnał pośmiertny. Specjalny detektor mierzy powstałe dwa kwanty promieniowania elektromagnetycznego, a także cząstki zwane pionami, które są całą pozostałością po anihilowanym antywodorze.
  
  

Szukając skazy

• Jednorazowo w pułapce może się kłębić 10 tys. antyprotonów i 70 milionów pozytonów. Autorzy eksperymentu zanotowali 131 sygnałów anihiliacji. Wiadomo jednak, że aparatura wyłapuje tylko nieliczne. Szacują więc, że podczas eksperymentu musiało powstać w sumie blisko 50 tys. antyatomów.

• W drugim etapie eksperymentu fizycy będą chcieli sprawdzić, czy antywodór świeci tak samo jak wodór (zostaną porównane częstości promieniowania przy przeskoku elektronu między dwoma najbardziej podstawowymi poziomami). Wodór jest jednym z najlepiej przestudiowanych pierwiastków w fizyce. Na nim najlepiej jest więc badać wszelkie odstępstwa od przewidywań teorii. Do tej pory zmierzono już, że proton i antyproton mają taką samą masę z dokładnością do dziesiątego miejsca po przecinku, a elektron i pozyton - taki sam moment magnetyczny z dokładnością do 12. miejsca.
  
• Tymczasem częstość promieniowania wodoru i antywodoru można będzie sprawdzić aż do 14. miejsca po przecinku.
  
• Potem fizycy postarają się zbadać, czy antywodór ma taki sam ciężar w polu grawitacyjnym Ziemi jak wodór. Obowiązująca teoria budowy materii - tzw. Model Standardowy - mówi, że antycząstki są niemal wiernymi kopiami cząstek zwykłej materii. A dokładnie: gdyby odbić nasz świat w zwierciadle, zmienić wszystkim cząstkom znak ładunku elektrycznego i jeszcze zmienić kierunek upływu czasu, to powinniśmy się obudzić w antyświecie, a więc świecie zbudowanym z antycząstek. I nie powinno być żadnej różnicy między nimi. Kto wie, być może już niedługo przekonamy się, czy antyświat jest właśnie takim dokładnym zwierciadlanym odbiciem naszego świata.
  
• Albo też odkryjemy jakąś skazę antyświata (której nasza niedoskonała teoria nie uwzględniła), dzięki której to my dziś zamieszkujemy wszechświat, a nie anty-ludzie.
  

Źródło: www.gazeta.pl