Dne 21. září 1955 našli Owen Chamberlain, Emilio Segrè, Clyde Wiegand a Tom Ypsilantis první důkazy o antiprotonu, získané měřením jeho hybnosti a rychlosti. Pracovali v takzvané „Rad Lab“ v Berkeley a svůj experiment uspořádali na novém urychlovači Bevatron – protonovém synchrotronu, který byl navržen tak, aby dosáhl energie 6,5 GeV, což bylo dostatečné k vytvoření antiprotonu v experimentu s pevným cílem (CERN Courier, listopad 2005, s. 27). Krátce poté byly v souvisejícím experimentu vedeném Gersonem Goldhaberem a Edoardem Amaldim nalezeny očekávané anihilační „hvězdy“, zaznamenané ve stohu jaderných emulzí (obr. 1). O čtyřicet let později získal experiment na nízkoenergetickém antiprotonovém prstenci (LEAR) v CERNu kombinací antiprotonů a pozitronů v září 1995 důkazy o produkci prvních několika atomů antivodíku.

V průběhu desetiletí se antiprotony staly standardním nástrojem pro studium v oblasti částicové fyziky; slovo „antihmota“ vstoupilo do běžného jazyka a antivodík se rychle stává laboratoří pro výzkum v oblasti fundamentální fyziky. V CERNu je nyní antiprotonový decelerátor (AD) důležitým zařízením pro studium fundamentální fyziky při nízkých energiích, které doplňuje výzkumy na vysokoenergetické hranici LHC. V tomto článku se ohlédneme za některými nejdůležitějšími událostmi při studiu antihmoty v CERN a podíváme se na to, co nás v AD čeká.

V roce 1956 následoval na Bevatronu objev antineutronu pomocí anihilace neutrálních částic, který připravil půdu pro studium skutečné antihmoty. Zpočátku všichni očekávali dokonalou symetrii mezi hmotou a antihmotou díky kombinaci operací nábojové konjugace (C), parity (P) a časové reverzace (T). Po pozorování narušení CP v roce 1964 však nebylo zřejmé, že jaderné síly jsou CPT invariantní a že by se antinukleony měly vázat za účelem vytvoření antinukleonů. Tyto pochybnosti byly ukončeny objevem antideuteronu v CERNu týmem vedeným Antoninem Zichichim a v Brookhavenu týmem z Kolumbijské univerzity, jehož členy byli Leon Lederman a Sam Ting (CERN Courier květen 2009 s15a říjen 2009 s22). O deset let později se objevily důkazy o přítomnosti antihelia-3 a antitritu v experimentu WA33 na superprotonovém synchrotronu CERN poté, co bylo v Ústavu fyziky vysokých energií poblíž Serpuchova spatřeno několik kandidátů na 70 GeV protonovém synchrotronu. V nedávné době vedla dostupnost srážejících se svazků těžkých iontů k pozorování antihelia-4 experimentem STAR na relativistickém urychlovači těžkých iontů v Brookhavenu (CERN Courier, červen 2011, s. 8). V CERNu pozoruje experiment ALICE na urychlovači LHC produkci lehkých jader a antijader se srovnatelnými hmotnostmi, a tedy i kompatibilními vazebnými energiemi (obr. 2).

Vychází baryonium, vstupují nové mezony

Již v roce 1949, před objevem antiprotonu, Enrico Fermi a Chen-Ning Yang předpověděli existenci vázaných stavů nukleon-antinukleon (baryonium), když si všimli, že určité odpudivé síly mezi dvěma nukleony se mohou v systému nukleon-antinukleon stát přitažlivými. Později kvarkové modely založené na dualitě předpověděly existenci stavů složených ze dvou kvarků a dvou antikvarků, které by měly být pozorovány při anihilaci protonu s antiprotonem. V 70. letech 20. století pokračovaly jaderně-potenciálové modely předpovídající množství vázaných stavů a rezonančních excitací v okolí hmotnosti dvou nukleonů. Skutečně se objevily zprávy o takových stavech, mezi nimi i o úzkých stavech pozorovaných při anihilaci antiprotonu s protonem (pp) na protonovém synchrotronu (PS) v CERN a při měření průřezu pp v závislosti na energii (mezon S s hmotností 1940 MeV).

Baryonium bylo hlavní motivací pro stavbu LEAR v CERN, která probíhala více než deset let od roku 1982 do roku 1996 (viz rámeček). Žádný ze stavů baryonia však nebyl v LEARu potvrzen. S mezon nebyl pozorován s citlivostí desetkrát nižší, než byl dříve uváděný signál v celkovém průřezu pp. Monoenergetické přechody do vázaných stavů rovněž nebyly pozorovány. Smrt baryonia byla klíčovým tématem konference Antiproton 86 v Soluni. Co se stalo? Vysoká kvalita antiprotonových svazků z LEAR znamenala, že se všechny piony rozpadly. Vysoká intenzita antiprotonů (106/s ve srovnání s asi 102/s u extrahovaných svazků v PS) a vysoké rozlišení hybnosti 10-3-10-4 bylo při nízkých energiích rozhodující pro zastavení antiprotonů s velmi malým rozptylem

Daleko plodnější se ukázala spektroskopie mezonů vznikajících při pp anihilaci v klidu v několika experimentech v LEAR. Pokračovala tak tradice započatá v 60. letech minulého století s anihilací antiprotonů v bublinové komoře vodíku o průměru 81 cm v PS, která vedla k objevu mezonu E (E pro Evropu, nyní η(1440)) a mezonu D (nyní f1(1285)) v pp → (E, D → KKπ)ππ. První z nich vedl k dlouholeté kontroverzi o existenci kandidáta na glueball – stavu tvořeného pouze gluony – v této oblasti hmotností, který byl pozorován při radiačním rozpadu J/ψ na urychlovači e+e- SPEAR na SLAC. Se spuštěním experimentu LEAR převzaly štafetu mezonové spektroskopie v pp anihilaci experimenty ASTERIX, OBELIX, Crystal Barrel a JETSET. ASTERIX objevil tenzorový mezon – AX, nyní f2(1565) – který ohlásil i OBELIX; jeho struktura je dosud nejasná, i když by mohlo jít o předpovězený tenzorový stav baryonia.

Crystal Barrel se specializoval na detekci multineutrálních událostí. Antiprotony byly zastaveny v terči z kapalného vodíku a mezony π0 byly detekovány prostřednictvím jejich rozpadů γγ v soudkovité sestavě krystalů 1380 CsI (Tl). Obrázek 3 ukazuje detektor spolu s Dalitzovým grafem anihilace pp na π0π0π0, naměřeným experimentem. Nerovnoměrné rozložení událostí naznačuje přítomnost mezilehlých rezonancí, které se rozpadají na π0π0, jako jsou spin-0 mezony f0(980) a f0(1500) a spin-2 mezony f2(1270) a f2(1565). F0(1500) je dobrým kandidátem na glueball.

Pro vstřik do LEAR byly antiprotony o energii 3,5 GeV/c z AA zpomaleny v PS, a to až na 600 MeV/c.

Při vstřikování do LEAR byly antiprotony o energii 3,5 GeV/c zpomaleny v PS. Po uložení do LEAR byly dále zpomaleny na 60 MeV/c a poté pomalu extrahovány s typickou intenzitou 106/s. LEAR byl spuštěn v roce 1982 a uskutečnilo se v něm 16 experimentů, než byl v roce 1996 vyřazen z provozu. Magnetický prstenec LEAR žije dál v nízkoenergetickém iontovém prstenci, který tvoří součást injekčního řetězce pro těžké ionty do LHC.

LEAR také využíval počáteční chladicí experiment (Initial Cooling Experiment – ICE), skladovací prstenec navržený koncem 70. let k testování myšlenky Simona van der Meera o stochastickém chlazení antiprotonů a později ke zkoumání chlazení elektronů. Po zásadních úpravách začal elektronový chladič z ICE pomáhat při chlazení antiprotonů v LEAR a nyní slouží v současném antiprotonovém zařízení CERN, AD (CERN Courier září 2009 s. 13). ICE také přispěl k měření antiprotonů, když v srpnu 1978 úspěšně skladoval antiprotony o energii 2,1 GeV/c, což bylo světové prvenství, a udržel je v oběhu po dobu 32 hodin. Předchozí nejlepší experimentální měření doby života antiprotonů z experimentů v bublinkové komoře bylo asi 10-4 s; nyní je známo, že je to více než 8 × 105 let.

Fundamentální symetrie

Teorém CPT postuluje, že fyzikální zákony zůstávají při kombinované operaci CPT stejné. CPT invariance vyplývá z předpokladu určitých požadavků v kvantových teoriích pole, jako je Lorentzova invariance a bodové elementární částice. Porušení CPT je však možné na velmi malých délkových škálách a mohlo by vést k nepatrným rozdílům mezi vlastnostmi částic a antičástic, jako je doba života, setrvačná hmotnost a magnetický moment.

Kolelaborace TRAP (PS196) provedla v laboratoři LEAR sérii průkopnických experimentů s cílem přesně porovnat poměr náboje a hmotnosti protonu a antiprotonu pomocí antiprotonů uložených ve studené elektromagnetické (Penningově) pasti. Bylo možné pozorovat signál z jediného uloženého antiprotonu a antiprotony byly v pasti uchovávány až dva měsíce. Měřením cyklotronové frekvence obíhajících antiprotonů pomocí oscilátoru a jejím porovnáním s cyklotronovou frekvencí iontů H- ve stejné pasti tým nakonec dosáhl výsledku na úrovni 9 × 10-11 . V experimentu byly místo protonů použity ionty H-, aby se předešlo zkreslení při obrácení znamének elektrických a magnetických polí.

Podle předpokladu CPT invariance znamená porušení CP symetrie, které bylo poprvé pozorováno v neutrálním kaonovém systému v roce 1964, že je porušena i T invariance. V roce 1998 však experiment CPLEAR prokázal porušení T v neutrálním kaonovém systému bez předpokladu zachování CPT (CERN Courier březen 1999 str. 21). K0 a K0 se v závislosti na čase navzájem morfují a porušení T znamená, že v daném čase t není pravděpodobnost nalezení K0, když původně vznikl K0, rovna pravděpodobnosti nalezení K0, když vznikl K0. CPLEAR určil identitu počátečního kaonu měřením znaménka souvisejícího nabitého kaonu v anihilaci pp → K+K0π- nebo K-K0π+; identita kaonu v čase t byla odvozena detekcí rozpadů K0 → π+e- ν a K0 → π-e+ν. Obrázek 4 ukazuje, že skutečně byla pozorována malá asymetrie, která je v souladu s očekáváním vyplývajícím z porušení CP za předpokladu CPT invariance.

Teorém CPT také předpovídá, že hmota a antihmota by měly mít identická excitační spektra atomů. Antihydrogen – nejjednodušší forma neutrální antihmoty sestávající z pozitronu obíhajícího kolem antiprotonu – byl poprvé pozorován v experimentu PS210 v LEAR. Cirkulující svazek vnitřních antiprotonů o energii 1,9 GeV/c procházel terčem z xenonového klastru, což umožnilo vznik páru e+e- při průchodu antiprotonu Coulombovým polem jádra xenonu. Pár e+ by pak mohl být zachycen antiprotonem a vytvořit elektricky neutrální antivodík s hybností 1,9 GeV/c, který by mohl být detekován dále po proudu prostřednictvím své anihilace na piony a fotony. Tento proces produkce je poměrně vzácný, ale přesto kolaborace PS210 oznámila důkaz devíti atomů antivodíku, a to po zhruba dvou měsících sběru dat v srpnu až září 1995 a jen několik měsíců před vypnutím systému LEAR. Pozorování antivodíku bylo potvrzeno o dva roky později na antiprotonovém akumulátoru ve Fermilabu, i když s mnohem menším produkčním průřezem.

Na AD

Nová kapitola v příběhu antivodíku v CERNu se otevřela v roce 2000 spuštěním AD, který zpomaluje antiprotony na 100 MeV/c a poté je extrahuje pro experimenty s antihmotou a atomovou fyzikou (CERN Courier listopad 1999 str. 17). Experiment PS210 se pokoušel vyrobit antivodík za letu, ale pro studium například spektroskopie antivodíku je mnohem výhodnější skladovat atomy antivodíku v elektromagnetických pastech, stejně jako to dělal TRAP při svých antiprotonových experimentech. To vyžaduje, aby byl antivodík vyráběn při velmi nízkých energiích, čehož AD pomáhá dosáhnout.

V roce 2002 experimenty ATHENA a ATRAP v AD prokázaly produkci velkého množství pomalých atomů antivodíku (CERN Courier listopad 2002 s5a prosinec 2002 s5). ATHENA použila absorpční fólie ke snížení energie antiprotonů z AD na několik kiloelektronvoltů. Malá část svazku antiprotonů pak byla zachycena v Penningově pasti, zatímco pozitrony z radioaktivního sodíkového zdroje byly uloženy v druhé pasti. Mračna antiprotonů a pozitronů byla poté přenesena do třetí pasti, kde došlo k jejich překrytí a vzniku elektricky neutrálního antivodíku, který migroval ke stěnám kryostatu a anihiloval. Detektor antivodíku obsahoval dvě vrstvy křemíkových mikropásek pro sledování nabitých pionů z anihilace antiprotonů; soustava 192 krystalů CsI detekovala a měřila energie fotonů z anihilace pozitronů (obr. 5). V průběhu experimentu bylo vyprodukováno asi milion atomů antivodíku, což odpovídá průměrné rychlosti 10 antiatomů za sekundu.

Antihydrogen má magnetický dipólový moment (jako pozitron), což znamená, že může být zachycen v nehomogenním magnetickém poli. První pokus o to byl proveden v AD experimentem ALPHA, který úspěšně zachytil 38 atomů antivodíku v oktupolárním magnetickém poli (CERN Courier březen 2011 str. 13). Počáteční doba uchovávání antivodíku 172 ms byla později prodloužena na zhruba 15 minut, čímž byla otevřena cesta k experimentům s atomovou spektroskopií. Citlivým testem CPT je vyvolání přechodů ze singletových do tripletových spinových stavů (hyperjemné štěpení neboli HfS) v atomu antivodíku a porovnání energie přechodu s energií vodíku, která je známa s velmi vysokou přesností. V rámci projektu ALPHA byly provedeny první úspěšné pokusy o měření HfS pomocí mikrovlnného záření, přičemž se podařilo překlopit spin pozitronu a vyvrhnout 23 atomů antivodíku z pasti (CERN Courier duben 2012 s. 7).

Alternativním přístupem je provedení experimentu typu Stern-Gerlach se svazkem antivodíku. Experiment ASACUSA použil anti-Helmholtzovu cívku (cusp past) k působení sil na atomy antivodíku a k výběru atomů v daném spinovém stavu pozitronu. Polarizaci pak lze obrátit pomocí mikrovln o příslušné frekvenci. Při prvním úspěšném testu bylo za produkční oblastí detekováno 80 atomů antivodíku (CERN Courier březen 2014, str. 5).

Kolelaborace ASACUSA rovněž testovala CPT s využitím antiprotonů zastavených v heliu. Antiproton byl zachycen vyhozením jednoho ze dvou obíhajících elektronů, přičemž vzniklý antiprotonový atom helia byl ponechán ve vysokoúrovňovém, dlouhožijícím atomovém stavu, který je přístupný laserové excitaci. Použitím dvou protichůdně se šířících laserových paprsků (aby se snížilo dopplerovské rozšíření způsobené tepelným pohybem) byla skupina schopna určit poměr hmotnosti antiprotonu a elektronu s přesností 1,3 pb (CERN Courier září 2011 s. 7). Dřívější srovnání poměru náboje a hmotnosti protonu a antiprotonu provedla s přesností 0,09 ppb kolaborace TRAP v LEAR, jak je popsáno výše. Když se zkombinují výsledky z programů ASACUSA a TRAP, zjistí se, že hmotnosti a náboje protonu a antiprotonu se rovnají na úrovni nižší než 0,7 ppb.

CPT také vyžaduje, aby magnetický moment částice byl roven (minus) magnetickému momentu její antičástice. Experiment BASE, který nyní probíhá v AD, určí magnetický moment antiprotonu na 1 ppb měřením frekvence axiálních oscilací závislých na spinu v Penningově pasti vystavené silnému gradientu magnetického pole. Experimentální přístup je podobný tomu, který byl použit k měření magnetického momentu protonu s přesností 3 ppb (CERN Courier červenec/srpen 2014 str. 8). Spolupráce již porovnávala poměry náboje a hmotnosti antiprotonu a protonu, a to se zlomkovou přesností 6,9 × 10-11 (s7).

Princip slabé ekvivalence (WEP), který říká, že všechny objekty jsou v gravitačním poli urychlovány naprosto stejně, nebyl nikdy testován na antihmotě. Pokusy s využitím pozitronů nebo antiprotonů zatím selhaly v důsledku rozptylových elektrických nebo magnetických polí. Naproti tomu elektricky neutrální atom antivodíku je ideální sondou pro testování WEP. Spolupráce AEgIS v AD plánuje měřit průhyb svazku antivodíku na vzdálenost obvykle 1 m pomocí deflektometru se dvěma mřížkami. Posun moiré obrazce vyvolaný gravitací bude měřen s vysokým rozlišením (kolem 1 μm) pomocí jaderných emulzí (obr. 6) – stejnou detekční technikou, která byla použita k demonstraci anihilace antiprotonu v Bevatronu již v roce 1956.

Budoucnost je ELENA

Budoucí experimenty s antihmotou v CERNu budou těžit z projektu ELENA (Extra Low ENergy Antiproton), který bude uveden do provozu na konci roku 2017. Účinnost záchytu antiprotonů v experimentech v AD je v současné době velmi nízká (méně než 0,1 %), protože většina z nich se ztrácí při degradaci svazku 5 MeV z AD na několik kiloelektronvoltů, které vyžaduje zadržovací napětí elektromagnetických pastí. K překonání tohoto problému bude sloužit ELENA – elektronově chlazený skladovací prstenec o obvodu 30 m, který bude umístěn v hale AD -, který bude zpomalovat antiprotony až na typicky 100 keV. Předpokládá se, že rychlá extrakce (na rozdíl od pomalé extrakce, která byla k dispozici v LEAR) bude zásobovat experimenty s pastmi.

Jedním z experimentů, který bude profitovat z tohoto nového zařízení, je GBAR, jehož cílem je také měření gravitačního zrychlení antivodíku. Pozitrony budou produkovány elektronovým linakem o energii 4,3 MeV a využity k vytvoření kladných antivodíkových iontů (tj. antiprotonu se dvěma pozitrony), které mohou být přeneseny do elektromagnetické pasti a ochlazeny na 10 mK. Po přenosu do další pasti, kde se jeden z pozitronů oddělí, bude antivodík vypuštěn vertikálně střední rychlostí asi 1 m/s (CERN Courier březen 2014 str. 31).

Je třeba připomenout, že objev antiprotonu v Berkeley byl založen na přibližně 60 antiprotonech pozorovaných během sedmihodinového běhu. Svazek o energii 1,2 GeV/c obsahoval 5 × 104 více pionů než antiprotonů. Dnes AD dodává každých 100 s čisté svazky přibližně 3 × 107 antiprotonů o energii 100 MeV/c, což z laboratoře CERN činí světový unikát pro studium antihmoty. V průběhu desetiletí vedly antiprotonové svazky k objevu nových mezonů a umožnily přesné testy symetrií mezi hmotou a antihmotou. Nyní se porovnávají vlastnosti vodíku a antivodíku a přesné testy se budou provádět pomocí systému ELENA. Pravděpodobnost, že dojde k porušení přesné symetrie, je malá, protože věta CPT je základním fyzikálním zákonem. Zkušenost však ukazuje, že – stejně jako v případě překvapivého objevu nezachování parity v roce 1957 a porušení CP v roce 1964 – budou mít nakonec poslední slovo experimenty.

.