Először figyeltek meg antianyagból álló héliumot

Úttörő eredmény: antihélium-atommagokat észleltek egy amerikai részecskegyorsítóban. Ez az eddigi legnehezebb anti-atommag. Ha az űrben is sikerülne észlelni, akkor mégis létezhetnek antianyag-galaxisok.

Az általunk ismert Világegyetemben nem látunk antianyagból álló galaxisokat. Ezeket óriási ragyogás övezné, mert antianyaguk találkozna az őket övező anyaggal, és a részecskék energiává alakulnának át (szétsugárzódnának). Ilyet egyelőre nem sikerült megfigyelni a csillagászoknak: az általunk belátható Univerzumban nincs jelentős mennyiségű antianyag.

Az Univerzum kezdeti eseménye, a Nagy Bumm után közvetlenül azonban olyan gyors volt a tágulás, hogy egyes tartományok az általunk most belátható részeken kívülre kerülhettek. Az is lehetséges, hogy néhány ilyen, általunk nem ismert tartományban az antianyag dominál az anyag felett. (Az antianyagról részletesen itt olvashat.)

Kérdés, hogy az általunk ismert Világegyetemben miért az anyag uralkodik? Hová tűnt belőle az antianyag? A Nagy Bumm során ugyanis az elméletek szerint egyenlő mennyiségben kellett keletkezniük. Erre a kérdésre a Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) egyik kísérletétől, az LHCb-től remélik a választ.

Most azonban egy másik gyorsítótól, az amerikai Relativisztikus Nehézion Ütköztetőtől (RHIC, Brookhaven National Laboratory) jelentettek be az antianyag-kutatással kapcsolatos eredményt. A STAR-kísérletben először figyelték meg antihélium-atommagok keletkezését.

Az antihélium-atommagok (más néven anti-alfarészecskék) két antiprotonból és két antineutronból állnak, szemben a "normális" hélium két protonjával és két neutronjával. Ez a hélium 4-es tömegszámú, a leggyakoribb és legstabilabb izotópjára vonatkozik (⁴He).

Az antihélium-atommagok (más néven anti-alfarészecskék) két antiprotonból és két antineutronból állnak. Keletkezésüket először figyelték meg az amerikai Relativisztikus Nehézion Ütköztetőben (RHIC)

Hogyan jött létre antihélium a STAR-detektorban? Ha az antiprotonokat és antineutronokat tovább bontjuk, akkor azt látjuk, hogy mindkettőt úgynevezett antikvarkok (a kvarkok antipárjai) alkotják. A RHIC-nél óriási energiára felgyorsított arany-atommagokat ütköztetnek egymással. Az ütközések során egy igen rövid időre létrejön a kvark-gluon-plazma, amelyben szabadon fordulnak elő a kvarkok és antikvarkok (illetve az őket összetartó gluonok). Ilyen "ősanyag" az Univerzum kezdetekor töltötte ki a teret, és ebből jöttek létre az általunk ismert részecskék (részletesen lásd itt).

Mivel a kvark-gluon-plazma antikvarkokat is tartalmaz, a kísérletek során antiatommagok is összeállhatnak belőle. A hélium 4-es tömegszámú változatához nem kevesebb mint 12 antikvarknak kellett összeállnia teljesen véletlenül (az antiprotonok és antineutronok is 3 antikvarkot tartalmaznak). Közel egymilliárd arany-arany ütközés adatai között 18-szor észlelték a kétszeresen negatív töltésű antihélium-4-atommag keletkezését.

"Ilyen még nem volt. Iszonyú kicsi a valószínűsége, hogy egyesüljön 12 darab antikvark, de ezek szerint mégis megtörténhet ezen az energiasűrűségen. Főleg az a meggyőző, hogy az antihélium 3-as tömegszámú izotópját is látják, továbbá az antihélium-3 és az antihélium-4 aránya egyezik az elméleti előrejelzésekkel" - mondja Horváth Dezső, az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) fizikusa, aki az antianyag kutatásával is foglalkozik a CERN-ben.

A kísérletek során a hélium-3 és a hélium-4 atommagjai (narancssárgával) és ezek antianyag-megfelelői (kékkel) is keletkeztek, a szimulációk által várt arányban és az elméletek által megjósolt tömeggel

Az eredmény birtokában nagyobb az esély arra, hogy az űrben is felfedezik az antihéliumot. A tervek szerint április 29-én startoló Endeavour űrrepülőgép fedélzetén jut el az űrbe az AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) nevű részecskefizikai műszer, amelynek fő célja az anyag különleges fajtáinak - antianyag, sötét anyag - keresése. Ha az AMS is találna antihéliumot, akkor felmerül a lehetőség, hogy az Univerzum általunk ismert részeiben mégiscsak létezik antianyag. Ami a földi kísérleteket illeti, az LHC ALICE nevű kísérletében a RHIC-nél is pontosabb megfigyelésekre lesz lehetőség.

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 antipárját megfigyelték már, s létezésük alapvető tétele az elméleti részecskefizikának.

A laboratóriumi kísérletek végső célja az, hogy feltárják: töltésükön kívül miben különböznek egymástól a protonok és az antiprotonok, illetve általában az anyag- és az antianyag-részecskepárok. A töltésen kívül ugyanis léteznie kell más eltérés(ek)nek is, különben nem élhetnénk anyagi világban. Ezek a különbségek csak nagyon kicsik lehetnek, például az eddigi vizsgálatokból már tudjuk, hogy a proton és az antiproton tömege maximum egy tízmilliárdod résszel különbözhet egymástól, ha egyáltalán van eltérés.