Antianyagot ejtettek csapdába a CERN-ben

Minden részecskének létezik olyan párja, ami vele azonos tömegű, de néhány kvantumfizikai jellemzője (elektromos, erős és gyenge töltése) ellentétes. Az antirészecske, illetve az antianyag nem új fogalom a kvantumfizikában, Paul Dirac (aki egyébként Wigner Jenő sógora volt) 1930-ban publikált tanulmányt az elektron antirészecskéjéről, a pozitronról. A prozitront két évvel később fel is fedezte egy másik fizikus, Carl David Anderson – ez volt az első eset, hogy igazolták egy feltételezett részecske létezését.

Ha az antirészecskékből álló antianyag találkozik az anyaggal, annihiláció történik, vagyis mindkettő megsemmisül, és energia szabadul fel. A fizikusok ma úgy gondolják, hogy amikor nagyjából 13,7 milliárd évvel ezelőtt megtörtént az ősrobbanás, ugyanannyi anyag és antianyag keletkezett – viszont mivel a világegyetemünk szemmel láthatóan anyagból áll, valahogyan megborult ez az egyensúly, úgynevezett szimmetriasértés történt. Hogy ennek mi volt az oka, azt nem tudják a tudósok, de úgy számolják, hogy nagyjából minden tízmilliárd antirészecskére jutott tízmilliárd plusz egy részecske. A ma ismert teljes világegyetem ezek szerint ezekből a plusz egy részecskékből áll, az eredeti anyag túlnyomó része megsemmisült, energiafelszabadulás közben.

Antivilág

Antirészecskék (főként pozitron) gyártására ma már viszonylag bevett eljárások léteznek, viszont az antirészecskékből antianyagot gyártani korántsem szokványos – többek között éppen azért, mert az antianyag rögtön megsemmisül, amint anyaggal találkozik. A legegyszerűbb atom a hidrogén, ami egy protonból és egy elektronból áll, az antihidrogén tehát egy antiprotonból és egy pozitronból – viszont ezt a két antirészecskét nem egyszerű antihidrogén-atommá gyúrni.

A részecskefizikai kutatások európai intézete, az LHC-t is építő és felügyelő CERN évek óta kísérletezik antianyag-gyártással, 1995-ben a CERN-nek sikerült először a LEAR kísérletben (Low Energy Antiproton Ring, azaz alacsony energiás antiprotongyűrű) antihidrogént előállítani. A gyűrű antiprotonjait xenonnyalábbal keresztezték, a xenonatomok elektromágneses terében az antiprotonok elektron-pozitron párokat keltettek, és a pozitronokat néhány antiproton felkapta. De a ma még nem teljesen pontos célzás miatt csak nagyon kevés antihidrogén-atom keletkezett, kevesebb mint egy tucat.

Az antianyag-kísérletek másik nagy problémája, hogy antianyagot nagy energián lehet előállítani, de ahhoz, hogy egyáltalán meg lehessen vizsgálni, elektromágneses csapdában le kell lassítani, vagyis minél alacsonyabb energiára szorítani, lehűteni. Lassú és hideg antihidrogén-atomokat szintén a CERN-nek sikerült először előállítania 2002-ben. Az intézet egyik e célra tervezett részecskegyorsítójánál, az Antiproton Deceleratornál (antiproton lassító) több antianyag-kísérlet is indult, először az ATHENA, majd az ATRAP gyártott sikeresen antihidrogént antiprotonból és pozitronból – a lassító berendezésekben egyszerre akár több ezer antihidrogén-atomot is előállíthattak.

Atomvadászat

Az antianyag-kutatások most újabb mérföldkőhöz érkeztek, erről a CERN egy kutatócsoportja publikált tanulmányt a Nature-ben, illetve a CERN is kiadott egy sajtóközleményt. Az ALPHA kísérletnél (Antihydrogen Laser Physics Apparatus, az ATHENA utódja) dolgozó fizikusoknak először sikerült csapdába ejteni lassú antihidrogén-atomokat. Az ALPHA csapata a lassítógyűrű antiprotonjait a nátrium egy radioaktív izotópja által kibocsátott pozitronokkal keresztezte, így hoztak létre antihidrogén-atomokat. A kísérlet annyiban múlta felül a többi hasonlót, hogy a keletkező antihidrogén-atomok közül néhányat fogva tartottak.

Az antianyag-atomoknak nincs elektromos töltésük, de mágneses mezőre reagálnak. Ez a reakció viszont nagyon gyenge, ezért az antihidrogénnek nagyon lassúnak kell lennie, ha a fizikusok mágneses úton akarják „befogni” őket. Az ALPHA kísérletben az antiprotonok -70 Celsius-fokosak voltak, a pozitronok pedig -230 fokosak. Az antiprotonok a pozitronokkal való ütközés következtében is veszítettek energiát, majd a fizikusok a keletkező antihidrogén-atomokat -272,5 Celsius-fokon ejtették foglyul.

„Ez egy nagyon kényes művelet" – fogalmazott a hírt kommentálva Horváth Dezső fizikus, a Debreceni Egyetem professzora, a KFKI RMKI főosztályvezetője, aki maga is dolgozik a CERN egy másik antianyag-kísérletében, a ASACUSA-ban. „Ha az antiproton és a pozitron nagyon gyorsak egymáshoz képest, nem rekombinálódnak, de túlhűteni sem szabad egyiket sem."

Az ALPHA kutatói szupravezető mágnesekkel tartályforma mágneses teret állítottak elő, ebben rekedtek meg az antihidrogén-atomok. A rabságba esett atomok majdnem két tized másodpercig, 170 milliszekundumig maradtak meg. „Megmaradtak volna még akár órákig, ez a kísérlet jelentősége" – mondta Horváth. „Csak az ALPHA-nál dolgozók 170 milliszekundum után elengedték a hidrogénatomokat, hogy megvizsgálhassák, hogyan annihilálódnak."

A kutatók 335-ször futtatták le a kísérletet, nagyjából tízmillió antiprotont és 700 millió pozitront használtak. Összesen 38 darab antihidrogén-atomot találtak, ami elég lassú volt ahhoz, hogy csapdába lehessen ejteni. Az ALPHA kísérlet egyik kutatója, a dániai Aarhus Egyetemen dolgozó Jeffrey Hangst a New Scientistnek elismerte, hogy a hatékonyságon még van mit javítani. „Sokkal több antihidrogént gyártunk, mint amennyit el tudunk fogni” – fogalmazott. A csapat a következő időszakban egy új antiprotonhűtő technológiát vet be, hogy javítson az arányokon.

A másik antianyag-kísérletnél, az ATRAP-nál dolgozó Gerald Gabrielse, a Harvard kutatója üdvözölte kollégái felfedezését. Gabrielse vezette az egyik csapatot, ami 2002-ben antihidrogént állított elő, és ő vetette fel, hogy mágnesesmező-tartállyal ejtsék csapdába az antihidrogén-atomokat. „Örülök, hogy ez úgy működött, ahogy reméltük” – fogalmazott. „De sok még a teendőnk, mert ezek az atomok nem léteznek elég ideig ahhoz, hogy tovább kísérletezhessünk velük.”

Messze még az antianyag-hajtómű

Az antianyagatomok csapdába ejtése azért fontos a fizikusoknak, hogy megvizsgálhassák az antianyag viselkedését – például azt, hogy ugyanúgy nyel-e el és bocsát-e ki fényt, mint az anyag (a részecskefizika standard modellje ugyanis ezt jósolja). „A következő lépés alapállapotba vinni az antihidrogént, mert most csak magasan gerjesztett állapotban tudjuk előállítani. (Vagyis az atom elektronja nem a legbelső, legkisebb energiájú pályán van.) Erre van több lehetőség, a dánok szerint csak várni kell, hogy lebomoljon, a harvardiaknak meg van egy lézeres technikájuk, amivel mesterségesen legerjesztenék az antihidrogént" – mondta Horváth. „Ha ez sikerül, jöhetnek az antihidrogén-spektoszkópiás vizsgálatok."

A CERN-ben további antianyag-vizsgálatok is folynak, öt ilyen kísérlete is van az intézetnek. A főleg dán kutatók által működtetett ALPHA és a harvardiak ATRAP-ja mellett a már említett ASACUSA nevű japán-magyar-osztrák együttműködés a harmadik nagy kísérlet, itt is sikerült antihidrogént előállítnai, de itt nem akarják csapdázni ezeket, hanem kivezetik az antihidrogén-atomokat és megnézik a mágneses mometumukat. Ezek mellett még két kisebb kísérlet az antiprotonok biológiai hatásait vizsgáló amerikai ACE és az olasz AEGIS, ahol majd az antihidrogén-atom tömegét próbálják megmérni (illetve ellenőrizni, hogy ugyanakkora-e, mint a hidrogénatom tömege).

A további kutatásokon túl az antirészecskéknek már van gyakorlati alkalmazásuk is, a pozitronemissziós tomográfia (PET) nevű modern diagnosztikai képalkotó eljárás. Ebben olyan gyorsan lebomló, radioaktív izotópot juttatnak a szervezetbe, amely pozitront bocsát ki, majd a PET rendszerek ezt az emissziót (illetve az elektron-pozitron annihilációkor felszabaduló fotonokat) figyelik speciális kamerákkal. Attól függően, hogy milyen szerves molekulát jelöltek meg PET-izotóppal, többféle biológiai folyamat figyelésére is jó a módszer az agyműködéstől az anyagcserén át a daganatos megbetegedésekig.

Az antianyagnak viszont még csak a regényekben van gyakorlati haszna. Például az Angyalok és démonokban, amiben antianyagbomba is szerepel – a történet szerint negyedgrammnyi antianyag ötezer tonna TNT erejével ér fel, és nyolcszáz méteres körzetben mindent elpusztít. Gabrielse a könyvből készült film megjelenésekor elmondta a LiveScience-nek, hogy a fikcióval szemben mi a tudományos igazság: „Ha fogjuk az összes antianyagot, amit a világtörténelem során eddig sikerült előállítani, akkor elegendő energiát kapunk, hogy felforraljunk egy bögre teavizet.”

A scifikben is szerepel antianyag, főleg antianyag-hajóműk nyersanyagaként. Az ilyen hajtóművek az anyag és antianyag annihilációjakor felszabaduló energiát használják fel az űrhajók meghajtására. Bár ez még csak fantasztikum, a NASA a távolabbi jövőben nagyon is szeretne antianyag-hajtóműveket készíteni.

Egyelőre azonban csak az antianyag természetének néhány alapkutatása vált elérhetővé – Dirac felfedezésének századik évfordulójára talán az is kiderül, hogyan tudott az anyag győzedelmeskedni az univerzumban.