Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 5. rész: Hová tűnt az antianyag?

A CERN új nagy részecskegyorsítójánál, nagy hadron ütköztetőnél tervezett fizikai kísérletektől a modern fizika számos nyitott kérdésére várnak választ. A legfontosabbak egyike az anyag és az antianyag problémájának feltárása. Miért csak anyag van a Világegyetem eddig általunk megismert részében, hová lett az antianyag? Egyáltalán miért létezhet az anyag? A CERN hagyományosan az antianyag-kutatás egyik központja, és az eddigi kísérletek mellett most egy újabbat indítanak.

Minden korábbinál mélyebben vizsgálják az anyag-antianyag problémát

Néhány héten belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. A nagy hadron ütköztetővel (Large Hadron Collider, LCH) végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Cikksorozatunk bevezetőjében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd az első részben vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre. A második részben a CERN eddigi részecskegyorsítóit és a korábban elért legfontosabb tudományos eredményeket ismertettük, a harmadik részben az LHC lenyűgöző technikai jellemzőit mutattuk be. A negyedik részben a kvark-gluon-plazmával, az Univerzum ősanyagával foglalkoztunk, amelyet a várakozások szerint "elkészítenek" majd végre a CERN-ben. Aktuális témánk az anyag-antianyag probléma.

P.A.M. Dirac 1928-ban alkotta meg az elektron mozgását és egyéb jellemzőit tökéletesen leíró hullámegyenletét, amely meglepő következtetéshez vezette: a negatív töltésű elektronok mellett léteznie kell pozitív töltésű antielektronoknak. Az antielektront, vagyis a pozitront Carl Anderson 1932-ben megtalálta a kozmikus sugárzás másodlagos részecskéi között, Dirac feltételezésétől teljesen függetlenül. Néhány hónappal később P. Blackett és G. Occhialini ködkamrás felvételeken kimutatta, hogy egy nagyenergiájú foton (gamma-kvantum) hatására egyszerre keletkezik egy elektron és egy pozitron, ez az úgynevezett párkeltés. Létezik a folyamat fordítottja is: az elektron és pozitron egymással találkozva szétsugárzódik, a két részecske tömege a gammasugárzás energiájává alakul át. A szétsugárzás angol megnevezése, az annihiláció megsemmisülést jelent, ami sok zavart keltett. Az anyag ugyanis valójában nem tűnik el, csak egyik részecskefajtából egy másikká, illetve sugárzássá alakul át. A fordított folyamatban sem a semmiből keletkezik az anyag, ez a folyamat is részecskeátalakulás.

Hol van az antianyag?

Dirac arra a következtetésre jutott, hogy minden részecskének (pl. elektron, proton, neutron stb.) létezik antirészecskéje, és ezen részecskepárok minden fizikai jellemzője megegyezik, az elektromos töltést kivéve.  1955-ben figyeltek meg először antiprotont részecskeütközésekben. Azóta sorra előállították, megfigyelték az összes részecske antirészecske párját.

Az Univerzum eddig megismert részében azonban sehol sincs nagyobb mennyiségben antianyag. Ha lennének nagyobb anyag- és antianyag-tartományok, akkor ezek egymás közelébe kerülve szétsugároznának, és a folyamatra jellemző gammasugárzást bocsátanának ki. Ilyen diffúz sugárzást azonban nem észleltek a csillagászok.

Nem tudjuk pontosan, hogy mi történt a Világegyetem kezdetének tartott Ősrobbanás (Big Bang) utáni első töredékmásodpercben. Lehetséges, hogy először egyenlő mennyiségben keletkeztek részecskék és antirészecskék, de az is elképzelhető, hogy már a kezdetektől nem volt egyensúlyban anyag és antianyag. Mindkét változat mellett találni érveket. A fizikusok többsége szerint az indulás szimmetrikus volt, azonban valamitől rövidesen megváltozott a helyzet (ún. szimmetriasértés jött létre), és túlsúlyba kerültek a részecskék. Az aszimmetria igen csekély volt: a számítások szerint minden egymilliárd antirészecskére egymilliárd és egy részecske jutott. Ennek a kis eltérésnek, ennek a minimális anyagtöbbletnek köszönhető a mai világ, a többi részecske párosával szétsugárzott.

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, pédául az eddigi vizsgálatokból már tudjuk, hogy a proton és az antiproton tömege maximum egy tízmilliárdod résszel különbözhet egymástól, ha egyáltalán van eltérés.

Aktuális információk: sikeres volt az első teszt, az első teljes kör szeptember 10-én

Augusztus 9-én léphetett be első ízben protonnyaláb a nagy hadron ütköztető (LHC) 27 kilométer kerületű gyűrűjébe. Az előgyorsító rendszer pontos működését már korábban beszabályozták, ellenőrizték. A hatalmas gyorsító üzembe helyezése fokozatosan, lépésről-lépésre történik. Most az LHC "ajtaját kinyitva" csak a gyűrű egyik szegmensébe való belépést tesztelték. A részecskecsomag 3 kilométeres utat tett meg.

A mostani próba szerint rendben van az előgyorsító és az LHC egyik gyűrűje közti kapcsolat. Augusztus 22-én következik a másik gyűrű próbája, majd a nyaláb megteheti az első teljes kört, szeptember 10-én. Ezután jöhet a nyaláb gyorsítása az LHC-n belül is, aminek során fokozatosan érik majd el az első hetekre tervezett, maximum 5 teraelektronvoltos energiát (ezt később növelik 7-re).

A felvételen a sárga folt mutatja az LHC-ba érkezett részecskenyalábot. A nyaláb útjába egy részecskedetektort helyeztek, ez mutatta ki az itt még kb. 5 milliméter átmérőjű protonnyaláb beérkezését.

Antianyag-gyárak

Ezekhez a vizsgálatokhoz az antianyagot kell előállítani. Erre két mód kínálkozik: az úgynevezett béta-bomlás és a nagyenergiájú részecskeütközések létrehozása.  A pozitív béta-bomlás során egy proton alakul át neutronná, és egy pozitron és egy neutrínó is létrejön. Sokféle bétasugárzó izotóp keletkezik az atommagok hasadása során, és célzott magreakciókkal is létre lehet hozni ilyen izotópokat. Ez történhet részecskegyorsítókban, például az orvosi PET-vizsgálatok izotópigényeit kiszolgáló ciklotronokban.

Antiprotonokat részecskegyorsítókban állítanak elő: nagyenergiájú protonokat ütköztetnek valamilyen céltárggyal. Az ütközés során sokféle részecskefizikai folyamat megy végbe, ezek egy részében antiprotonok is keletkeznek. Ezután az antiprotonokat szét kell választani a többi részecskétől, és tárolni kell őket addig, míg elegendően nagy számban gyűltek össze ahhoz, hogy a továbbiakban már egy tiszta antiproton-részecskenyalábbal lehessen vizsgálatokba kezdeni. A nagyenergiájú részecskefizikai folyamatokban keletkező antiprotonok maguk is meglehetősen nagy energiájúak, gyorsak. Kordában tartásukhoz, "kezelhetővé tételükhöz" le kell lassítani őket. Egymás után többféle fizikai folyamatot, műszaki megoldást vetnek be a lassításhoz.

A CERN-ben 1982 és 1996 között az alacsony energiájú antiproton-gyűrűvel (Low Energy Antiproton Ring, LEAR) lassították és tárolták az antiprotonokat. Becslések szerint ez a berendezés másfél évtized alatt százbillió antiprotont szolgáltatott a kísérletekhez. 2000-ben új program indult a CERN-ben az antianyag tanulmányozására, működésbe lépett az antiproton-lassító (Antiproton Decelarator, AD). Az antiprotonok előállítása egy régi részecskegyorsítóban, a 26 GeV energiájú proton-szinkrotronban (PS) kezdődik, majd a nagyenergiájú antiprotonokat kis adagokban juttatják át a következő egységbe.

Az első antiatom

A fizikai kísérletek során 1995-ben sikerült először antirészecskékből atomot felépíteni: egy antiprotonból és egy pozitronból megszületett az első antihidrogén-atom. Az első kísérletben mindössze 9 atomot hoztak létre. Néhány éve megoldották az antianyag "nagyüzemi előállítását". Korábban csak naponta, most már másodpercenként állítanak elő néhány antihidrogén-atomot a kísérletekhez. Az előállítás felgyorsítását az tette lehetővé, hogy megoldották mindkét antirészecske lelassítását. Sikerült olyan atomokat is létrehozni, amelyek egyszerre tartalmaznak részecskéket és antirészecskéket. Ezek az egzotikus képződmények természetesen rövid életűek. Az elektronból és pozitronból álló pozitrónium csak a másodperc tízmilliomod-milliárdod részéig marad együtt. Kísérleteznek olyan héliumatommal is, amelynek két elektronja közül az egyiket az elektronhoz hasonlóan negatív töltésű, de az elektronnál 2000-szer nehezebb antiprotonra cserélik. Mindezek a kísérletek az anyag és az antianyag közötti összefüggések mélyebb feltárásához vezethetnek.

Magyar kísérlet is van

A CERN-ben három nagy kísérleti rendszer várja az antiprotonokat. Két kísérletben (ATHENA és ATRAP) az antiprotonokhoz antielektront (pozitront) adnak hozzá, így atomi antihidrogént hoznak létre. Ebben a két kísérletben az erősen gerjesztett állapotban keletkező antiatomok spektrumvonalait vetik egybe a hidrogén spektrumvonalaival. Ebből következtetni lehet az úgynevezett CP- és a CPT-szimmetriák (lásd alább) teljesülésére, illetve sérülésére, ami választ adhat arra a kérdésre is, hogy miért lett az anyag kitüntetve az antianyaggal szemben a Világegyetemben.

A harmadik kísérlet az ASACUSA, amely 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. A különleges atomot lézernyalábbal gerjesztve évről-évre egyre nagy pontossággal mérik meg az antiproton tömegét.

Kulcsfontosságú szimmetriasértések

A fizikusok sokáig úgy vélték, hogy a fizika törvényei töltésszimmetrikusak, vagyis egy antianyag-atom ugyanúgy viselkedik, mint megszokott atomjaink. Több mint negyven éve azonban kiderült, hogy a radioaktív bomlásokban, a gyenge kölcsönhatásban sérül a térbeli szimmetria. A gyenge kölcsönhatásban a részecskék képletesen szólva jobbkezesek vagy balkezesek. Ha képzeletben tükörben néznénk őket, akkor a béta-bomlásban a tükörben a jobbkezes részecske balkezessé válik, megváltozik a kép, sérül a szimmetria. Ez a térbeli tükrözés a paritás, amit P-vel jelölnek.

Hamarosan kiderült, hogy a töltésszimmetria is sérülhet, ha a gyenge kölcsönhatásban részecske alakul át antirészecskévé, vagy fordítva. A töltésszimmetria sérülése, a C-sértés (C = charge, töltés) felfedezése után megállapították, hogy a külön-külön végbemenő P- és C-sértés kompenzálja egymást, így az egyesített CP-szimmetria nem sérül. A "CP-tükörben" a balkezes részecskéből jobbkezes antirészecske lesz. Ez a megnyugtató helyzet azonban csak néhány évig állt fenn, mivel 1964-ben olyan részecskefizikai folyamatot fedeztek fel, amelyben nem érvényesült a CP-szimmetria, azaz CP-sértésre bukkantak. Mai tudásunk szerint a CP-szimmetria esetenként sérül, viszont a CPT hármas szimmetria kivétel nélkül, mindig érvényesül; itt a T (time) a harmadik tükrözés, az időtükrözés.

A CP-sértést vizsgáló részecskefizikai kísérletek főszereplői először az úgynevezett K-mezonok, más néven kaonok voltak, ezek két kvarkból felépülő semleges mezonok. A kaonok nem stabilak, bomlásuk többféle módon, más-más végeredményre vezetve mehet végbe. A különböző bomlásformák összehasonlító elemzésével mutatták ki a CP-sértést. A kaonok CP-sértése azonban a számítások szerint nem lehetett önmagában elegendő az Univerzumban tapasztalt anyagdominancia létrejöttéhez.

A részecskefizika mai átfogó elmélete, a Standard Modell szerint egy másik mezon, a semleges B-mezon bomlásainál erősebben, tehát könnyebben megfigyelhetően jelentkeznek a kaonoknál tapasztalt aszimmetriák. A B-mezon is két kvarkból felépülő bomlékony részecske, amelyben a K-mezon "ritka" kvarkja helyébe egy jóval nehezebb "alsó" (bottom) kvark szerepel. Az elmúlt években különleges, kifejezetten a B-mezonok előállítására szolgáló részecskegyorsítókat építettek Japánban (Tsukuba) és az Egyesült Államokban (Stanford), ezeket B-gyáraknak hívja a szakmai zsargon. A B-gyárakban nagy energiákra felgyorsított elektronok és pozitronok ütközésénél keletkeznek a további kísérletek alapjául szolgáló B-mezonok és antirészecske párjuk. Stanfordban és Tsukubában több tízmillió B-mezon pár átalakulásának adatait elemezve megállapították, hogy valóban jelentkezik CP-sértés a B-mezonok bomlásánál.

A CERN-ben most újabb antianyag kísérletekre készülnek, az LHC mellé telepített négy nagy detektorrendszer egyike, az LHCb szolgál majd erre (két részlete az alsó képeken). Nevében a b betű a szépségre, a "beauty" (bájos) kvarkra utal. A nagyenergiájú proton-proton ütközésekben szép számmal keletkeznek majd b kvarkot tartalmazó B- és antiB-mezonok. A mezonok keletkezési helyüktől, az ütközési ponttól a protonnyaláb közelében repülnek előrefelé. Ezért a detektor 20 méter hosszan követi pályájukat, hogy eközben rögzítsék az azonosított részecskék pályáját, impulzusmomentumát, energiáját.

Ezeknek és az LHC-ben tervezett, még pontosabb kísérleteknek köszönhetően várhatóan kisebb lesz majd a B-mezonokra vonatkozó mérési eredmény bizonytalansága. Emiatt az is elképzelhető, hogy a pontosabb eredmény nem esik egybe a részecskék világát leíró, ma általánosan elfogadott Standard Modell jóslataival. Ez is hozzájárulhat a mait meghaladó "új fizika" megszületéséhez, amelyet sokan már nagyon várnak, és amelyről további cikkeinkben olvashat részletesebben.

Következik: Keresik a modern fizika Szent Grálját