Hledání antihmoty ve vesmíru je náplní mnoha experimentů z poslední doby. O antihmotě jsme již podrobněji psali dříve. Astronomové stále váhají, zda by přece jen někde v hlubinách vesmíru nemohly existovat ostrovy látky z antihmoty. Řada experimentů na hranici atmosféry Země potvrdila výskyt antiprotonů. Jde ale o sekundární částice vzniklé až v naší atmosféře při interakci částic kosmického záření s částicemi atmosféry. Nejlepším úlovkem by byl objev antihélia. To přirozenou cestou v naší atmosféře vzniknout nemůže. Objev jednoho jediného atomu antihélia by znamenal existenci antihmoty ve vesmíru. To se však dosud v žádném experimentu nepodařilo.
|
Antihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů. Kosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška mnohdy milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne sledovanou plochu o velikosti 1 km2 zhruba jednou za několik desítek let. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakousko-americkým fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech. Ve výšce 5 500 metrů ionizovalo atmosféru. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. Polární kasp – trychtýřovitá oblast v blízkosti magnetických pólů planety, kterou pronikají jako obrovským vírem nabité částice do atmosféry. Název pochází z anglického „cusp“ (roh, cíp). Částicový spektrometr – zařízení, které měří hmotnosti a energie částic. Nejjednodušší jsou spektrometry nabitých částic, jejichž dráhu lze ovlivnit magnetickým polem a ze zakřivení trajektorie určit hmotnost či energii částice. Výsledkem měření částicovým spektrometrem je zpravidla statistické rozdělení energií částic. KEK – japonská Národní laboratoř pro fyziku vysokých energií. Založena byla v roce 1971, umístěna je v Tsukubě v Japonsku. Největším urychlovačm je KEKB B factory, továrna na B kvarky. Jde o nesymetrický elektron-pozitronový kolider složený ze dvou prstenců (3,5 GeV a 8 GeV). Maximální tok částic je 1034 cm-2s-1. Obvod obou prstenců je 3 016 m. NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, založen byl v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. Rigidita – energie částice vztažená na její náboj. Udává se ve voltech. Číselná hodnota určuje napětí potřebné k zabrzdění nabité částice (Wk = QU). Čerenkovův detektor – detektor částic využívající kužele Čerenkovova záření za nabitou částicí pohybující se v daném prostředí nadsvětelnou rychlostí. Často se využívá k detekci elektronů nebo mionů v nádrži naplněné vodou. Stěny nádrže jsou pokryty fotonásobiči detekujícími světelný kužel. Čerenkovovo záření – kužel elektromagnetického záření v podobě rázové vlny, který vzniká za nabitou částicí pohybující se nadsvětelnou rychlostí v daném prostředí. Aerogel – vysoce porézní látka vyrobená z kapalného gelu odpařením kapalné složky za nadkritické teploty a tlaku. Aerogely jsou průhledné, charakterizuje je mimořádně nízká hustota, pevnost a vynikající tepelně izolační vlastnosti. Primordiální černé díry – černé díry, které by měly mít rozměry elementárních částic a mohly by vznikat v ranných fázích vývoje vesmíru. Jestliže existují, měly by díky Hawkingovu vypařování intenzivně zářit. Současné experimenty již vyloučily, že by těchto objektů mohlo být být více než 300 v krychlovém světelném roku. |
| Experiment Bess-Polar |
Zajímavým experimentem z poslední doby (kromě připravovaného experimentu AMS 2) je balónový experiment Bess-Polar (Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer Polar), který proběhl na konci roku 2004 v Antarktidě. Proč balónové experimenty? Při hledání primárních částic antihmoty musíme co nejvíce vyloučit vliv atmosféry, s jejímiž částicemi antihmota anihiluje. Experiment Bess-Polar byl nesen balónem ve výšce kolem 39 km, kde je tlak atmosféry menší než jedno procento tlaku při hladině moře a její vliv je proto velmi malý. Antarktida nebyla k vypuštění balónu volena náhodou. Za normální situace je Země chráněna před tokem nabitých částic z vesmíru magnetosférou. Existují však dvě místa, říká se jim polární kaspy, kterými mohou nabité částice proniknout do větší hloubky. Primární antiprotony a ostatní antičástice by teoreticky měly pronikat kaspy do horních vrstev atmosféry právě nad polárními oblastmi.
 |
| Trasa experimentu Bess-Polar v Antarktidě. |
 |
| Nahrávka výšky a tlaku pořízená při letu balonu. |
Balón s experimentem byl vypuštěn 13. prosince 2004, obletěl jižní pól, a přistál 21. prosince 2004. Experiment navazuje na řadu úspěšných experimentů Bess prováděných od roku 1993. Poprvé byl při tomto letu použit nový částicový spektrometr, který je výrazně lehčí než předchozí typ. Let trval 8 dní v průměrné výšce 39 km a celkem bylo detekováno 900 milionů částic. Zdrojem energie byly solární panely o rozloze odpovídající ploše fotbalového hřiště. Experiment je společným úsilím japonských a amerických vědců z mnoha institucí, především pak z laboratoře KEK a z NASA.
 |
| Před startem, nafukování balónu. Spektrometr Polar je umístěn nad konstrukcí se slunečními panely. |
 |
| Bess těsně po startu. Záběr letící gondoly se slunečními panely a spektrometrem. |
| Spektrometr Polar |
Základem spektrometru Polar je tenkostěnný supravodivý magnet, který ovlivní pohyb nabité částice. Uvnitř magnetu je pole o velikosti 0,8 T. Magnet má speciální konstrukci, která umožnila mimořádně nízkou hmotnost, pouhých 25 % hmotnosti magnetu používaného při předchozích letech. Spektrometr měří tzv. rigiditu R částic, ze které je možné určit hmotnost částice podle vztahu
m = QRc-2(c2/v2 - 1)1/2.
Rychlost částic se měří pomocí plastových scintilátorů TOF (Time of Flight). Jde o čítače na obou stranách detektoru, ze kterých je možné zjistit, za jakou dobu částice prolétla detektorem. Další čítač je navíc uvnitř detektoru. Uvnitř magnetu je komora JET pro proměřování trajektorií částic s přesností 140 µm a dvě komory IDC (Inner Drft Chamber) s rozlišením 130 µm. Spektrometr má dále Čerenkovův detektor, kde bylo sledováno Čerenkovovo záření nabitých částic aerogelu.
 |
| Schéma spektrometru Polar. |
 |
| Skutečný spektrometr Polar montovaný v NASA GFSC. |
| Vědecké cíle projektu |
-
Detekce antičástic v kosmickém záření ve vysokých nadmořských výškách za pomoci magnetického spektrometru, zejména detekce antiprotonů s nízkými energiemi, které by mohly k Zemi pronikat polárními kaspy. Experiment detekoval antiprotony v energetickém rozsahu 0,1÷4,2 GeV.
-
Hledání atomů antihélia v kosmickém záření. Detekce, byť jediného atomu, je klíčovým testem existence antihmoty ve vesmíru.
-
Výzkum částic kosmického záření, zejména přítomnosti lehkých prvků v kosmickém záření. Jejich zastoupení je důležité jednak pro pochopení mechanismu šíření kosmického záření vesmírem a jednak pro odhad počtu atmosférických neutrin, která vznikají interakcí kosmického záření s atmosférou.
Existence primárních nízkoenergetických protonů by mohla podpořit teorii existence miniaturních (primordiálních) černých děr. Ty by měly emitovat antiprotony při tzv. Hawkingovu vypařování. V experimentu bylo pořízeno 2,14 terrabytů dat, která se nyní postupně zpracovávají. Další let podobného typu je plánován na rok 2007, kdy je očekáváno maximum sluneční aktivity.
 |
| První výsledky z experimentu: Spektrum protonů a antiprotonů. Na svislé ose je převrácená hodnota rychlosti, na vodorovné rigidita. |
| experiment | Bess-2000 | Bess-Polar |
|---|---|---|
| centrální magnetické pole | 1 T | 0,8 T |
| vnitřní průměr | 0,83 m | 0,76 m |
| životnost kapalného He | 5 dní | přes 10 dní |
| celková hmotnost | 2 400 kg | 1 900 kg |
| spotřeba | 900 W | 420 W |
| zdroj energie | Li baterie | solární články |
| energie antiprotonů | 0,18÷4,2 GeV | 0,1÷4,2 GeV |
| maximální rigidita | 200 GV | 240 GV |
