Výlet do "antisvěta"

O antihmotě jsme hovořili s naším častým spolupracovníkem, astrofyzikem Petrem Kulhánkem z katedry fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. Začali jsme jakýmsi základním "slovníkovým heslem"...

Co přesně je antihmota?

Antihmota je látka složená z antičástic a antičástice jsou částice, které mají opačné veškeré kvantové náboje vůči normální částici.

Kdo jako první předpověděl její existenci a kdy se poprvé podařilo prokázat, že antihmota skutečně existuje?

První předpověděl existenci antihmoty Paul Adrien Maurice Dirac, bylo to již v roce 1928. On se tenkrát pokoušel najít správnou rovnici pro pohyb elektronu, kvantovou relativistickou rovnici, a objevil takzvanou Diracovu rovnici, jak jí dnes říkáme. V té rovnici mu ovšem vycházela řešení pro elektron jak s kladnými, tak se zápornými energiemi. Každý normální fyzik by řekl, že ty záporné energie jsou nefyzikální a ta řešení by škrtl. Diracovi se to nechtělo udělat, a tak se rozhodl za ta záporná řešení bojovat. Zpočátku přemýšlel o tom, že by se jich zbavil tak, že by všechna ta záporná energetická řešení byla obsazena elektrony - že by existovalo jakési moře elektronů se zápornými stavy, kterému dnes říkáme Diracovo moře a že by tedy ty stavy byly zaplněny. Potom ovšem může přilétnout vysoce energetický foton a z toho záporného moře elektronů elektron vyrazit, zůstane tam oblast, která se bude projevovat jako částice s kladným nábojem. A takhle Dirac myšlenkově došel k tomu, že ta záporná řešení nemusí zavrhnout, že to mohou být řešení s normální kladnou energií, ale částic, které mají kladný náboj, které jsou opačné. Nazval je pozitrony. Tak vlastně poprvé předpověděl, že k elektronu bude existovat antičástice, kterou nazýváme pozitron. To bylo v roce 1928. První antičástice, právě pozitron, byla pak objevena o čtyři roky později, v roce 1932, Carl Andersonem.

Jakým způsobem se mu to podařilo?

K objevu antihmoty došlo v mlžné komoře. Když v ní Carl Anderson pozoroval částice kosmického záření, zjistil, že některé nabité částice, které by měly odpovídat elektronům, se v magnetickém poli stáčí na druhou stranu, což fakticky znamenalo, že mají opačný elektrický náboj. Do mlžné komory proto ponořil destičku z olova o tloušťce šest milimetrů, aby měl trajektorii před průchodem tou olověnou deskou a po průchodu, čímž se sníží energie částice. Tímto způsobem pak byl schopen dopočítat ze zakřivení těch trajektorií před deskou a za deskou, jaká je hmotnost částice. A skutečně mu vyšlo, že ta hmotnost je přesně rovná hmotnosti elektronu. Šlo o částici s hmotností elektronu, ale s opačným, kladným nábojem. A tím vlastně dospěl k objevu pozitronu. Zvláštní na tom je, že když později v různých laboratořích prohlíželi záznamy na fotografických deskách z mlžných komor, zjistili, že mnoho laboratoří tam už dříve tyto stopy mělo. Nikomu ale nebylo divné, že ty elektrony zatáčejí na druhou stranu. Takže i tady platí, že náhoda pomáhá jen těm připraveným. Možná je zajímavý také lidský rozměr toho, jak vlastně Dirac k antihmotě dospěl na základě teoretického rozboru rovnice, o které se vůbec v té době nevědělo, jestli bude správně popisovat elektron. Nejen, že měl tu odvahu v roce 1928 říci, že budou existovat antičástice k elektronům; on se tady nezastavil a o rok později, roku 1929, aniž by byl do té doby pozitron vůbec nalezen, začal předpokládat, že podobné věci budou platit i pro všechny ostatní částice a že vlastně každá elementární částice se bude nacházet ve formě částic a ve formě antičástic. To bylo velice prozřetelné. Dirac tedy v roce 1929 předpověděl existenci všech antičástic a tím pádem i antihmoty - tři roky před tím, než byla první antičástice objevena.

Od Diracovy předpovědi existence antihmoty tedy právě letos uběhne 80 let. Samotná antihmota je tu pochopitelně mnohem, mnohem déle. Snad už od počátku vesmíru? A je jí víc nebo méně než té "normální" hmoty?

Antihmota tady byla v těch prvních fázích po vzniku vesmíru, ale nebylo jí stejné množství jako hmoty. Bylo jí TÉMĚŘ stejné množství. To množství hmoty a antihmoty se lišilo v poměru miliarda plus jedna ku miliardě, což se zdá být zanedbatelné. Na miliardu antičástic tady bylo miliarda částic plus jedna navíc. V pozdějších fázích, když vesmír chladl, došlo k anihilačním procesům, při kterých se ta miliarda antičástic s miliardou částic vzájemně zanihilovala. Vznikly z toho fotony, elektromagnetické záření. Jedna částice ale neměla s čím zanihilovat, a to je vlastně ta současná hmota, kterou tady dnes pozorujeme. K tomu, aby tady byla takováhle nerovnováha, i když velice nepatrná na počátku, je nutné narušení takzvané CP invariance, což je narušení levopravé symetrie kombinované s narušením hmoty a antihmoty. To je známo a pozorováno už od roku 1957, kdy bylo pozorováno narušení levopravé symetrie, a od roku 1964, kdy bylo pozorováno narušení této symetrie kombinované se symetrií částice - antičástice. A vlastně dokonání těchto narušení je z roku 2004, kdy se stejné narušení pozorovalo na experimentu BABAR v silné interakci.

Takže antihmoty pořád ubývá - nebo jí snad znovu přibývá? Jak to je?

Antihmoty v současné době neubývá ani nepřibývá. Antihmota přirozeným způsobem vzniká ve vesmíru tam, kde jsou vysoce energetické procesy. Je to například v jádrech galaxií - tam ji známe, měříme tam takzvanou anihilační čáru elektronpozitronových párů. Ke vzniku antihmoty tedy dochází v aktivních jádrech galaxií. Ke vzniku antihmoty samozřejmě samovolně dochází i v horních vrstvách atmosféry, která je bombardována kosmickým zářením s vysokou energií. To ovšem není antihmota, která by tady byla od počátku, to je antihmota, která vznikala sekundárně a velice rychle zase zaniká anihilací s běžnou látkou.

Médii prolétla v minulých měsících informace, že se ve vesmíru podařilo objevit celé velké oblasti s vyšší koncentrací antihmoty. Je možné, že by někde v kosmu mohly být i hvězdy či jiné objekty, tvořené výhradně antihmotou?

Dá se antihmota vyrobit v nějakém pozemském zařízení? Nebo se už snad dokonce někde vyrábí?

Pokud bychom se naučili antihmotu vyrábět třeba i ve velkém, mohla by být pro nás jednou k něčemu prakticky využitelná?

Ve světě antihmoty jsme byli s astrofyzikem Petrem Kulhánkem z katedry fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. K žádné anihilaci s mohutnou explozí při tom samozřejmě nedošlo - a vy už víte proč.

Vysíláno v Planetáriu č. 06/2009, 7.-13. února 2009.
Přepis: NEWTON Media, a.s.
Kompletní rozhovor si poslechněte ZDE (17:02).