Antianyaggyár a CERN-ben: áttörés magyar részvétellel

A modern fizika egyik legnagyobb rejtélye az antianyag hiánya a világegyetemben, hiszen az ősrobbanás után azonos mennyiségben kellett volna keletkeznie anyagnak és antianyagnak. A CERN antianyaggyárat épített a kérdés tisztázására, van-e olyan különbség a részecskék és antirészecskék között, amely megmagyarázhatja ezt a furcsa aszimmetriát.

Az ASACUSA kísérlet a CERN antianyaggyárában. A mérőberendezés feletti cső vezet a betonfal mögötti óriási hűtőberendezéshez Forrás: MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont

Az antianyaggyárban működő sok kísérlet egyike az ASACUSA együttműködés, főként japán, magyar, osztrák és olasz résztvevőkkel, amely most valóságos áttörést ért el az antiproton tömegének meghatározásában az elektronéhoz képest egy új, innovatív hűtési technika alkalmazásával. Az egyik legtekintélyesebb tudományos folyóirat, a Science november 4-i számában jelent meg az ASACUSA együttműködés új, rendkívül nagy pontosságú mérése az antiproton tömegének meghatározására az elektronéhoz képest. A cikk 12 szerzője közül hat japán, három magyar (Sótér Anna, Barna Dániel és Horváth Dezső), továbbá egy-egy olasz, német és iráni.

A kísérleti berendezés. A lézersugár balról, az elektrosztatikusan fókuszált antiprotonnyaláb jobbról lép be, a hűtés felülről történik, szuperfolyékony héliumréteget képezve a nagy tisztaságú rézből készült tartály falán Forrás: MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont

A kísérletben antiprotonokat fogattak be héliumatomokban, helyettesítve velük az egyik elektront. Mintegy 2 milliárd, hosszú élettartamú antiprotonos héliumatomot sikerült lehűteni 1,5–1,7 K abszolút hőmérsékletre és a termikus mozgás nagymértékű kiküszöbölésével jelentősen növelni a lézerspektroszkópiai mérések pontosságát. Az antiprotonos héliumatom rendkívül sajátos: a héliumatommag egy elektront és egy antiprotont köt benne, tehát egyszerre tartalmaz részecskét és antirészecskét olyan fizikai állapotban, amely viszonylag hosszú élettartama miatt lehetővé teszi atomi átmeneteinek spektroszkópiai vizsgálatát.

Az együttműködés új eredménye az, hogy a vizsgált antiprotonos atomokat rendkívül hideg héliumgázzal vette körül. Az antiprotonos héliumatom elektronja sokkal nagyobb sugarú pályán található, mint az antiproton, és ez lehetővé teszi azt, hogy a hideg gáz atomjaival való ütközésekben lehűljön anélkül, hogy közben az antiproton befogódjék az atommagban, és szétsugározzon. Ez utóbbi csak akkor következik be, amikor rezonanciaszerűen sikerül megfelelően hangolt lézerrel legerjeszteni az antiprotont. Így mérik az átmeneti energiát, amelyből a tömeg rendkívüli pontossággal meghatározható. A kísérlet adatgyűjtése 2010-től 2014-ig tartott, és megerősítette az anyag-antianyag szimmetriát, mivel az antiproton tömege 10 jegy pontossággal azonosnak bizonyult a protonéval.

Az ASACUSA kísérlet két magyar résztvevője, Barna Dániel és Sótér Anna Forrás: MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont

A kísérlet következő lépése a mozgási bizonytalanság további csökkentése lesz két, egymással szemben belőtt lézersugár segítségével, amely a hosszanti mozgás hatását kiküszöböli. Ebben komoly szerepe lesz az antianyaggyárban most épülő ELENA antiproton-tárológyűrűnek is.

A Science-ben megjelent cikk itt érhető el, az MTA Wigner FK közleménye pedig itt olvasható.