Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Horváth Dezső
RMKI, Budapest és ATOMKI, Debrecen
Dan Brown Angyalok és démonok című regényéből film készült Tom Hanks főszereplésével. Mivel a könyv részben a CERN (nemlétező) titkos földalatti laboratóriumában játszódik, ahonnan terroristák antianyagot lopnak a Vatikán felrobbantására, a CERN felajánlotta, hogy a film megfelelő részeit a laboratóriumban forgassák, és CERN-i fizikusok a bemutatóhoz kapcsolódóan előadásokat szerveztek az antianyagról. A CERN már a könyvnek is honlapot szentelt, a filmnek viszont a honlapon kívül még egy tudományos ismeretterjesztő kiállítást is.
Amikor Dirac felírta híres egyenletét a fermionok (feles perdületű részecskék, mint például az elektron) mozgásáról, kétféle megoldást kapott, pozitív és negatív energiájút. Habár ez a 20. század legfontosabb fizikai felfedezéseihez tartozik, Diracot valamilyen értelemben szépészeti megfontolások vezették: relativisztikusan invariáns, azaz a teret és időt egységesen kezelő, lineáris egyenletet keresett és talált. Részecske és antirészecskéje, a töltés előjelén kívül, minden mérhető tulajdonságában egyezik. Dirac a negatív energiájú megoldásokat a pozitívak hiányának értelmezte, feltételezve, hogy a negatív energiájú állapotok a természetben eleve betöltöttek, de ha kiemelünk az egyikből egy részecskét, a keletkező lyuk lesz az antirészecske. Ezt az értelmezést, amely hasonlít a félvezetők sokkal később felfedezett vezetési mechanizmusához, a fizika fejlődése meghaladta.
Nem sokkal Dirac elméletének közlése után, 1932- ben Anderson kozmikus sugarakban kimutatta a pozitront, az elektron antirészecskéjét; 1933-ban Dirac (Schrödingerrel együtt), majd 1936-ban Anderson is megkapta a fizikai Nobel- díjat. Számos tudománytörténeti összefoglalót találunk Vértes Attila könyvében [1].
Az évek során a Fizikai Szemle számos cikkben foglalkozott az anyag és antianyag teljes ekvivalenciáját kimondó CPT-invariancia elvével [2-4]. Arra, hogy ismét ilyesmivel kössem le a tisztelt Olvasót, az Angyalok és démonok című, májusban kijött film ad talán elegendő indokot.
A CPT-invariancia elve szerint, ha tükrözzük egy szabad részecske töltését (C, mint charge ), valamint ellentétes előjelűre fordítjuk a térkoordinátáit (P, mint paritás ) és az idő irányát (T, mint time ), akkor annak mérhető tulajdonságai - a töltés-jellegű kvantumszámok előjelén és a perdület irányán kívül - nem változhatnak meg. Mivel a töltéstükrözés során a részecske antirészecskévé változik, ez azt jelenti, hogy a szabad antirészecskék úgy kezelhetők, mint időben és térben ellenkező irányban mozgó részecskék.
Részecske és antirészecske kölcsönhatása kölcsönös szétsugárzáshoz, annihilációhoz vezet. A pozitron kétfotonos annihilációját elektronon, például, úgy írjuk le, mintha a képbe bejönne egy elektron, az annihiláció térbeli pontjában és idejében kibocsátana két gammafotont, majd térben és időben kihátrálna a képből.
A CPT-szimmetriát napjainkig minden kísérleti megfigyelés messzemenően alátámasztja, és szerepe annyira alapvető a térelméletben, hogy sokak szerint nem is lehet kísérletileg vizsgálni; látszólagos kis eltérések megfigyelése esetén inkább hihetünk valamelyik megmaradási törvény kicsiny sérülésében, mint a CPT-szimmetriáéban. Ugyanakkor a fizika nagy rejtélye, miért nem látunk antianyag-galaxisokat, miért képződött az ősrobbanás után egy billiomod résszel több anyag, mint antianyag, hogy itt maradjon Világegyetemünk anyagául.
A szimmetriasértés nem idegen a részecskefizikától [5]. Mint tudjuk, a gyenge kölcsönhatás maximálisan sérti a paritás-megmaradást eredményező tükörszimmetriát, és kis mértékben sérti a töltés- és tértükrözéssel szembeni CP-invarianciát is. A standard modellbe be kell vezetnünk a Higgs-mezőt [6, 7], amely sérti a gyenge kölcsönhatást létrehozó lokális szimmetriát, hogy az elemi részecskék abban mozogva tömeget nyerjenek. Végül az elmélet bizonyos nehézségei arra ösztönöznek, hogy megoldásul bevezessük a szuperszimmetriát [8], amely eleve sérül alacsony energián.
Mindezek miatt (vagy mindezek ellenére) komoly kísérleti erőfeszítés irányul a CPT-invariancia ellenőrzésére. A CPT-szimmetria legfontosabb bizonyítéka a feltételezésével végzett számítások bámulatosan pontos egyezése a kísérleti adatokkal, a közvetlen kísérleti ellenőrzéséhez azonban csak össze kell hasonlítanunk egy részecske és antirészecskéje tulajdonságait. Legpontosabb tesztje a semleges K-mezon és antirészecskéje relatív tömegkülönbsége, amely a mérések szerint <10-18. A CERN-ben 1999 végén megépült Antiprotonlassító (Antiproton Decelerator, AD) berendezés [10] fő célja antihidrogén-atom (antiproton és pozitron kötött állapota) előállítása, hogy a hidrogénatoméval összehasonlítva a CPT-szimmetriát ellenőrizzék (1. ábra).
Az első antihidrogén-atomokat a CERN Alacsonyenergiás antiproton-gyűrűjénél (LEAR) állították elő 1996- ban, a LEAR működtetésének utolsó évében [11]. A gyűrű gyors antiprotonjait keresztezték egy xenon atomnyalábbal, a xenonatomok elektromágneses terében az antiprotonok elektron-pozitron (részecskeantirészecske) párokat keltettek, és a relativisztikus antiproton bizonyos (igen kis) valószínűséggel felcsípte a pozitront, antihidrogént képezve. A tárológyűrű elektromágneses tere a semleges antihidrogénatomot már nem hajlította körbe, az egy egyenes nyalábvezetéken kirepült, ahol azután egy fóliával elválasztották az antiprotont és a pozitront, és különkülön annihiláltatták őket. 12 eseményt észleltek, és a szimulációval becsült hátteret 3 eseményre becsülték, tehát 9-et tulajdoníthattak antianyagnak.
Az energiaszintek meghatározásához (spektroszkópiához) lassú antihidrogén-atomok kellenek. A CERN az antiprotonok előállításához 25 GeV energiájú protonokat ütköztet irídium-céltárggyal, ahol proton-antiproton párok keletkeznek GeV fölötti energiával.1 Az antiprotonokat mágneses térrel összegyűjtik (2. ábra), majd állandó hűtés (azaz az egymáshoz képesti relatív sebességük fogyasztása) mellett, több lépésben lelassítják az AD 5,8 MeV-es energiájára.
Lassú antihidrogén előállításához az antiprotonokat elektromágneses csapdában kell egészen alacsony energiára szorítanunk, hűtenünk (3. ábra). Mivel az Antiproton- lassító antiproton-csomagja 100 ns (10-7 s) méretű és a csapda mintegy 1 m hosszú, 0,4 keV alá le kell lassítanunk az eredetileg 5,8 MeV energiájú antiprotonnyalábot, hogy a csapda nyitása és csukása között a legtöbb antiproton a csapdába kerüljön. Az ASACUSA együttműködés [12, 13] erre a célra épített egy ellenkező irányba kapcsolt gyorsító-rezonátoron alapuló utólassítót, a másik két kísérlet szabályozható vastagságú anyaggal lassít. Ez utóbbi egy nagyságrenddel kisebb hatásfokú, de a spektroszkópiai méréshez nem kell sok antihidrogén atom, azonosítás céljából valószínűleg egyenként fogjuk tanulmányozni őket.
Hideg antihidrogén-atomokat elsőként az ATHENA [14, 15] (most felváltotta az ALPHA [16]) és az ATRAP [17, 18] kísérletek állítottak elő a CERN Antiproton-lassí- tójánál elektromágneses csapdában. Nagy sűrűségű 4. ábra. Tom Hanks, az Angyalok és démonok főszereplője a Nagy Hadronütköztető ATLAS detektoránál. antiproton- és pozitron-plazmát vegyítettek; a rekombináció (az antiproton és a pozitron antiatomban egyesülése) után a semleges antihidrogén-atomok a csapda közepét elhagyva az edény falán annihiláltak. Az ATRAP és ALPHA kísérletek célja, antihidrogén-spektroszkópia, még messze van; jelenleg a magasan gerjesztett állapotban keletkező antihidrogén alapállapotra hozását, és a semleges atomok mágneses térben való helyben tartását kell megoldani. Az újonnan alakult AEGIS együttműködés az antihidrogén gravitációs tömegét tervezi 1% pontossággal megmérni. Azt, hogy a proton és az antiproton a Föld gravitációs terével azonosan hat kölcsön, nem a CPT-szimmetria, hanem az Einstein-féle gyenge ekvivalencia elve állítja.
Az ATRAP és ATHENA kísérletében az antihidrogén- atomok antiproton-pozitron-pozitron hármas ütközésben keletkeztek: szükség van egy harmadik szereplőre, hogy teljesülhessen az energia és az impulzus megmaradása, és a fotonkibocsátással járó sugárzásos rekombináció valószínűsége kicsi. Gondosan tanulmányozták a keletkezési mechanizmust és több érdekességet fedeztek fel. Ha például túlhűtik az antiprotonokat, teljesen szétválnak a pozitronfelhőtől és csökken a rekombináció esélye, ha viszont gerjesztéssel növelik az energiájukat, akkor is kevesebb lesz az antihidrogén, mert az ütközések szétverik az igen magasan gerjesztett állapotban keletkező, tehát kis kötési energiájú (anti)atomokat.
A világ részecskegyorsítóinak több mint felét, mintegy 9000-et, az orvostudomány használ, a maradék legnagyobb részét pedig az anyagtudomány. A gyógyászat gyorsítói túlnyomórészt diagnosztikai célokat szolgálnak, de például a kiberkéssel operálnak, és használnak gyorsítót tumorok operációs eltávolítása közbeni besugárzásra, hogy az esetleg ottmaradó rákos sejteket elpusztítsa.
Antianyag alkalmazásaként széleskörűen használják a pozitronemissziós tomográfiát, Magyarországon is több helyen. Pozitronemisszióval bomló izotópot juttatnak a vizsgált szövetbe, ahol a kibocsátott pozitron elektronokkal annihilál. A kibocsátott fotonok kirajzolják a szövet alakját és aktivitását.
Az ACE kísérlet [20] az antiprotonok terápiás alkalmazhatóságát vizsgálja, hogy mennyire roncsolják a rákos sejteket a bennük megálló antiprotonok. A első eredmények bíztatóak [21], az antiproton hatása a protonénak mintegy négyszerese, de a valódi alkalmazhatósághoz az ára nagyon magas.
A legegyszerűbb antianyag, antihidrogén előállításához nagyenergiájú részecskeütközésben kell előállítanunk pozitront és antiprotont, lelassítani őket, a plazmákat csapdában hűteni és összenyomni, és mindezek után az antihidrogént mágneses térben vagy lézercsapdában tárolni. Mindegyik lépés lényegesen több energiát igényel, mint amennyit az antianyag majd hordoz, még ha az előállítás hatásfoka 100%-os volna (mint ahogy persze sokkal kevesebb), a végső különbség mintegy 10 nagyságrendnyi. Durva becslés szerint a CERN-nek 1 gramm antihidrogén előállítása a jelenlegi ütemben egymilliárd évig tartana, és az összes antianyag, amit a CERN idáig előállított, annyi energiát hordoz, amellyel pár percig lehetne csak működtetni egy villanykörtét.
A NASA (Amerikai Űrkutatási Hivatal) mindezek ellenére komolyan finanszírozott kutatásokat ebben az irányban, mert az antianyag valóban kiváló energiaakkumulátor lenne, ha sikerülne építeni kis, hordozható antiproton-csapdát [22].
Az antianyag, mint robbanóanyag kérdése, Dan Brown Angyalok és démonok című regényével került napirendre [23]. Főszereplője (akárcsak A Da Vinci kód című regényéé) egy Robert Langdon nevű kutató a Harvard Egyetemről, aki az Illuminátusok nevű titkos társaság után nyomozva megakadályozza a Vatikán felrobbantását egy kiló antianyaggal, amelyet a CERN titkos, föld alatti laboratóriumából loptak el.
 |
 |
A könyv megjelenésekor a CERN honlapot nyitott a következő információval:
Hozzá kell tennem, hogy bármely antihidrogénnél nehezebb antianyag előállításához lassú antineutronokra lenne szükség, amelyet ugyanúgy nagy energián állítanánk elő, mint az antiprotont, de lelassítani nem tudnánk, mert semleges lévén nem lép elektromágneses kölcsönhatásba. Az antineutron anyagban az atommagokon szóródik, nem az elektronok terén, mint az antiproton, ráadásul ütközéskor az annihiláció valószínűsége az energia csökkenésével egyre növekszik.
A lap a ténylegesen folyó antianyag-vizsgálatok céljain és technikai hátterén kívül sok értékes információt tartalmazott a részecskefizikai kutatásokról általában és a CERN-i irányokról, módszerekről.
Később, amikor újságírókban felmerült, hogy a Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider) esetleg olyan fekete lyukakat kelt majd, amelyek elnyelhetik a Földet, a CERN előadás-sorozatokat szervezett a félreértések tisztázása és a közvélemény megnyugtatása érdekében.
Egy kutató sok mindenre képes, hogy kutatásaihoz pénzt szerezzen. Pályázatokat ír és kilincsel különböző pénzosztó alapítványoknál, igyekszik bebizonyítani, hogy kutatásai fontosabbak, eredményei jelentősebbek, mint versenytársaié. Az országos kutató intézmények vezetői még nehezebb helyzetben vannak, nekik ugyanis nem hozzáértő kollégákat, hanem politikusokat kell meggyőzniük ugyanerről. A legnehezebb azonban az olyan nemzetközi intézeteké, mint a CERN, akiknek az összes tagország főbb politikusait kell állandóan biztosítaniuk az intézmény fenntartásának szükségességéről. Idén igen nagy izgalmat váltott ki, amikor Ausztria tudományügyi minisztere bejelentette, hogy kezdeményezik Ausztria kilépését a CERN-ből; végül az osztrák kancellárt sikerült meggyőzni róla, hogy ne tegyék.
Megtudván, hogy film készül az Angyalok és démonokból, a CERN felajánlotta, hogy a CERN-ben játszódó jeleneteket (mintegy 5 perc a film elején) a Laboratórium területén vegyék fel. Ez aztán nem így történt, Ron Howard és Tom Hanks, a film rendezője és főszereplője járt ugyan a CERN-ben (4. ábra) és a stáb készített néhány háttérfelvételt ott, de a forgatás Los Angelesben történt, díszletek között (ahogyan azt a hozzáértő azonnal látja). A film ugyan nem lett sokkal tudományosabb, mint a könyv, de olyan részleteket azért elhagytak belőle, mint a CERN főigazgatójának saját szolgálati repülőgépe.
A filmet 2009 májusában mutatták be. A CERN megint honlapot [24] szentelt a filmnek, a Chicago melletti Fermilab viszont előadás-sorozatot szervezett róla, amellyel bejárták az Egyesült Államokat és Kanadát, és felszólították európai kollégáikat, kövessék a példát. A Sony Pictures természetesen hozzájárult a dologhoz, csak arra kérte az előadókat, ne hangsúlyozzák a bemutató előtt, mekkora badarság a film antianyagra vonatkozó része. Mi, magyar részecskefizikusok nem lelkesedtünk az akcióért: jónak látjuk, ha felkészülünk antianyaggal kapcsolatos kérdésekre, de célzott sajtókonferenciát és előadókörutat szervezni nem fogunk. A felhívásra való reagálásokból hasonló hozzáállást érezni más európai országokból is.
Ami igazán jónak tűnik, az a kiállítás, amelyet a CERN a filmnek szentel. Angyalok és démonok a címe, és a Globe-ban található, a svájci kormány által a CERNnek ajándékozott óriási fagömbben (5. ábra). Belépve a látogatót hatalmas tábla fogadja a kiállítás felépítéséről, majd egy konzolon megnézhetjük a film CERN-re vonatkozó perceit.
A kiállítás szervezői párhuzamot vonnak tudomány és képzelet között. Szerepel a film antianyag-csapdája (6. ábra) és egy valódi Penning-csapda belső része. Felmerül a kérdés, vajon hogyan lehet azt a roppant erős mágneses teret úgy előállítani, hogy ne legyen fém a rendszerben, azaz a repülőtér fémdetektora ne észlelje. Nagyon jó ötlet volt a kiállítás vége felé a hatalmas tabló a Világegyetem azon rejtélyeiről, amelyeket várakozásunk szerint az LHC meg fog válaszolni a eljövendő években (7. ábra).
A szerző köszönettel tartozik kollégáinak, a PS-205 és ASACUSA kísérlet résztvevőinek, főleg a Tokiói Egyetemnek, a csaknem húszéves kellemes és eredményes együttműködésért, és amiért a legkülönbözőbb OTKA- és TéT-pályázatok (jelenleg OTKA NK67974 és K72172, valamint TéT-JP-21/2006) támogatásával együtt is igen szegény magyarokat befogadták és anyagilag támogatták.
________________________
1 Az energia részecskefizikai egysége általában a GeV = 109 eV, 1 eV (elektronvolt) energiára tesz szert egységnyi töltésű részecske (pl. elektron vagy proton) 1 V feszültség átszelésekor.