Nem titokban készül az antianyag

A Da Vinci-kód szerzőjének egy korábbi könyvéből, az Angyalok és démonokból film készül, amelynek egyes epizódjait a genfi részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben forgatták. A film egyik központi eleme az antianyag, amelyből bombát akarnak készíteni. Lehetséges-e ilyesmi? Hogyan készül az antianyag a valóságban? A kutatóintézet kihasználta a téma aktuális népszerűségét a valóságos eredmények bemutatására.

Dan Brown Angyalok és démonok című regényében elrabolják a CERN-ben előállított antianyagot, Rómába viszik, és elrejtik. Az ebből készített új fegyverrel egy titkos társaság a Vatikán elpusztításával fenyegetőzik, mert a pápaválasztást akarja befolyásolni. További részleteket nem árulunk el, de a könyv 2003-ban magyarul is megjelent (Gabo Kiadó), és a szerző újabb kötete, A Da Vinci-kód példátlan sikere után figyeltek fel rá, illetve ezért készül film belőle Ron Howard rendezésében, amelynek május közepén lesz a világpremierje.

A történet valóban fordulatos és izgalmas, de a szerző természettudományos műveltségének hiánya mulatságos, sőt nevetséges elemeket eredményezett. A regény szerint a nagy mennyiségű antianyagot ketten állítják elő nagy titokban, egy pap fizikus és fogadott leánya. Olyan titokban dolgoznak, hogy még az intézményt vezető fizikus sem tudja, hogy min munkálkodnak, meddig jutottak kísérleteikkel. Az ehhez hasonló dolgokból látható, hogy a szerzőnek fogalma sincs egy nagy kutatóintézet működéséről (az, hogy nem járt a CERN-ben, és elképzeléseit írta le a valóság helyett, a kisebbik baj). A tévedések harmadik köre magát az antianyagot érinti.

A film jobb lesz

A regényben lévő bakik ellenére, vagy éppen ezért a CERN kedvezően reagált a Sony Pictures megkeresésére. "Az a tény, hogy az Angyalok és démonok bestsellerré vált, most pedig hollywoodi film készül belőle, lehetőséget nyújt nekünk annak megmutatására, hogy a valóságban milyen izgalmas az antianyag kutatása" - mondta Sergio Bertolucci kutatási igazgató. A rendező is elégedetten nyilatkozott a tudósok segítőkészségéről. "Igyekeztek mindent érthetően elmagyarázni a stábnak. Fantasztikus munkát végeznek a tudósok" - mondta.

Kérdések és válaszok az antianyagról

A CERN más módon is kihasználta a regény hatalmas népszerűségét, és kérdések tucatjaira adott velős, szellemes és közérthető választ honlapján. Ezeket mutatjuk be az alábbiakban, más forrásokból származó információkkal kiegészítve.

Mi az a pozitron?
A pozitron az elektron antirészecskéje. Neve is erre utal: a pozitív és az elektron szavak összevonásával alkották. Mai ismereteink szerint a két részecske valamennyi jellemzője megegyezik, egyetlenegyet, a töltést kivéve: az elektron negatív, a pozitron pozitív töltésű.

Ha az antirészecskék egyetlen fizikai jellemzőjüket leszámítva éppen olyanok, mint a részecskék, akkor miért nem találjuk meg őket a környezetünkben?
A kérdésre máig sem tudunk egyértelműen válaszolni. Egyetlen dolog biztos: ha a bennünket körülvevő természetben bőven lenne antianyag, akkor nem léteznénk. Nem létezne a szilárd Föld, nem létezne a Naprendszer, nem ragyognának csillagok az égen. Mi sem léteznénk, így az antianyag titkain sem elmélkedhetnénk. Az anyag és az antianyag részecskepárok ugyanis egymással találkozva kölcsönösen megsemmisítik egymást, és szétsugároznak. A CERN-ben zajló fizikai kutatások egyik célja az anyag és az antianyag eltéréseinek feltárása. Az ősszel újrainduló nagy hadronütköztetőnél (LHC) is terveznek antianyag-kísérleteket.

Az antianyag lesz a jövő energiaforrása? Lehet-e antianyagbombát készíteni?
A könyv szerzője optimista: "Az antianyag hatalmas ígéret, nem jár vele sem szennyezés, sem sugárzás, egyetlen cseppje egy egész napra ellátná energiával New York városát. A fosszilis fűtőanyagok fogyóban vannak, az antianyag hasznosításának ígérete hatalmas ugrás lehet bolygónk jövőjébe. Természetesen az antianyag-technológia megvalósítása ijesztő dilemmát hoz magával. Megvédi majd a világot, vagy a valaha volt legpusztítóbb fegyver létrehozására fogják felhasználni?"

Érdemes a bomba és az energetika kérdésével tehát részletesebben is foglalkozni. Azért nem lehet antianyagbombát készíteni, mert a mai technikával nem vagyunk képesek belátható időn belül elegendő antianyagot létrehozni, és nem lennénk képesek egy nagyobb mennyiséget megfelelő sűrűségben tárolni. Kissé megtévesztő a kifejezés, hogy egyes fizikai laboratóriumokban "antianyag-gyár" működik. Ezekben a "gyárakban" a korábbi módszerekhez képest valóban nagyüzemi antianyag-gyártás folyik, de az így előállított mennyiség csak a kísérleti fizikusok méréseihez elegendő, praktikus célokra, például bomba készítésére nem.

Mennyi idei tartana egy antianyagbomba elkészítése?
A CERN-ben másodpercenként tízmillió antiprotont tudnak létrehozni. A Hirosimában ledobotthoz hasonló, 20 kilotonna TNT robbanóerejű bombát mindössze fél gramm antianyagból létre lehetne hozni. A fél gramm igazán nem tűnik soknak, de a másodpercenként tízmillió darabos gyártási teljesítménnyel körülbelül egymilliárd évre lenne szükség a legyártásához. Érdemes ezt az időtartamot összevetni bolygónk 4,6 milliárd éves korával és azzal, hogy alig hatezer éve ért véget a csiszolt kőkorszak és kezdődött el a rézkorszak az emberiség történetében.

Ron Howard rendező és a női főszereplő, Ayelet Zurer a CERN egyik irányítótermében a forgatás alatt

Megnyugtató tehát a végeredmény: jelenleg nem tudunk antianyagbombát csinálni. Megnyugvásunkat tovább erősítheti az a tény, hogy ha belátható időn belül mégis képesek lennénk legyártani a fél gramm antianyagot, akkor sem lennénk képesek együtt tartani az egynemű töltéseket.

A CERN honlapján egy érdekes összehasonlítást olvastam. Az atombombát a tudósok reális lehetőségnek tartották az első szerkezet megépítése, sikeres kipróbálása előtt. A bombák bevetése azonban teljesen meglepte és ámulatba ejtette a közvéleményt. Az antianyagbombát viszont elképzelhetőnek tartják a laikusok, szeretnének többet tudni róla, miközben a szakemberek már régen tudják, hogy gyakorlatilag kivitelezhetetlen.

Tenyérben is hordható bomba

A katonaság természetesen szorosan nyomon követi a megszülető tudományos eredményeket, és azonnal elemzik, tudják-e valamire használni az új felfedezést. Gyakran katonai költségvetésből finanszírozzák a legmerészebb kutatásokat, pénzt adnak olyan elgondolások kipróbálására is, amelyet a szakemberek többsége elutasít, lehetetlennek tart. Mert mi van, ha az egy ezrelék vagy még kisebb esély bejön, de nem nálunk, hanem a potenciális ellenségnél.

Sajtójelentések szerint a hidegháború éveiben az US Air Force, az amerikai légierő jelentős összeggel támogatta az antianyaggal kapcsolatos alapkutatásokat. Az elképzelt kis mérettel együtt járó hatalmas pusztítóerő, a tenyérben is hordható bomba lehetősége vonzó volt számukra. Egy pozitronbomba bevetése nem járna radioaktív szennyezéssel, ideális "tiszta bomba" lehetne.

Lesznek-e antianyag-üzemanyagú erőműveink?
Az anyag-antianyag-szétsugárzás lesz a legtisztább energiaforrás? A válasz ismét nem, sajnos nem. A napenergiától, a széntől vagy az olajtól eltérően az antianyag nem lelhető fel földi környezetünkben. Minden egyes antianyag-részecskét hatalmas energiabefektetéssel kell előállítanunk. Ez a befektetett energia sokkal nagyobb annál, mint ami az anyag-antianyag szétsugárzás során megjelenik. Tehát nem kapnánk vissza a folyamat elején befektetett energiát, energianyerés helyett csak pazarolnánk a meglevőt, ezért nem tervezünk és építünk antianyag-erőművet. A tudományos kísérletekhez nagy energiabefektetéssel egy egész év alatt előállított összes antiproton szétsugárzása egyetlen villanykörte fényéhez adna néhány másodpercre energiát. (A tudományos-fantasztikus irodalomban és a hasonló műfajú filmekben ezeket a problémákat már megoldották: a Star Trek sorozat világában természetes, hogy az USS Enterprise űrhajót antianyag-reaktor látja el energiával.)

Az antianyag csak akkor játszhatna szerepet a jövő energiaellátásában, ha valahol nagy mennyiségű kész antianyagra bukkannánk egy távoli galaxisban. Akkor nem kellene nehéz munkával létrehozni az antianyagot, hanem egyszerűen felhasználnánk, éppúgy, ahogy felhasználjuk a felszínre hozott olajat. A Világegyetem általunk megismert hatalmas, milliárd fényévekre elterülő részében azonban sehol sincs nagyobb mennyiségű antianyag.

A gyors csillagközi utazáshoz is antianyagra lenne szükség. Becslések szerint 17 gramm antianyaggal egy robot akár 40 év alatt elérhetne a 4,3 fényév távolságra levő Alfa Centauri csillaghoz. Kiszámították a költségeket is: a jelenlegi technológiával 1 milliomod gramm (mikrogramm) antianyag előállítása 60 milliárd amerikai dollárba kerül. Egyetlen gramm ára tehát 60 trillió dollár, azaz 12 ezer trillió forint.

A történetnek van egy általánosítható, nemcsak a fizikára érvényes tanulsága. Érdemes követni a CERN példáját, azt, ahogyan a népszerű könyvre és a filmforgatásra reagáltak. Más sikerkönyvek, filmek, bulvárlapok, televíziók is tárgyalnak tudományos témákat. Nem jó megoldás, ha nem veszünk róluk tudomást, ha úgy teszünk, mintha nem léteznének. Ki kell használni a témák mások által teremtetett népszerűségét a valóságos eredmények bemutatására.

Antianyag-gyárak a valóságban, magyar közreműködéssel

2000-ben új program indult a CERN-ben az antianyag tanulmányozására, működésbe lépett az antiproton-lassító (Antiproton Decelarator). Az antiprotonok előállítása egy hatalmas régi részecskegyorsítóban, a 26 GeV energiájú protonszinkrotronban kezdődik. Ezután a nagy energiájú antiprotonokat adagokban, csomagokban juttatják át a következő egységbe. Ez egy CERN-méretekben kicsinek minősülő részecskegyorsító, kerülete mindössze 188 méter. Tulajdonképpen ez nem is gyorsító, hanem lassító, hiszen az antiprotonokat alaposan lelassítják benne. Az antiprotonok sebessége itt már végül csak alig tizede a fénysebességnek.

A CERN-ben három nagy kísérleti rendszer várja az antiprotonokat. Két kísérletben (ALPHA és ATRAP) az antiprotonokhoz antielektront adnak hozzá, atomi antihidrogént hoznak létre. Az antihidrogén-készítéshez tovább kell lassítani a gyárból érkező antiprotonokat. Az elektromágneses tér segítségével zárják ketrecbe őket, sebességük ekkor már csak a fénysebesség milliomodrészének nagyságrendjébe esik. Korábbi sebességükhöz képest szinte állnak, és így hozzá lehet kezdeni alaposabb tanulmányozásukhoz. Az erősen gerjesztett állapotban keletkező antiatomok spektrumvonalait vetik egybe a "normális" hidrogén spektrumvonalaival. Ebből következtetni lehet a CP- és a CPT-szimmetriák teljesülésére, illetve sérülésére, ami választ adhat arra a kérdésre is, hogy miért az anyag lett kitüntetve az antianyaggal szemben az Univerzumban.

A harmadik kísérlet az ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) nevet kapta, ez egy japán-dán-magyar együttműködés. A magyar csoport vezetője Horváth Dezső, a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) tudományos tanácsadója, a Debreceni Egyetem professzora. A kísérleti berendezés egyik fontos részét az RMKI-ben építették meg, a kutatócsoportban budapesti és debreceni fiatalok dolgoznak. Ők is csapdába zárják az antiprotonokat, méghozzá egy természetes csapdába, a héliumatomba. A negatív töltésű antiproton az egyik elektron helyébe lép, és így egy nagyon különleges atom jön létre, ezen pedig részletesen tanulmányozni lehet az antiproton és a közönséges anyag kölcsönhatását.

Horváth Dezsőt régóta foglalkoztatja az antianyag világa. Legtöbbet idézett munkája az a nagy tanulmány, melyet 1994-ben írt négy társszerzővel a CERN vezetése számára az antianyag-fizika tudományos jelentőségéről, megvalósíthatóságáról és módszertanáról. A mai antianyag-gyár megépítésére vonatkozó döntés előkészítésében ennek komoly szerepe volt.