Kozmológiai okok állhatnak az antianyag hiányának hátterében – erre utal a CERN legfrissebb eredménye | MTA

Kozmológiai okok állhatnak az antianyag hiányának hátterében – erre utal a CERN legfrissebb eredménye

Az antihidrogén korábban ismeretlen tulajdonságait mérték meg a Genf melletti antianyaggyárban. A most megvalósult kísérletet több mint két évtizede javasolta egy öttagú csoport, amelynek magyar tagja, Horváth Dezső cikkünkben számol be az eredményekről.

2018. június 12. Horváth Dezső

Az antianyag azóta foglalkoztatja az emberiséget, amióta Paul Dirac (Nobel-díj, 1933) matematikailag rábukkant 1928-ban, majd Carl Anderson (Nobel-díj, 1936) felfedezte az első antirészecskét, az elektron párját, a pozitront a kozmikus sugárzásban. A fizika feltételezi ugyanis részecske és antirészecske, anyag és antianyag egyenértékűségét (a töltések ellentétes előjele mellett), és ez a leírás gyönyörűen egyezik mindenféle mérés eredményével.

Ugyanakkor érthetetlen az antianyag hiánya a világegyetemben: nem látunk antianyag-galaxisokat, pedig az ősrobbanás után, a sugárzási időszak lezárultával ugyanannyi részecskének és antirészecskének kellett volna keletkeznie:

hova lett az antianyag?

Egy esetleges különbség felfedezése részecske és antirészecske tulajdonságai között ugyanannyira megrázná a fizikát, mint 1956-ban a tükörszimmetria-sértésé a részecske­bomlásokban. A kérdés megválaszolására a CERN, az európai országok közös részecskefizikai laboratóriuma Genf mellett több kísérleti berendezést is épített. A legújabbat el is nevezte antianyaggyárnak (Antimatter Factory), amelyben több egymással versengő kísérletet vizsgálnak.

A CERN „antianyaggyára" Forrás: mta.hu/Horváth Dezső

Az antianyaggyár fő berendezése, az antiproton-lassító (AD, Antiproton Decelerator) nagy energiájú protonokat lő anyagba, proton-antiproton részecskepárokat hozva létre. A részecskepárokból kiválasztja a gyors antiprotonokat, majd lelassítja és a kísérletekhez juttatja őket. E kísérletekben különböző módokon csapdába ejtik az antiprotonokat, és úgy tanulmányozzák viselkedésüket. Jelenleg az antiproton-lassító az egyetlen komolyabb antiprotonforrás a világon.

Az antiproton-lassító tárológyűrűje a mágnesekkel Forrás: mta.hu/Horváth Dezső

E cikk szerzője és négy társa 26 éve írt megvalósíthatósági tanulmányában kimutatta, hogy az anyag-antianyag egyenértékűség legérzékenyebb ellenőrzésére az antiprotonból és pozitronból álló antihidrogén-atom két fotonnal bomló 2S1S átmenete nyújt lehetőséget. Ez volt az antiproton-lassító megépítésének fő célja – e cél elérése most, csaknem 20 évvel a berendezés átadása után, végre sikerült.

Atom és antiatom Forrás: mta.hu/Horváth Dezső

A vizsgálatokhoz először is csapdázni kell az antiprotonokat, azaz a végletekig lelassítva (lehűtve) őket potenciálgödörbe juttatni. Utána sűrű pozitroncsomagot juttatnak a csapdába, ahol azok az antiprotonokkal ütközve atomi állapotot, antihidrogént hoznak létre.

Az áttörést óriási versenyben az ALPHA (Antimatter Laser PHysics Apparatus) kísérlet érte el. Az ALPHA volt az első kísérlet, amelynek sikerült antihidrogén-atomokat tárolnia a későbbi spektroszkópiai mérésekhez elegendő ideig. Ezt 1000 másodperces tárolással bizonyították, ami az atomi folyamatok sebességéhez képest végtelen hosszú időnek számít. Meghatározták a tárolt antihidrogén-atomok töltésének semlegességét, amivel behatárolták a lehetséges eltérést a proton és antiproton töltése között. Ezután az antihidrogén-atomok gravitációs süllyedéséből behatárolták a lehetséges különbséget a proton és antiproton gravitációs tömege között. Az ALPHA együttműködés legújabb eredménye az első spektroszkópiai észlelés antihidrogénen: sikerült a már fent említett 2S–1S atomi átmenetet két foton egyidejű elnyeletésével gerjeszteniük, és azzal tovább csökkenteni a lehetséges különbségeket atom és antiatom között. Végül pedig elvégezték az antihidrogén-átmenet pontos spektroszkópiai vizsgálatát.

Az ALPHA kísérlet a CERN antiproton-lassítójánál, baloldalt a szomszédos ASACUSA kísérlet elektronikájával Forrás: CERN

Az eredmény valóságos áttörést jelent az antianyag tanulmányozásában. A kísérletet 1992-ben javasoltuk, a CERN 1999-ben adta át a fizikusoknak az antiproton-lassítót, és mostanra sikerült több mint 25 éves elképzelésünket az ALPHA együttműködésnek megvalósítania. A kísérlet folyamán mágnescsapdába töltöttek milliónyi antiprotont. Közülük 90 000-et hoztak a csapdában elegendően alacsony energiára. 3 millió ugyancsak csapdázott pozitronnal összekeverték őket, és így létrehoztak 50 000 antihidrogén-atomot. Ezek közül 20 (húsz!) egyedet sikerült csapdában tartani, mindezt T=0,54 K (fél fokkal az abszolút nulla fölötti) hőmérsékleten.

A csapdázott antiatomokat 10 másodpercig pihentették, elegendő ideig, hogy elérjék a legmélyebb, 1S atomi alapállapotot, majd feltöltve a csapdát 300 másodpercig, hangolt, oda-vissza verődő lézerfénnyel, a lézerfrekvencia függvényében mérték az antihidrogén sugárzásos megsemmisülését a stabil állapotból a gerjesztett 2S állapotba kerülésénél. Ezek után mikrohullámú gerjesztéssel a maradék 1S állapotú atomot kibillentették csapdázott állapotából, amitől ezek is megsemmisültek. Kiváló ellenőrzési lehetőséget jelentett, hogy a kétféle mérés – a 2S megjelenése és az 1S elfogyása azonos eredményt adott a lézerfény hatására. A mintegy 15 000 antihidrogén-atomon végzett mérés eredményeként kapott átmeneti frekvencia 2x10-12 pontossággal egyezik a közönséges hidrogénatomra mérttel, tehát ilyen pontosan megerősíti anyag és antianyag egyenértékűségét.

Látjuk tehát, hogy

továbbra sem magyarázhatjuk az antianyag hiányát a világegyetemben részecskék és antirészecskék különböző tulajdonságaival, annak feltehetően kozmológiai oka van.

További információ

Horváth Dezső, MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont
horvath.dezso@wigner.mta.hu