Často podléháme iluzi, že svět kolem nás se skládá jen z hmoty. Příroda s námi ovšem hraje komplexnější hru, jelikož i v našich podmínkách existují procesy, ve kterých vystupují antičástice, tedy antihmota – jde zejména o beta rozpad a o kosmické záření. V dnešním bulletinu se vypravíme již podruhé (viz AB 20/2005) za jedním unikátním přístrojem, který bude antihmotu a kosmické záření zkoumat na Mezinárodní kosmické stanici.
|
Beta rozpad – β−: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton). β+: rozpad protonů v atomovém jádře, jehož výsledkem je pozitron (antičástice k elektronu), neutron a elektronové neutrino. Kosmické záření – proud urychlených částic neznámého původu. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km2. Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Zdrojem mohou být supernovy, pulzary, aktivní galaktická jádra, atd. Naprostá většina kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderní urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Viktorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 500 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal V. Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. 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. |
 |
| Sekundární sprška kosmického záření. Zdroj: CERN. |
 |
| Tok částic kosmického záření s různou energií. Zdroj: CERN. |
Jevy, v nichž vystupuje hmota a antihmota, jsou zahrnuty v tzv. standardním modelu. Skutečnost je ovšem taková, že v našem vesmíru hmota nad antihmotou převládá. To je způsobeno tím, že v přírodě existují jevy, které nepodléhají C symetrii – výsledek experimentu není stejný, obrátíme-li v něm náboje všech částic.
Proces "výroby" antihmoty je enormně neefektivní, navrátí se nám méně než miliardtina investované energie. Jak uvádějí i webové stránky Evropské organizace pro jaderný výzkum CERN: "Kdybychom vzali veškerou antihmotu, kterou jsme kdy v CERNu vyrobili, měli bychom asi tolik energie, kolik postačí k několikaminutovému svitu žárovky."
| Pohled do neznáma |
Experiment AMS-02 je zdokonalenou verzí dřívějšího spektrometru AMS-01 (Alpha Magnetic Spectrometer), který byl určen k detekci antihmoty v kosmickém záření. Jeho základní úlohou bylo měření náboje detekovaných jader helia. Současný experiment je vybaven řadou zcela nových detektorů a má následující cíle:
|
Předchůdce dnešního přístroje, Alpha Muon Spectrometer (AMS-01), byl vyslán do vesmíru již 2. června 1998 na palubě raketoplánu Discovery (let STS-91), kde setrval deset dní. Během svého pobytu na oběžné dráze zachytil za celkem 100 hodin sběru dat několik milionů jader helia, ovšem téměř žádné jádro antihelia. Poměr Anti-He / He tak klesl na ~10–6.
| Konstrukce detektoru |
AMS-02 by měl být umístěn na Mezinárodní kosmické stanici (ISS). To klade na jeho konstrukci nejrůznější nároky. Celé zařízení je hmotnostně limitováno, váží "jen" 6 731 kg. Jeho předchůdce AMS-01 měl hmotnost pouhých 3 000 kg. Spotřeba energie dosahuje 2 000 W, což je horní hranice možnosti na Mezinárodní kosmické stanici. Náročnost na výdrž materiálů je mimořádná, musí odolat teplotním změnám mezi –180 °C až +50 °C, bezproblémová funkčnost ve vakuu je nutností. Transport raketoplánem znamená, že detektor bude vystaven zrychlení až 3 G a hluku přibližně 150 dB.
Několik poznámek k jednotlivým sub-detektorům:
|
 |
 |
| Současná situace |
Doprava na ISS je plánována pomocí raketoplánu (mise NASA) a měla proběhnout v říjnu 2005, bohužel se tak nestalo. NASA změnila svoji politiku ohledně letu raketoplánů (zřejmě ve spojitosti s havárií raketoplánu Columbia v roce 2003). Nyní je poslední let naplánován na červenec 2010 a doprava AMS-2 není ani v jednom z plánovaných letů zahrnuta. Preference byly uděleny například údržbě Hubbleova vesmírného dalekohledu, experimentu LCROSS či jiným instalacím na ISS.
Dodatečná mise věnovaná vyslání AMS-2 by mohla proběhnout koncem roku 2010, což musí ovšem schválit americký senát, prezident a také samotná NASA. Návrhy k tomu byly předloženy v květnu 2008. Experiment je momentálně umístěn v CERNu, kde probíhalo jeho testování na urychlovači SPS.
Jak je tedy možné, že se v plánech NASA nenajde místo pro jeden z nejdražších experimentů na světě? Alpha Magnetic Spectrometer stál 1,5 miliardy USD, na jeho konstrukci pracovalo přes 500 expertů z více než 50 institucí z celého světa, kteří čekají již přes tři roky na jeho vypuštění. A s nejvyšší pravděpodobností budou čekat ještě déle. Možná jsou na vině velké rozměry a značná hmotnost celého zařízení. Doufejme, že se nakonec investice do AMS vyplatí stejným způsobem, jako investice do LHC...
 |
CERN: AMS webpage
CERN antimatter and Angels and Demons
CERN: AMS 01 homepage
NASA: Upcoming missions
NASA: Upcoming missions schedule
Aldebaran: CPT
D. Břeň: Hledání antihmoty – experiment AMS 2, AB 20/2005
ISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. ISS je neustále ve stavbě a potýká se s finančními problémy na ruské i americké straně.
Standardní model – jedná se o standardní model elementárních částic (leptonů a kvarků), které interagují prostřednictvím elektromagnetické, slabé a silné interakce. Interakčními částicemi jsou fotony, intermediální bosony Z, W+ a W− a gluony. Součástí teorie jsou dosud neobjevené Higgsovy bosony způsobující narušení symetrie v teorii.
C invariance – Symetrie vhledem k nábojovému sdružení (C = Charge). Nábojovým sdružením rozumíme nahrazení částice antičásticí, která má všechny kvantové charakteristiky s opačným znaménkem. O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vybudovaný z antičástic namísto částic choval stejně jako jeho částicový protějšek. Zkrátka vesmír z antihmoty by měl stejné vlastnosti jako vesmír z hmoty.
CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostaven v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.
CDM – Cold Dark Matter. Chladná temná hmota je složka temné hmoty, která difunduje do menších vzdáleností, než jsou rozměry zárodečných fluktuací galaxií. Jde tak o jedinou složku temné hmoty, která je schopná tvořit makroskopické struktury. Předpokládá se, že většina temné hmoty je právě chladná temná hmota.
SUSY – SUperSYmmetry, symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla podle standardního modelu projevovat při energiích částic nad 1019 GeV. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existoval superpartner, který je fermionem. Názvy superpartnerů tvoříme příponou „ino" pro bosony a předponou „s“ pro fermiony. Tedy například foton – fotino, elektron – selektron.
Pozitron – antičástice k elektronu. Teoreticky existenci pozitronu předpověděl Paul Dirac v roce 1928. Experimentálně ho objevil v kosmickém záření Carl Anderson v roce 1932.
Trigger – spínací obvod, spínač, klopný obvod. Zařízení spouštějící určitou část přístroje.
ATLAS – A Toroidal LHC ApparatuS, detektor pro urychlovač LHC s hmotností 7 000 tun umístěný 100 metrů pod zemí. Jde o multifunkční detektor, který by měl být schopen detekovat mimo jiné Higgsovy bosony. Délka zařízení je 44 metrů, magnetické pole cívky vychylující nabité částice 2 T.
CERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 20 členských zemí včetně České republiky. V současné době je zde budován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který má být dostaven v roce 2007. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web.
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.
Leptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové mionové a tauonové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektromagnetické (pokud jsou nabité).
Hadrony – částice složené z kvarků. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton.
HST (Hubble Space Telescope) – Hubbleův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl umístěn ve výšce 614 km v roce 1990. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o jejich obnovení, s nejbližší opravou dalekohledu se počítá v roce 2008.
SPS – Super Proton Synchrotron, dosažitelná energie 400 GeV/proton. Urychlovač je v provozu od roku 1976. Na přelomu roku 1983 a 1984 zde byly objeveny intermediální bosony slabé interakce, v roce 2000 bylo poprvé vytvořeno kvark-gluonové plazma.
