Podle Einsteinovy obecné teorie relativity by měla hmota působit na tělesa z antihmoty stejně jako na tělesa z hmoty. Její součástí je totiž princip ekvivalence, který říká, že působení gravitace nezávisí na složení a struktuře hmoty. Objekt z antihmoty tak bude v gravitačním poli Země padat se stejným zrychlením jako objekt z hmoty. Jeho pád na povrchu Země bude tedy dán známou hodnotou gravitačního zrychlení 9,81 m/s2.
Existují však hypotetické exotické teorie gravitace, ve kterých se může působení gravitace Země na hmotu lišit od vlivu na antihmotu. Pád tělesa z antihmoty v poli Země tak může být pomalejší. Že by se antihmota s hmotou gravitačně odpuzovaly, to je sice spíše námět pro sci-fi, ale zatím nelze existenci ani takové antigravitace vyloučit.
Zjistit skutečnou situaci můžeme pouze pomocí studia pádu předmětu z antihmoty v gravitačním poli země. Kdyby měl Galileo Galilei k dispozici kromě koulí z různých materiálů a různou hmotností i kouli z antihmoty, mohl by pomocí svých pokusů s pády těchto koulí a jejich valením po nakloněné rovině zjistit, zda i tyto padají stejně rychle. A pokud je legenda o jeho experimentech s pády koulí ze šikmé věže v Pise pravdivá (dnes se má spíše za to, že není), tak by mu i v tomto případě pomohly odhalit skutečnost.
Detail pasti na antihmotu experimentu AEGIS (zdroj CERN)
Protože však Galileo kouli z antihmoty neměl, zůstalo řešení otázky gravitačního působení mezi hmotou a antihmotou na současných fyzicích.
Kde vzít antihmotu
Postavit experiment s pádem antihmotného tělesa v gravitačním poli Země však není nic jednoduchého. Bohužel nemáme žádné doly na antihmotu, kterou bychom mohly využít pro přípravu antihmotných těles. Navíc nám vzniklá antihmota mizí v oslnivém výbuchu anihilace, pokud narazí na hmotu. Zatím dokážeme produkovat pouze antičástice a získávání a hlavně udržení složitějších struktur z antihmoty je teprve v plenkách.
Antičástice získáváme v rozpadech nebo ve srážkách částic urychlených na velmi vysoké kinetické energie a tedy rychlosti blízké rychlosti světla. Produkované antičástice tak mají také rychlosti blízké rychlosti světla a v tomto stavu tak těžko můžeme zkoumat jejich pád.
S neutrálními částicemi nelze udělat nic, ale ty nabité můžeme zpomalit pomocí elektrických polí v zařízení, které funguje jako obrácený urychlovač a můžeme jej označit jako zpomalovač. To se týká například antiprotonů.
Ovšem gravitační pád zpomalených nabitých antičástic se také studovat nedá. Jsou totiž velmi lehké a vzhledem ke své hmotnosti mají relativně hodně vysokou hodnotu elektrického náboje. Elektrická a magnetická pole v materiálech a prostředí pak na ně působí o mnoho řádů větší silou než gravitační pole Země. Pro studium gravitačního pádu antihmoty tak potřebujeme elektricky neutrální objekt z antihmoty. A tím nejlehčím je antivodík.
Jak se v laboratoři CERN produkují antivodíky
Jediným místem, kde se antivodíky produkují, je evropská laboratoř CERN. Zde je unikátní zařízení, které se označuje jako antiprotonový zpomalovač. Antiprotony se produkují s využitím protonového synchrotronu, což je urychlovač, který protonům dodá kinetickou energii mnohonásobně přesahující jejich klidovou.
Protony, které tak mají rychlost blízkou rychlosti světla, se pak vyšlou na velký terč z wolframu. Při interakci protonů s těžkými jádry vznikají dvojice protonu a antiprotonu. Pomocí systému elektrických a magnetických polí se z částic vzniklých ve srážkách protonů s jádry wolframu vytřídí právě antiprotony a ty se předají do zmíněného antiprotonového zpomalovače. Ten vyrovná jejich rychlosti a začne je zpomalovat.
Když jejich kinetické energie dosáhnou hodnot 5 MeV, což je jen půl procenta jeho energie klidové, předá je některému z experimentů, které vlastnosti antihmoty studují. Ty antiprotony zpomalí ještě více a zachytí je do magnetické pasti. Do ní pak vstříknou také pozitrony, což jsou antihmotní partneři elektronů. Ty se získají z beta plus rozpadu radioaktivního izotopu sodíku 22. Magnetické pole pasti dokáže udržet plasma složené z nabitých antiprotonů a pozitronů. Toto plasma začne postupně ochlazovat.
Teplota je dána chaotickým pohybem částic, které ji tvoří. Ochlazováním se tak snižuje rychlost vzájemného chaotického pohybu antiprotonů a positronů. Pokud je teplota plazmatu dostatečně nízká, začne docházet k zachycení positronu antiprotonem a ke vzniku antivodíku. Ten je neutrální, past jej neudrží a antivodík při kontaktu se stěnou nádoby pasti anihiluje.
Positron anihiluje s elektronem za vzniku dvou fotonů záření gama a antiproton anihiluje s protonem za vzniku několika mezonů pí. Vznik a anihilace antivodíku se tak dají velice dobře identifikovat.
Panoramatický pohled na experimentální část zařízení AEGIS s otevřenou nádobou pasti s magnetem jeden Tesla ve středu obrázku (zdroj CERN)
Jestliže chceme studovat vlastnosti antivodíku, musíme najít způsob, jak jej udržet a nedovolit mu, aby se setkal s hmotou a anihiloval. K tomu lze využít jednu jeho vlastnost. Antivodík sice nemá náboj, ale má magnetický dipólový moment. Je tedy vlastně takovou malou magnetkou. A s magnetkami je možné pomocí magnetického pole manipulovat.
Je tak možné zkonstruovat magnetickou past, která udrží nejen nabité antiprotony a positrony, ale pomocí jejich magnetického dipólového momentu i neutrální antivodíky. Je to mnohem náročnější a je potřeba mnohem komplikovanější a intenzivnější nehomogenní magnetické pole, ale v laboratoři CERN se takovou past vytvořit podařilo.
Pomocí takové pasti se daří experimentu ALPHA, což je jeden ze zmiňovaných experimentů u antiprotonového zpomalovače, zachycovat a udržovat antivodíky až stovky sekund. To umožnilo měřit velice přesně, do jaké míry je antivodík opravdu neutrální. Tedy, zda je shodná hodnota velikosti náboje u antiprotonu a positronu.
Zavřená past experimentu AEGIS s magnetem jedna Tesla, nalevo je poslední vakuová turbopumpa (zdroj CERN)
Nedávno se podařilo poprvé provést spektrometrii antivodíku a srovnat přechody v atomech vodíku a antivodíku. Pomocí laseru se studoval přechod z nejnižšího stavu do toho základního, při kterém se vyzáří viditelné záření s vlnovou délkou 121,5 nm. Srovnáním energie tohoto přechodu u vodíku a antivodíku tak ověřujeme, zda jsou setrvačné hmotnosti a náboje částic a antičástic shodné.
AEGIS aneb studujeme pád antivodíku
Mezi experimenty využívajícími antiprotonový zpomalovač je i AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy). Ten je dominantně zaměřen na zkoumání pádu antivodíku v gravitačním poli Země.
I tento experiment zachytí antiprotony do pasti a jejich rychlosti chaotického pohybu postupně dramaticky sníží, teplota antiprotonového oblaku je pak u hodnoty 100 mK. Pozitron se antiprotonu dodává prostřednictvím pozitronia. To je vázaný systém elektronu a pozitronu. Pokud je tento systém ve vysoce excitovaném stavu (tzv. Rydbergovo pozitronium), může lehce předat pozitron antiprotonu a vznikne antivodík ve vysoce vybuzeném Rydbergově stavu.
Proud takových antivodíků se pak velice pomalou rychlostí pohybuje do Moirého deflektometru. To je systém za sebou umístěných mřížek, které vytvoří systém paralelních svazků antivodíků.
Pak následuje v přesně definované vzdálenosti polohově citlivý detektor, ve kterém po dopadu antivodík anihiluje. Detektor určí velice přesně místo, kde k anihilaci došlo. Z obrazu periodické struktury mřížky, který se na polohově citlivém detektoru vytvoří, lze zjistit průběh pádu antivodíků a tím i jejich gravitační zrychlení.
Experiment, který je velice náročný, by se měl rozběhnout již v tomto roce. Magnetické pasti i další zařízení jsou připraveny. První výsledky by měly být získány v nejbližších letech. Úplně první měření gravitačního pádu antivodíku se sice již podařilo experimentu ALPHA, ale u něj byla taková velká míra nejistoty, že nevylučuje ani odpuzování mezi hmotou a antihmotou. Teprve experiment AEGIS by měl umožnit dostatečně přesná měření. Předpokládá se, že přesnost určení gravitačního zrychlení antihmoty by mohla být zhruba jedno procento.
Experiment s českou stopou
Na experimentu AEGIS spolupracují kolegové ve skupině experimentální jaderné a částicové fyziky z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. Soustředili se na simulace pohybu Rydbergových antivodíků v magnetické pasti. Na práce svého předchůdce Michala Špačka, který odvodil potřebné vztahy popisující pohyb antivodíků v pasti, navázaly studentky obhajující v polovině února 2017 své bakalářské práce. V nich testovaly různé režimy pohybu antivodíků s různými rychlostmi a simulovaly jejich pohyb a udržení v pasti.
Po úspěšné obhajobě budou pokračovat ve spolupráci na tomto projektu, který se dostává do fáze reálného měření. První měření budou mít omezenou přesnost. Ta by se měla dramaticky zvýšit poté, až se spustí zpomalovací stupeň ELENA (Extra Low ENergy Antiproton ring), který bude mezi zpomalovačem antiprotonů a experimenty. Dokáže zpomalit antiprotony s kinetickou energií 5 MeV na energii pouhých 0,1 MeV. Tímto se budou antiprotony předávat experimentům mnohem efektivněji a s daleko menšími ztrátami.
Jaké důsledky by mělo zjištění, že gravitace působí na antihmotu rozdílně oproti hmotě?
Pokud by se zjistilo, že gravitační pole Země působí na antihmotu jinak než na hmotu, znamenalo by to, že neplatí princip ekvivalence. Ten říká, že gravitace působí na hmotu stejně bez ohledu na její strukturu a složení.
Znamená to že gravitační hmotnost je stejná jako setrvačná. Jedná se o fundament Einsteinovi obecné teorie relativity. Případným pozorováním rozdílu mezi setrvačnou a gravitační hmotností by musela být nalezena náhrada této teorie a padly by všechny teorie gravitace, které se opírají o princip ekvivalence.
Přesná měření by umožnila zjistit rozdíl v pohybu antihmoty a hmoty v gravitačním poli Země a zjistit, která z exotických teorií gravitace je správná, případně by se zjistilo, že jsou špatné všechny a musela by se hledat nějaká úplně nová. Pokud by zemská gravitace dokonce hmotu odpuzovala, tak vlastně získáme antigravitaci, a to už je opravdová exotika, až skoro sci-fi.
U všech experimentů tak bude možné mít mnohonásobně více antivodíků a tím uskutečnit i mnohem přesnější měření. První testy zpomalovacího stupně ELENA se uskutečnily na přelomu loňského a letošního roku. Nyní se k němu budou postupně připojovat jednotlivé experimenty. Experiment AEGIS by měl přijít na řadu v roce 2019. V té době už by měl mít první samostatnou etapu svých měření za sebou.
Porovnání vlastností hmoty a antihmoty je jedním z nejdůležitějších úkolů fundamentálního výzkumu. Rozdíly jsou zodpovědné za to, že vůbec existujeme. Jen díky nim zůstal po Velkém třesku malý přebytek hmoty nad antihmotou a vše nezmizelo ve velké anihilaci. Jistá asymetrie je obsažena již v současné teorii popisující strukturu hmoty – Standardním modelu hmoty a interakcí. Ovšem Standardní model vede ke shodnému spektru záření vodíku a antivodíku.
Jak už bylo zmíněno, současná klasická fyzika reprezentovaná Einsteinovou obecnou teorií relativity předpokládá shodu gravitačního působení Země na objekty z hmoty a antihmoty. Každé pozorování rozdílu spekter vodíku a antivodíku nebo jiné gravitační zrychlení pro antivodík by byl průlom do nové exotické fyziky, což je pochopitelně sen každého fyzika. I proto je nádherné, že i čeští fyzici a studenti jsou do těchto fascinujících výzkumů zapojení.