Megsérült világszimmetriák

Az Univerzum általunk belátható részében sehol sincs nagyobb koncentrációban antianyag, a zöme valamiért eltűnt a Nagy Bumm után. Mi lehet az antianyag azon tulajdonsága, amely megmagyarázza ezt az aszimmetriát?

Az antianyag előállítása ma már nem lehetetlen feladat, életben tartani, tárolni azonban rendkívül nehéz. A CERN fizikusainak elsőként sikerült antianyag-atomokat csapdába ejteni és stabil körülmények között tartani - tették közzé a Nature hasábjain a múlt héten. Az eredmény fontos előrelépés afelé, hogy a rejtélyes antianyag tulajdonságait kísérletileg vizsgálni lehessen.

Minden részecskének van antirészecskéje. A részecske-antirészecske párok minden fizikai tulajdonsága megegyezik, kivéve elektromos töltésük, amely azonos nagyságú, de ellentétes előjelű. Az elektron antirészecskéje, a pozitron létezését Paul Dirac jósolta meg 1928-ban, majd négy évvel később Carl Anderson kísérletileg is kimutatta a kozmikus sugárzás folyamataiban. Az antiprotont és antineutront 1955-ben fedezte fel Emilio Segré és Owen Chamberlain. Azóta számos részecske anti-párját megfigyelték már, s létezésük alapvető tétele az elméleti részecskefizikának.

Szimmetria és szimmetriasértés

A fizikusok sokáig úgy gondolták, hogy a fizika törvényei tökéletesen töltésszimmetrikusak (C-szimmetrikusak), azaz, ha egy folyamat fizikailag lehetséges, úgy a folyamat létrejön akkor is, ha az abban részt vevő minden részecskét antirészecske párjára cseréljük. Ha például létezik hidrogénatom, amely egyetlen elektron és proton kötött állapota - márpedig létezik -, akkor léteznie kell anti-hidrogénatomnak is, melyben a pozitív antielektron kering a negatív antiproton körül. Ez az antianyag legegyszerűbb formája.

Azonban ha ez a tökéletes szimmetria fennállna, akkor mi most nem lehetnénk itt! Ugyanis egy részecske antirészecskéjével találkozva szétsugárzódik (annihilálódik), a két részecske tömege - esetleg több lépésben - fotonok energiájává alakul át. Márpedig a szimmetria miatt az Ősrobbanásban részecskék és antirészecskéik azonos mennyiségben kellett, hogy keletkezzenek, ezek pedig nagyon rövid idő alatt szétsugároztak volna, maguk után hagyva az üres, anyag nélküli fotontengert. Ha a részecskék valamilyen módon mégis túlélték volna az annihilációt, akkor a szimmetria miatt ma azonos mennyiségben kellene anyagot és antianyagot látnunk, márpedig az Univerzum általunk belátható részében sehol sincs nagyobb koncentrációban antianyag. Hova tűntek hát az antirészecskék?

Az 1950-60-as évek a szimmetriasértések felfedezésének időszaka volt a részecskefizikában. Először olyan bomlási folyamatra bukkantak, amelyben sérül az ún. tértükrözési szimmetria (P-szimmetria): kiderült, hogy a - képletesen szólva - "balkezes" neutrínó tükörképe, a "jobbkezes" neutrínó nem létezik a természetben, s épp ellenkezőleg, minden antineutrínó "jobbkezes". Ebből rögtön következik, hogy a töltésszimmetriának is sérülnie kell, hiszen a "balkezes" neutrínó C-tükörképe "balkezes" antineutrínó, ami tehát nem létezik. Ezért minden olyan folyamat, amelyben neutrínó is részt vesz, sérti a töltésszimmetriát. A C-sértés felfedezése után megállapították, hogy a külön-külön érvényesülő P- és C-sértés kompenzálja egymást, így az egyesített CP-szimmetria nem sérül: ha a "balkezes" neutrínót "jobbkezes" antineutrínóval helyettesítjük, akkor fizikailag lehetséges folyamatot nyerünk.

Csak "balkezes" neutrínó és "jobbkezes" antineutrínó létezik a természetben (jobb- illetve balkezes egy részecske attól függően, hogy a részecske forgásának - spinjének - a haladási irányra vett vetülete azonos vagy ellentétes irányú a haladással). Ez sérti a C- és P-szimmetriát, azonban a CP-szimmetria ebben az esetben teljesül

Ez a megnyugtató helyzet azonban csak néhány évig állt fenn, 1964-ben ugyanis olyan részecskefizikai folyamatot fedeztek fel, amelyben sérül a CP-szimmetria. Mai tudásunk szerint a C-, P- és CP-szimmetriát a négy alapvető kölcsönhatás közül az ún gyenge kölcsönhatás bizonyos folymatai sértik meg. Az ún. CPT-szimmetria viszont kivétel nélkül, mindig érvényesül; itt T az időtükrözést jelenti. Vagyis ha egy fizikailag lehetséges folyamatban a részecskéket antirészecskéikre cseréljük, tükrözünk a térben, majd az egész folyamatot időben visszafelé játszuk le (akármilyen sorrendben is végezzük el ezeket), akkor szintén lehetséges folyamatot kapunk. Ez az elméleti részecskefizika alapvető posztulátumaiból is következni látszik.

Nagy kérdés, hogy a CP-szimmetria sérülése elegendő-e a világban tapasztalt anyagdominancia megmegyarázásához, továbbá, hogy a CPT-szimmetria tényleg olyan alapvető-e. Mi lehet tehát az antianyag azon tulajdonsága, amely eltér az Univerzumot kitöltő anyagétól, s amely megmagyarázza az aszimmetriát?

A CERN ALPHA-kísérletében (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) dolgozó nemzetközi kutatócsoport erre a kérdésre keresi a választ, a legegyszerűbb antianyag-szerkezet, az anti-hidrogénatom vizsgálatával. Ehhez azonban ezt először elő kell állítani!

Hogy készül az antihidrogén?

Az antihidrogén-program 1995-ben indult be, amikor a CERN-ben sikerült néhány antiatomot előállítani. 2002-ben, az ATHENA és ATRAP kísérletekben már nagy mennyiségben gyártották az antihidrogént, másodpercenként ezres nagyságrendben. Azonban az antirészecskék tanulmányozáshoz szükséges tárolás még nem volt megoldott: az antiatomok túl nagy energián keletkeztek, s pillanatokon belül a berendezés falát alkotó anyagba csapódtak és szétsugároztak. A hűtés és csapdázás technológiájában hozott újdonságot az ALPHA-program legutóbbi kísérlete, melyben közel két tized másodpercig tartottak fogva anti-hidrogénatomokat.

Az antiproton-lassító (Antiproton Decelarator) és az erre települt kísérletek csarnoka a CERN-ben

Az anti-hidrogénatom alkotóelemei nagyenergiás részecskereakciókban állíthatók elő: az CERN nagy hadronütköztetőjét ellátó protonok egy részét fém céltárgynak bombázzák, a reakció során antiprotonok is keletkeznek; nátrium radioaktív bomlásának termékeként pedig pozitron áll elő. Az így létrejövő nagyenergiás antirészecskék azonban kezelhetetlenek, rövid idő alatt annihilálódnak a környező anyagban. Ezért először különböző hűtési eljárásokkal, elektromágneses mezőben, hideg részecskék fürdőjében lelassítják a részecskéket. Az így létrejött lassú antiprotonokat és pozitronokat egy részecskecsapda egyik, illetve másik végéhez vezetik, ahol - lévén mindkettő töltött - elektromágneses tér segítségével foglyul ejtik őket, egy antiproton-, illetve egy pozitroncsomagot hozva létre. Végül egy osszcilláló tér segítségével összerázzák a két csomagot, így az antiprotonok begyűjthetnek egy-egy pozitront, s kész az anti-hidrogénatom.

Az így előálló semleges antiatomok azonban már nem hatnak kölcsön az eredeti csapdázó térrel, így az egyesülés után kontrollátlanul a csapda falába csapódnak és annihilálódnak. Az ALPHA-csapatnak sikerült megvalósítania egy régóta ismert technikát: az antihidrogén ugyan töltetlen, de - a pozitron spinje, illetve pályamomentuma miatt - mágneses momentummal rendelkezik, ezért egy alkalmasan megválasztott mágneses térrel fogva lehet tartani. Ez a kölcsönhatás jóval gyengébb, mint az eredeti csapdában, ezért csak különösen lassú antiatomokat képes megtartani. A csapda, melyet Brookhavenben gyártottak, egy speciális, úgynevezett kvadrupol-mágneses teret állít elő.

E tér hatása az antirészecskékre jóval gyengébb, mint az eredeti csapdában, ezért csak különösen lassú anti-atomokat képes megtartani. Végül két tizedmásodperc elteltével lekapcsolták a csapda mágneses terét előállító szupravezető mágnest, kiengedték az antiatomokat a csapdából, és detektálták a szétsugárzásukat a falban.

A kísérletet - az antihidrogén előállításától a mágnes kikapcsolásáig - 335-ször futatták le az ALPHA-nál, egy futás egyetlen másodpecig tartott. Ezalatt több százmillió antiproton és pozitron felhasználásával több százezer anti-hidrogénatom keletkezhetett, melyeknek döntő többsége még a mágnes leállítása előtt annihilálódott. Összesen 38 anti-hidrogénatomról állítható biztosan, hogy két tized másodpercig rabságban volt a csapdában.

"Az alkalmazott precíziós technológia - a hűtő és csapdázó elektromágneses terek hangolásától kezdve a szupravezető mágnes gyors hűtésén keresztül az annihiláció detektálásáig, a keresett események kiválogatásáig - elképesztően kényes" - mondja Horváth Dezső, a KFKI RMKI főosztályvezetője, a CERN egy másik antianyag-kísérlete, az ASACUSA munkatársa. "Számomra a legfeltűnőbb technológiai teljesítmény a csapda szupravezető mágnesének gyors kikapcsolása, quench-elése volt" - teszi hozzá Horváth. "Normálisan egy mágnest sok ezerszer lassabban állítunk le, hogy a rendszer ne menjen tönkre. De a hatékony detektáláshoz az ALPHA-nek hirtelen kellett kiengednie az antihidrogéneket. És ez sikerült is!"

Milyen lehet a stabil antianyag?

Az anti-hidrogénatomok rabságban töltött ideje, ez a két tizedmásodperc kevésnek tűnik, de már elegendő lehet arra, hogy egyszerű vizsgálatokat elvégezzenek az anti-atomokon. Az ALPHA-kísérlet egyik feladata, hogy adatokat szolgáltasson az anti-hidrogénatom energiszintjeinek szerkezetéről, s összevethessék azt a standard hidrogénatoméval. "Mindenestre addig is folyamatosan próbáljuk növelni a csapdázott antiatomok számát és a csapdázási időt, hogy az antianyagot minél stabilabb formájában tanulmányozhassuk majd" - mondja a tervekről Joel Fajans, a Berkeley Egyetem professzora, az ALPHA-kísérlet munkatársa.

Az antianyag kutatás egy másik központja a CERN-ben a nagy hadronütközetető LHCb detektora. Itt az úgynevezett b-kvarkokat tartalmazó részecskék folyamatait vizsgálják. Az LHCb-től azt várják a kutatók, hogy minden eddiginél pontosabb információt szolgáltat majd a CP-sértés részleteiről.

Gömöri Márton