Experiment BASE v CERNu poprvé úspěšně převezl antiprotony v přenosné pasti na korbě nákladního vozu. Nejde jen o efektní demonstraci – cílem je dostat antičástice do klidnějšího prostředí, kde bude možné přesněji měřit jejich vlastnosti a testovat, zda se hmota a antihmota opravdu chovají tak, jak očekává současná fyzika.
Antihmota na korbě náklaďáku
24. března 2026 vyjel z areálu takzvané „antiprotonové továrny” v CERNu nákladní vůz s neobvyklým nákladem. Na korbě stála přenosná kryogenní Penningova past a uvnitř ní se nacházelo dvaadevadesát antiprotonů. Tým experimentu BASE (zkratka pro Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) antiprotony nashromáždil v pasti, pak celou aparaturu odpojil od experimentální infrastruktury, pomocí jeřábů ji naložil na vůz a nechal převézt přes hlavní areál laboratoře. Antiprotony cestu přežily.
Zní to skoro banálně: necelá stovka antičástic ujela pár set metrů na korbě náklaďáku. Jenže antihmota při kontaktu s běžnou hmotou zaniká – nastává takzvaná anihilace, při které se obě přemění v energii. Stačí, aby se antiproton dotkl stěny nádoby nebo molekuly vzduchu, a je pryč. Experiment BASE přitom dokáže udržet antiprotony v pasti i déle než rok – což je stávající světový rekord. Ale udržet je v pasti a zároveň s nimi vyrazit na cestu, to je jiná disciplína. Je to jako za větrného dne přenášet mýdlovou bublinu davem lidí… s tím rozdílem, že tuhle bublinu si jen tak znovu nenafouknete.
Přesto hlavní význam celé akce nespočívá v tom, že se podařilo antiprotony převézt. Podstatné je, proč a kam s nimi vědci chtějí jet dál.
Klid, prosím!
Experiment BASE se nesnaží antihmotu jen vyrobit a udržet naživu. Jeho cílem je co nejpřesněji měřit vlastnosti antiprotonů – například jejich vnitřní magnetický moment – a výsledky porovnat s tím, co fyzici naměřili u běžných protonů. V praxi to znamená přesné měření dvou frekvencí: cyklotronové frekvence, která popisuje oscilaci nabité částice v magnetickém poli, a Larmorovy frekvence, která odpovídá takzvané precesi spinu částice. Z poměru těchto dvou frekvencí se pak dají odvodit hledané vlastnosti antiprotonu.
Problém je v tom, kde se tyto experimenty odehrávají. „Antiprotonová továrna” v CERNu je jediné místo na světě, kde lze antiprotony vyrábět a zpomalovat na dostatečně nízkou energii pro další studium. K tomu slouží dva zpomalovače zapojené za sebou. Nejprve Antiprotonový decelerátor (AD), který antiprotony vzniklé při nárazech urychlených protonů do iridiového terče postupně zbrzdí na energii 5,3 MeV. Pak je přebírá zpomalovač ELENA (Extra Low Energy Antiproton ring), který jejich energii sníží ještě padesátkrát. Teprve takto pomalé antiprotony se dají účinně chytit do pasti a studovat. A tak v CERNu, proslulém tím, že částice urychluje, se s antiprotony dělá pravý opak.
Jenže právě tato urychlovací a zpomalovací infrastruktura generuje drobné fluktuace magnetického pole. Drobné v běžném slova smyslu – řádově miliardtina tesly, dvacettisíckrát méně než magnetické pole Země – ale pro přesnost měření, po jakém fyzikové touží, jsou stále příliš velké. Z tohoto pohledu je i rušná jídelna v CERNu magneticky stokrát klidnější než experimentální hala. Když kladete přírodě intimní otázky o jejím nitru, potřebujete zkrátka „tiché” místo – jinak neuslyšíte, co vám šeptem odpovídá.
Když náklad nesmí narazit ani do vzduchu
Penningova past je v podstatě vakuová komora, v níž elektrická a magnetická pole drží pohybující se nabité částice daleko od stěn. Po zchlazení na teplotu kapalného hélia zbytky plynu kondenzují na stěnách komory a tlak klesne tak hluboko, že antiprotony vlastně nemají do čeho narazit.
Přenosná verze, kterou tým BASE vyvinul pod označením BASE-STEP (zkratka pro Single-particle Trap for Extra-precision Penning-trap measurements), k tomu přidává vše, co je třeba pro cestu. Největší součástí je supravodivý magnet o hmotnosti přes šest set kilogramů, který funguje v takzvaném perzistentním režimu – pokud teplota zůstane dostatečně nízko, teče proud v jeho cívce bez měřitelného odporu a udržuje tak stálé magnetické pole. Proto je potřeba zásobník kapalného hélia, které magnet chladí pod 8,2 Kelvinu – ovšem jen do doby, než se hélium vypaří. K výbavě patří ještě záložní zdroj energie pro napájení elektrod a systém, který umožňuje během přepravy sledovat stav antičástic, aniž by je zničil.
Celé zařízení měří zhruba dva metry na délku, necelý metr na šířku a váží téměř jednu tunu. Konstrukce je dimenzována na zrychlení kolem 1 g (přibližně 9.81 m/s) ve všech směrech, což s rezervou pokrývá otřesy běžné silniční přepravy. A rám je navržen tak, aby prošel běžnými laboratorními dveřmi – což zní jako nepodstatný detail, ale v praxi rozhoduje o tom, zda je celý koncept vůbec použitelný.
Ani z daleka se tedy nejedná o skleněný válec o velikosti termosky na čaj, jak se nám snažili namluvit ve filmu „Andělé a démoni”. A co by se vlastně stalo, kdyby všech 92 antiprotonů v pasti přece jen anihilovalo s hmotou okolo? Prakticky nic. Uvolnila by se energie řádově taková, asi jako když zrnko písku spadne z výšky 1 cm na zem. To je trochu málo na zničení čehokoli, natož pak Vatikánu. To by ale film nebyl tak napínavý. Roční produkce antiprotonů by alespoň na pár sekund rozsvítila žárovku.
Proč fyziky zajímá právě přesnost?
Ale zpátky k fyzice. Antihmota není jen laboratorní kuriozita, případně vhodné palivo pro pohon vesmírných lodí ve sci-fi románech. Je to nástroj, kterým lze testovat fundamentální symetrie přírody. Podle současných fyzikálních teorií by měl mít antiproton stejné základní vlastnosti jako proton, jen „zrcadlově” obrácené (stejnou hmotnost a stejně velký, ale opačný náboj a magnetický moment). Pokud by se při měření ukázala byť i nepatrná odchylka, bylo by to signálem, že naše chápání přírody je v něčem neúplné. A jak moc nepatrná? Pro představu – v současnosti se fyzikové snaží zjitit, zda dva ropné tankery o hmotnosti sto tisíc tun váží na gram stejně – a chyba měření pak samozřejmě nemůže být plus-mínus jeden kilogram.
Za snahou o takovou a vyšší přesnost stojí jedna z velkých otevřených otázek fyziky: proč pozorujeme vesmír tvořený téměř výhradně hmotou? Kosmologické modely předpokládají, že při takzvaném Velkém třesku se vytvořilo stejné množství hmoty i antihmoty. Ty se měly vzájemně anihilovat – a přesto tu dnes hvězdy, planety a galaxie jsou. Malý přebytek hmoty zůstal – a nikdo zatím s jistotou neví proč.
Přesná měření antihmoty tuto otázku sama o sobě nevyřeší. Mohou však pomoci teoretikům, kteří se snaží odpověď najít. Pokud by se jednou objevila odchylka, ukázala by směr, kterým se vydat dál.
Začátek nové cesty
Březnový převoz antiprotonů přes areál CERNu je první krok na dlouhé cestě. A i tomu předcházela důkladná domácí příprava: v říjnu 2024 tým ověřil celý postup s běžnými protony – tehdy jich v pasti bylo sedmdesát. Jenže proton není antiproton. Nestačí jen zapojit přístroj „obráceně”.
Další cíl je mnohahodinový transport do laboratoře na Univerzitě Heinricha Heineho v Düsseldorfu, vzdálené několik set kilometrů. Aby to bylo možné, bude nutné udržet supravodivý magnet pod teplotou 8,2 kelvinu po celou dobu cesty – minimálně osm hodin. Kapalné hélium v zásobníku vydrží jen omezeně dlouho, a tak bude na korbě vozu potřeba generátor napájející kryochladič. Tým tuto možnost právě prověřuje. A skutečným nepřítelem delší cesty – poněkud prozaicky – nemusí být ani fyzika, ale dopravní zácpy: pokud transport trvá příliš dlouho a hélium dojde, magnetické pole se ztratí.
Cílem měření v Düsseldorfu je dosáhnout nejméně stonásobně lepší přesnosti měření ve srovnání se současnými experimenty v „antiprotonové továrně”. V delším horizontu by se antiprotony měly dostat i do dalších evropských laboratoří, třeba na Leibnizovu univerzitu v Hannoveru. A nejde jen o antiprotony: stejná technologie by mohla v budoucnu sloužit i k přepravě jiných exotických částic.
Mimochodem, BASE není jedinou skupinou, která pracuje na převozu antihmoty. V CERNu se na podobný krok chystá i experiment PUMA (antiProton Unstable Matter Annihilation), který plánuje přepravovat antiprotony na vzdálenost několika stovek metrů – z haly antiprotonového zpomalovače do zařízení ISOLDE (Isotope Separator On-Line DEvice), kde poslouží ke studiu struktury exotických atomových jader. Koncept zařízení je ale úplně jiný – nároky na převoz jsou mnohem mírnější, ať už jde o čas, rozměry… nebo o kontrolu na celnici.
Otázka, proč ve vesmíru převládla hmota, zůstane asi ještě dlouho otevřená. Převoz antiprotonů dává fyzikům nový nástroj, jak ji zkoumat přesněji než dosud – a právě v tom je skutečný význam tohoto úžasného technologického úspěchu.
Autor: Tomáš Jakoubek
Foto: CERN
Zdroj: Fyzikální ústav Akademie věd ČR
Tomáš Jakoubek se věnuje experimentům v oblasti částicové fyziky. Vystudoval Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT v Praze a působil v Oddělení experimentální fyziky částic Fyzikálního ústavu AV ČR. Po postdoktorandském pobytu na izraelském Weizmann Institute of Science se v prosinci 2024 do Fyzikálního ústavu vrátil. Od roku 2007 pracoval na experimentu ATLAS na LHC v organizaci CERN, kde se zabýval přesnými testy základních symetrií přírody a hledáním náznaku nové fyziky nad rámec současné teorie částic. Od roku 2025 buduje nové zapojení Fyzikálního ústavu do experimentu LHCb, čímž otevírá dosud nepokrytou oblast české účasti na programu CERN.
- Autor článku: ne
- Zdroj: Akademie věd ČR
