ATOMY ANTYWODORU zbudowane

z pozytonu (czerwony) krà˝àcego

wokó∏ antyprotonu (zielony) dryfujà

z miejsca swoich narodzin

i uderzajà w Êcian´ pu∏apki,

gdzie anihilujà, tworzàc

wiàzk´ czàstek o wysokiej energii.

BRY

AN CHRISTIE DESIGN

Antyczàstki to niemal identyczne bliêniaki zwyczajnych czà-
stek – ró˝nià si´ od nich tylko znakiem ∏adunku elektryczne-
go. Sà to jednak bliêniaki z∏owrogie, których bliskoÊç zwiastu-
je gwa∏towne unicestwienie. Zetkni´cie grama antyczàstek z
ich zwyczajnymi odpowiednikami wyzwoli∏oby energi´ rów-
nowa˝nà 40 kt trotylu. To tyle, ile 5000 gospodarstw domo-
wych zu˝ywa w ciàgu roku.

Szcz´Êliwie dla naszego bezpieczeƒstwa (i pechowo dla po-

trzeb energetycznych ziemskiej cywilizacji) antymateria jest w
przyrodzie rzadkoÊcià. Niektóre substancje promieniotwórcze
emitujà pozytony (antyczàstki elektronów wykorzystywane w
tomografii pozytonowej), zaÊ w ziemskà atmosfer´ nieprzerwa-
nie wpadajà antyprotony zawarte w promieniach kosmicznych.
Liczne antyczàstki mo˝na równie˝ znaleêç w gigantycznych
p´kach czàstek elementarnych, które powstajà, gdy promieƒ
kosmiczny o wielkiej energii uderzy w atom atmosfery.

Grudek antymaterii szukalibyÊmy jednak na pró˝no. W

przyrodzie nie znajdziemy nawet pojedynczych antyatomów,
czyli atomów zbudowanych z antynukleonów i pozytonów.
Tymczasem modele teoretyczne sugerujà, ˝e badania anty-
atomów mogà nam daç niepowtarzalnà szans´ wnikni´cia w
najg∏´bsze tajemnice przyrody. Z braku naturalnych antyato-
mów fizycy starajà si´ wi´c wytworzyç je w laboratoriach.
Dzi´ki pomys∏owym technikom opracowanym w ostatnich
latach mogà si´ dziÊ pochwaliç znacznymi sukcesami.

Wiàzki antyczàstek wytwarzane sà ju˝ od 1955 roku. Po

raz pierwszy otrzymano je w Lawrence Berkeley National
Laboratory, bombardujàc atomy miedzi protonami rozp´dzo-
nymi w akceleratorze Bevatron. Cz´Êç energii zderzenia prze-

mienia∏a si´ przy tym w pary protonów i antyprotonów; pro-
ces ten by∏ wi´c odwrotnoÊcià anihilacji. DziÊ w Fermi Na-
tional Laboratory (Fermilab) w Batavii w stanie Illinois bada
si´ w∏asnoÊci czàstek elementarnych o ekstremalnie wyso-
kich energiach, zderzajàc krà˝àce po wielkim okr´gu anty-
protony z podobnà wiàzkà protonów.

Pierwsze antyatomy zosta∏y wytworzone w 1995 roku przez

naukowców z europejskiego laboratorium fizyki czàstek ele-
mentarnych CERN pod Genewà. W przeprowadzonym przez
nich doÊwiadczeniu wiàzka antyprotonów, które krà˝y∏y w pier-
Êcieniu akumulujàcym akceleratora, przecina∏a strumieƒ atomów
ksenonu. Od czasu do czasu dochodzi∏o do zderzenia, w wyni-
ku którego powstawa∏a para elektron-pozyton, po czym pozyton
odlatywa∏ wraz z jednym z antyprotonów i wiàza∏ si´ z nim
w atom antywodoru. Eksperymentatorzy wytworzyli dziewi´ç
antyatomów poruszajàcych si´ z pr´dkoÊcià bliskà pr´dkoÊci
Êwiat∏a. W podobnym eksperymencie w Fermilabie, który zosta∏
przeprowadzony w 1998 roku, wytworzono 57 antyatomów.

Szybko poruszajàca si´ antymateria jest jednak praktycz-

nie bezu˝yteczna. Chcàc dok∏adnie zbadaç antyatomy, fizycy
muszà przechowywaç je w urzàdzeniach zwanych pu∏apka-
mi atomowymi, co staje si´ mo˝liwe dopiero po spowolnie-
niu tych czàstek i och∏odzeniu ich do temperatury poni˝ej
0.5 K. W CERN cel ten chcà osiàgnàç dwa zawzi´cie ze sobà
rywalizujàce zespo∏y badawcze ATRAP i ATHENA. Pierwszy,
kierowany przez Geralda Gabrielse’a z Harvard Univer-
sity, wy∏oni∏ si´ z zespo∏u TRAP, który prowadzi∏ pionierskie
eksperymenty zwiàzane z wy∏apywaniem i ch∏odzeniem
antyprotonów [patrz: Gerald Gabrielse „Niezwykle zimne

LIPIEC 2005 ÂWIAT NAUKI

55

Graham P. Collins

Dla zwyk∏ej materii antymateria jest prawdziwym przekleƒstwem.

Wolno poruszajàce si´ atomy antywodoru

umo˝liwià zbadanie podstawowych praw

rzàdzàcych WszechÊwiatem

antyprotony”; Âwiat Nauki, luty 1993]. Drugi, kierowany przez
Rolfa Landu´ z CERN, w∏àczy∏ si´ do gry z du˝ym opóênie-
niem, ale to w∏aÊnie on opublikowa∏ pierwszà prac´ opisujà-
cà detekcj´ ch∏odnych atomów antywodoru, wyprzedzajàc
ATRAP o par´ tygodni. Oprócz zespo∏ów ATRAP i ATHENA
badaniem antymaterii zajmuje si´ w CERN grupa ASACUSA.
Przedmiotem jej zainteresowaƒ sà egzotyczne atomy helu, w
których jeden z elektronów jest zastàpiony przez antyproton.

Niektórzy naukowcy majà nadziej´, ˝e pewnego dnia anty-

materi´ uda si´ wykorzystaç jako paliwo rakietowe [ramka
na stronie 61]. Podstawowy cel badaƒ antyczàstek jest jednak
zupe∏nie inny: chodzi w nich przede wszystkim o zweryfiko-
wanie tzw. twierdzenia o symetrii CPT, które g∏osi, ˝e czàst-
ki i antyczàstki powinny podlegaç tym samym prawom. Po
schwytaniu w pu∏apk´ wystarczajàco du˝ej liczby antyato-
mów b´dzie mo˝na zanalizowaç Êwiat∏o emitowane i absor-
bowane przez antywodór. JeÊli twierdzenie CPT jest praw-
dziwe, widma wodoru i antywodoru powinny byç identyczne.

W przesz∏oÊci kilkakrotnie okazywa∏o si´, ˝e symetrie zwià-

zane z twierdzeniem CPT sà ∏amane. Za ka˝dym razem, gdy
do tego dochodzi∏o, zaskoczeni fizycy dowiadywali si´ cze-
goÊ bardzo wa˝nego o czàstkach elementarnych i si∏ach, ja-
kie mi´dzy nimi dzia∏ajà. Gdyby si´ okaza∏o, ˝e atomy anty-
wodoru nie stosujà si´ do twierdzenia CPT, spowodowa∏oby
to powa˝ne perturbacje w tworzonej przez fizyków koncep-
cji rzeczywistoÊci.

Aby dok∏adniej zrozumieç znaczenie symetrii CPT, wyjaÊnij-

my najpierw, co oznaczajà poszczególne litery w tym skrócie:
C – sprz´˝enie ∏adunkowe (charge), P – parzystoÊç (parity)
i T – odwrócenie czasu (time). Sprz´˝enie ∏adunkowe oznacza
zastàpienie czàstek odpowiadajàcymi im antyczàstkami. Parzy-
stoÊç to po prostu zwierciadlane odbicie (bardziej precyzyjnie
– inwersja przestrzeni wzgl´dem punktu); odwrócenie czasu
zaÊ odpowiada odtworzeniu „filmu rzeczywistoÊci” od koƒca.

Stwierdzenie, ˝e mamy do czynienia z symetrià P (lub –

jak mówià fizycy – ˝e przyroda jest niezmiennicza ze wzgl´-
du na t´ symetri´), oznacza, ˝e ka˝dy proces fizyczny obser-
wowany w lustrze podlega tym samym prawom co proces
oryginalny. Gdy wyobra˝amy sobie zwierciadlany obraz pi∏-
ki rzuconej do góry, sens tej symetrii staje si´ oczywisty. Czy
jest wi´c mo˝liwe, by symetria P nie by∏a w∏aÊciwoÊcià ka˝-
dego procesu? W 1956 roku ku powszechnemu zaskoczeniu
stwierdzono, ˝e ∏amià jà s∏abe oddzia∏ywania jàdrowe, które

odpowiadajà za pewne rozpady promieniotwórcze. Rozpa-
dajàcy si´ kobalt 60 wyglàda inaczej ni˝ jego zwierciadlane od-
bicie. Podobnie jak prawor´czny tenisista (którego zwierciadla-
ne odbicie jest tenisistà lewor´cznym), rozpad kobaltu 60
charakteryzuje si´ jakàÊ wewn´trznà, odwracanà w lustrze
„r´cznoÊcià”.

Jednak w wielu procesach, podczas których dochodzi do ∏a-

mania symetrii P, zostaje zachowana symetria CP. W naszym
przyk∏adzie oznacza to, ˝e zwierciadlane odbicie atomu anty-
kobaltu zachowuje si´ tak samo jak atom kobaltu. To tak, jak-
by antytenisista prawor´cznego tenisisty by∏ lewor´czny, a wi´c
jego zwierciadlane odbicie by∏o prawor´czne. W 1964 roku
okaza∏o si´, ˝e w pewnych bardzo rzadkich procesach symetria
CP jest równie˝ ∏amana. Obecnie uwa˝a si´, ˝e ∏amanie syme-
trii CP jest przyczynà, dla której materia dominuje we Wszech-
Êwiecie nad antymaterià [ramka na stronie 57].

Pozostaje wi´c symetria CPT. NiezmienniczoÊç CPT ozna-

cza, ˝e odtwarzanego od koƒca i oglàdanego w lustrze filmu
o antyczàstkach nie potrafilibyÊmy odró˝niç od rzeczywisto-
Êci. Gdyby w∏aÊciwoÊci antyczàstek wyst´pujàcych w takim
„antyfilmie” ró˝ni∏y si´ choçby w najmniejszym szczególe od
obserwowanych w∏aÊciwoÊci czàstek, oznacza∏oby to ∏ama-
nie symetrii CPT.

Symetria CPT ma solidne fundamenty matematyczne i jest

wbudowana w równania kwantowej teorii pola, która z powo-
dzeniem opisuje czàstki elementarne oraz ich oddzia∏ywa-
nia. Na tej teorii od ponad pó∏ wieku oparta jest ca∏a fizyka czà-
stek elementarnych; tak wi´c jakikolwiek sygna∏ Êwiadczàcy
o ∏amaniu symetrii CPT oznaczaç b´dzie koniecznoÊç g∏´bo-
kiej rewizji naszego obrazu mikroÊwiata. Mo˝na mieç nadzie-
j´, ˝e taki sygna∏ da nam wyraênà wskazówk´, jak zbudowaç
nowà teori´, wykraczajàcà poza Model Standardowy fizyki
czàstek elementarnych.

Na podstawie eksperymentów z czàstkami niestabilnymi

fizycy wnioskujà, ˝e przypadki ∏amania symetrii CPT sà nie-
zwykle rzadkie. Do takiego samego wniosku prowadzà do-
Êwiadczenia przeprowadzone w kierowanym przez Gabriel-
se’a eksperymencie TRAP, w których porównano w∏aÊciwoÊci
protonów i antyprotonów z dok∏adnoÊcià, jakiej nikomu nie
uda∏o si´ przedtem osiàgnàç. Badania trzeba jednak kontynu-
owaç z jeszcze wi´kszà precyzjà; istniejà bowiem przes∏an-
ki, ˝e naruszenia symetrii CPT pojawiajà si´ na poziomie, do

56

ÂWIAT NAUKI LIPIEC 2005

© CERN

n

Czàstki i odpowiadajàce im antyczàstki majà przeciwne ∏adunki

elektryczne. Gdy czàstka spotyka si´ z antyczàstkà, dochodzi
do anihilacji, podczas której zostaje wyzwolona ogromna iloÊç
energii. Ostatnio fizykom uda∏o si´ wytworzyç stosunkowo wolno
poruszajàce si´ atomy zbudowane z antymaterii (antyatomy).

n

W przysz∏oÊci antyatomy (np. antywodór) pos∏u˝à do badania

podstawowej w∏aÊciwoÊci WszechÊwiata zwanej symetrià CPT.
Wykrycie nawet niewielkich odst´pstw od symetrii CPT
by∏oby wydarzeniem niezwykle donios∏ym i umo˝liwi∏oby
nam wglàd w „nowà fizyk´”.

n

Wytwarzane obecnie atomy antywodoru majà temperatur´

oko∏o 2400 K. Badania symetrii CPT wymagajà jednak
osiàgni´cia temperatur nie wy˝szych ni˝ 0.5 K. Fizycy
dà˝à wi´c do wytworzenia ch∏odnych antyatomów w stanach
nadajàcych si´ do badaƒ spektroskopowych.

Przeglàd /

Pierwsze antyatomy

APARATURA ATHENA w CERN – jedno z dwóch urzàdzeƒ wytwarzajà-
cych ch∏odne atomy antywodoru.

którego nie dotar∏ nawet TRAP [patrz: V. Alan Kostelecky∂ „W
poszukiwaniu granic teorii wzgl´dnoÊci”; Âwiat Nauki, paê-
dziernik 2004]. Widmo wodoru jest znane bardzo dok∏adnie
i jeÊli podobnà dok∏adnoÊç uda si´ osiàgnàç w przypadku
antywodoru, to porównanie obu tych widm wyznaczy nowe
standardy pomiarów CPT dla czàstek stabilnych.

Niewykluczone, ˝e antyczàstki nie tylko ∏amià symetri´ CPT,

lecz tak˝e nieco inaczej ni˝ zwyk∏e czàstki reagujà na grawi-
tacj´. Nie oznacza to, jak si´ czasami mylnie sàdzi, ˝e podle-
gajà dzia∏aniu jakiejÊ „antygrawitacji” i mogà byç przez zwy-
k∏e czàstki odpychane, a nie przyciàgane. W przypadku
antyczàstek mo˝e zostaç odwrócona tylko niewielka sk∏adowa
si∏y grawitacyjnej; niemniej odkrycie takiego zjawiska dog∏´b-
nie zmieni∏oby nasze wyobra˝enia o grawitacji. Gdy do dyspo-
zycji mamy tylko czàstki na∏adowane, takie jak pozyton czy
antyproton, próby wykrycia efektów grawitacyjnych muszà
zakoƒczyç si´ niepowodzeniem: zaburzenia spowodowane
przez niemo˝liwe do ca∏kowitego wyeliminowania pole elek-
tromagnetyczne sà o wiele za silne. Byç mo˝e uda si´ sch∏odziç
elektrycznie oboj´tne antyatomy do bardzo niskiej tempera-
tury, a nast´pnie zaobserwowaç ich swobodny spadek w polu
grawitacyjnym, tak jak uda∏o si´ z ch∏odzonymi laserowo ato-
mami zwyk∏ej materii. Problemy techniczne zwiàzane z eks-
perymentami grawitacyjnymi sà jednak nieporównanie trud-
niejsze ni˝ te, które mamy przy testach symetrii CPT.

K∏opotliwe antysk∏adniki

EKSPERYMENTATOR

, który chce wytworzyç niezb´dne do prze-

prowadzenia wszystkich tych doÊwiadczeƒ atomy antywodo-
ru, potrzebuje dwóch sk∏adników: pozytonów i antyproto-
nów. Pozytony mo˝na otrzymaç bez trudu, poniewa˝ liczne
izotopy promieniotwórcze emitujà je w reakcji zwanej roz-
padem beta. Z antyprotonami nie jest ju˝ tak ∏atwo.

Jako êród∏o pozytonów fizycy z CERN wykorzystujà pro-

mieniotwórczy sód 22. Gram tego izotopu wytwarza 2

× 10

14

pozytonów na sekund´. Pozytony te majà jednak energi´
550 keV, która odpowiada pr´dkoÊci równej prawie dziewi´-
ciu dziesiàtym pr´dkoÊci Êwiat∏a i temperaturze 6

× 10

9

stop-

ni Kelvina. Aby nadawa∏y si´ do wytwarzania zimnego
antywodoru, trzeba je spowolniç do pr´dkoÊci kilku kilome-
trów na sekund´. Osiàga si´ to w sekwencji ró˝nych procesów
[ramka na nast´pnych dwóch stronach]. W ciàgu pi´ciu minut
zespó∏ ATHENA zbiera 75 mln pozytonów i za pomocà pól
elektrycznych oraz magnetycznych zamyka je w wysokopró˝-
niowej pu∏apce Penninga (nazwanej tak na czeÊç fizyka Fransa
Michela Penninga, który opracowa∏ konstrukcj´ tego urzàdze-
nia w 1936 roku). Pu∏apka w eksperymencie ATRAP mieÊci
oko∏o 5 mln pozytonów. Obie pu∏apki sà na tyle szczelne, ˝e
przez godzin´ udaje si´ z nich uciec tylko nielicznym czàstkom.

Poniewa˝ antyprotony nie sà produktem rozpadu ˝adnego

wygodnego w u˝yciu materia∏u promieniotwórczego, trzeba je
wytwarzaç z czystej energii, strzelajàc protonami w metalowà
tarcz´. Produktami takiego ostrza∏u sà m.in. wysokoenergetycz-
ne antyprotony, które nale˝y nast´pnie och∏odziç do temperatu-
ry zbli˝onej do temperatury pozytonów. W pierwszej fazie ich
spowalniania stosuje si´ urzàdzenia podobne do akceleratorów,
tyle ˝e pracujàce „w odwrotnà stron´”. Uruchomiony w 2000 ro-
ku w CERN Decelerator Antyprotonowy co pó∏torej minuty
emituje wiàzk´ oko∏o 20 mln antyprotonów o energii 5 MeV,
które poruszajà si´ z pr´dkoÊcià równà jednej dziesiàtej pr´d-

koÊci Êwiat∏a. Czàstki te sà nast´pnie spowalniane za pomocà
cienkiej przes∏ony wykonanej z aluminium, a w pu∏apce Pennin-
ga ich energia zostaje ostatecznie obni˝ona do zaledwie kilku
elektronowoltów. Kolejne wiàzki mogà byç wprowadzane do
pu∏apki dzi´ki zastosowaniu opracowanej przez TRAP metody
separacji pionowej. Pu∏apka w eksperymencie ATHENA utrzy-
muje 10 tys. antyprotonów przez wiele godzin, natomiast dys-
ponujàcy lepszà pró˝nià zespó∏ ATRAP potrafi przechowaç kil-
ka milionów antyprotonów nawet przez dwa miesiàce.

Pu∏apki w pu∏apkach

PU

¸APKOWANIE CZÑSTEK

na∏adowanych stosowane jest ju˝ od

dziesiàtek lat, ale standardowe pu∏apki nadajà si´ tylko do
przechowywania czàstek o jednakowym znaku ∏adunku elek-
trycznego (jednakowej „polaryzacji”). Na przyk∏ad cylindrycz-
na pu∏apka Penninga, w której zamkni´te sà pozytony, nie
mo˝e jednoczeÊnie przechowywaç antyprotonów.

W pu∏apkach o takiej konstrukcji pole magnetyczne unie-

mo˝liwia wyp∏yw czàstek przez bocznà powierzchni´ cylindra
(w kierunku radialnym), zaÊ elektryczne – przez jego podstawy,
przy których wytwarza si´ barier´ potencja∏u. W przypadku
dodatnio na∏adowanych pozytonów barier´ t´ mo˝na wyobra-
˝aç sobie jako pochy∏à ramp´, po której czàstki toczà si´ jak
kulki. Pozytony o niezbyt du˝ej pr´dkoÊci wtaczajà si´ na nià,
zatrzymujà, a nast´pnie zawracajà i dzi´ki temu utrzymywane
sà wewnàtrz pu∏apki. Niestety, dla ujemnie na∏adowanych an-
typrotonów ta sama rampa, zamiast wznosiç si´, opada, co po-

LIPIEC 2005 ÂWIAT NAUKI

57

Asymetria materii
we WszechÊwiecie

Akt powstania WszechÊwiata w Wielkim Wybuchu wyzwoli∏ ol-
brzymià energi´, z której powinny by∏y wytworzyç si´ jednako-
we iloÊci materii i antymaterii. Jak dosz∏o wi´c do tego, ˝e w
dzisiejszym WszechÊwiecie niemal wszystko zbudowane jest
z materii? W 1967 roku odpowiedzia∏ na to pytanie wielki ro-
syjski fizyk Andriej Sacharow. Wykaza∏ on, ˝e warunkiem koniecz-
nym, by WszechÊwiat zosta∏ zdominowany przez materi´, jest
∏amanie symetrii CP. Gdy symetria CP zostaje z∏amana, czàst-
ki rozpadajà si´ w nieco innym tempie ni˝ antyczàstki.

Badania przypadków ∏amania symetrii CP podczas rozpadu

czàstek i antyczàstek zwanych mezonami B sà prowadzone
przez zespo∏y BaBar w Stanford Linear Accelerator Center
(SLAC) i Belle w Tsukubie w Japonii. W sierpniu 2004 roku oba
te zespo∏y wykry∏y znaczne odst´pstwa od symetrii CP, stwier-
dzajàc, ˝e pewien rodzaj rozpadu mezonu B zdarza si´ du˝o cz´-
Êciej w przypadku czàstek ni˝ antyczàstek.

Zaobserwowany stopieƒ ∏amania symetrii CP jest w zasadzie

zgodny z przewidywaniami Modelu Standardowego fizyki czà-
stek elementarnych, ale w przypadku jednej reakcji wydaje si´
nieznacznie wy˝szy od przewidywanego. JeÊli uda si´ to po-
twierdziç, zdob´dziemy dowód istnienia nieznanych dotych-
czas czàstek elementarnych [patrz: Gordon Kane „Najdosko-
nalsza teoria w punkcie zwrotnym”; Âwiat Nauki, lipiec 2003].
Efekt ten nie jest jednak na tyle du˝y, by spe∏nione by∏y za∏o˝e-
nia modelu Sacharowa, który objaÊnia przyczyny pojawienia
si´ asymetrii mi´dzy materià i antymaterià we WszechÊwiecie.

58

ÂWIAT NAUKI LIPIEC 2005

WYTWARZANIE I WYKRYWANIE CH¸ODNEGO ANTYWODORU

Naukowcy, którzy chcà wytworzyç atomy antywodoru, muszà wpierw wytworzyç i zebraç w jednym miejscu
antyprotony oraz pozytony. Decelerator Antyprotonowy w CERN (z prawej) wytwarza antyprotony o stosun-
kowo niskiej energii na potrzeby trzech eksperymentów: ATRAP, ATHENA i ASACUSA. Pola elektryczne
i magnetyczne wi´˝à antyprotony i pozytony na przeciwleg∏ych kraƒcach pró˝niowego pojemnika w kszta∏-
cie cylindra (poni˝ej). Nast´pnie manipuluje si´ tymi polami w taki sposób, by wprowadziç czàstki do pu-
∏apki mieszajàcej, w której antyprotony i pozytony ∏àczà si´ w atomy antywodoru rejestrowane przez zestaw
detektorów. Zasady dzia∏ania pu∏apek mieszajàcych zosta∏y opracowane przez zespó∏ ATRAP i jego poprzed-
nika – TRAP. Poni˝sze diagramy obrazujà aparatur´ ATHENA.

Energia

potencjalna [eV]

Energia

potencjalna [eV]

50

75

100

125

–125

–100

–75

–50

JAK DZIA¸A ¸APACZ ANTYPROTONÓW

Pu∏apka wype∏niona jest zawczasu chmurà zimnych
elektronów. Antyprotony z deceleratora dostajà si´ do niej
przez cienkà przes∏on´ z aluminium.

Aluminium spowalnia
niektóre antyprotony.

Wysoki potencja∏ elektryczny
odbija spowolnione antyprotony
i kieruje je ku Êrodkowi pu∏apki.
Szybkie antyprotony wydostajà
si´ z pu∏apki i uciekajà na prawo.

Przy lewym koƒcu pu∏apki
szybko wytwarza si´ podobnà
barier´ potencja∏u. Antyprotony
odbijajà si´ teraz na obu koƒcach
pu∏apki w t´ i z powrotem.

Przy ka˝dym przejÊciu przez pu∏apk´
antyprotony oddajà nieco energii
chmurze elektronów, a˝ w koƒcu
zatrzymujà si´ w Êrodku pu∏apki.
Lewa bariera zostaje wtedy
obni˝ona, by do pu∏apki mog∏a
dostaç si´ nast´pna wiàzka
antyprotonów.

JAK DZIA¸A ZAGNIE˚D˚ONA PU¸APKA MIESZAJÑCA

Pozytony nie mogà byç zamkni´te w tej samej studni
potencja∏u co antyprotony. Pu∏apka na pozytony musi byç
zagnie˝d˝ona w pu∏apce na antyprotony.

Antyprotony odbijajà si´
w t´ i z powrotem
od Êcian du˝ej
i g∏´bokiej studni potencja∏u
o wybrzuszonym dnie.

Pozytony o ∏adunku
przeciwnym widzà t´ samà
studni´ do góry nogami:
wybrzuszenie jest dla nich
zag∏´bieniem na szczycie
rozleg∏ego wzniesienia.

Pozytony sà uwi´zione
w tym samym obszarze,
co antyprotony. Umo˝liwia to
powstawanie atomów
antywodoru.

¸APACZ ANTYPROTONÓW I PU¸APKA MIESZAJÑCA

¸apacz antyprotonów (z lewej) zbiera antyprotony z deceleratora (ramka na dole z lewej).
Gdy jest ich ju˝ wystarczajàco du˝o, przenosi si´ je do pu∏apki mieszajàcej. W pu∏apce tej oprócz
antyprotonów znajdujà si´ pozytony dostarczane przez akumulator pozytonów (z prawej),
co umo˝liwia powstawanie atomów antywodoru (ramka na dole z prawej).

Wiàzka

antyprotonów

Wiàzka
protonów

Tarcza

10 m

Detektor

antywodoru

Pu∏apka

mieszajàca

Przes∏ona z aluminium

Antyprotony

Elektrody

Zimne
elektrony

Potencja∏

elektryczny

Z∏apane antyprotony

Strefa transferu
pozytonów

Pu∏apka

chwytajàca

antyprotony

Wiàzki
antyprotonów
z deceleratora

Elektrody

pu∏apki

Penninga

Gazowy azot

Pozytony

Solenoidalny

magnes

nadprzewodzàcy

BRY

AN CHRISTIE DESIGN

woduje, ˝e wydostajà si´ one z pu∏apki i wpadajà na Êcian´ cy-
lindra. Aby temu zapobiec, nale˝a∏oby zmieniç kierunek pola
elektrycznego, co odwróci∏oby barier´ potencja∏u.

Technika umo˝liwiajàca jednoczesne pu∏apkowanie czàstek o

ró˝nych polaryzacjach zosta∏a po raz pierwszy zastosowana w
1988 roku przez Gabrielse’a i jego wspó∏pracowników. Ca∏y trik
polega na umieszczeniu p∏ytkiej pu∏apki na czàstki o danej po-
laryzacji wewnàtrz g∏´bokiej pu∏apki na czàstki o polaryzacji
przeciwnej. Czàstka uwi´ziona w zewn´trznej pu∏apce „widzi”
jà jako g∏´bokà studni´ z dnem wybrzuszonym jak spód butel-
ki wina. Dla czàstek o przeciwnym ∏adunku studnia zamienia si´
w wulkan z kraterem, w którym sà uwi´zione. We wn´trzu kra-
teru mogà si´ wi´c znajdowaç oba rodzaje czàstek. W 1996 ro-
ku Gabrielse i jego wspó∏pracownicy zademonstrowali efektyw-
noÊç takiego rozwiàzania dla protonów i elektronów, a w 2000
roku – dla antyprotonów i pozytonów. Pu∏apki w pu∏apkach,
które jednoczeÊnie magazynujà pozytony i antyprotony, sà obec-
nie stosowane zarówno w eksperymencie ATRAP, jak i ATHENA.

Czàstki znajdujàce si´ w kraterze zderzajà si´ ze sobà cha-

otycznie i niekiedy w wyniku kolizji jeden z pozytonów zaczyna
poruszaç si´ w tym samym kierunku co jeden z antyprotonów,
a do tego w niewielkiej od niego odleg∏oÊci. Sk∏adniki takiej
pary niemal natychmiast zaczynajà si´ kr´ciç wokó∏ siebie
i voil∫ – powstaje atom antywodoru.

Pomys∏owa detekcja

OTRZYMAWSZY ATOMY ANTYWODORU

, naukowcy stajà przed dwo-

ma problemami. Po pierwsze, trzeba je zaobserwowaç i udowod-
niç, ˝e rzeczywiÊcie istniejà. Po drugie, trzeba si´ z tym Êpieszyç,
poniewa˝ elektrycznie oboj´tne atomy antywodoru nie sà ju˝
utrzymywane w pu∏apce przez pola elektryczne i magnetyczne,
lecz wylatujà z niej z takà pr´dkoÊcià, jakà mia∏y w chwili
powstania.

W eksperymencie ATHENA drugi problem jest wykorzysty-

wany jako rozwiàzanie pierwszego. Kiedy opuszczajàce pu∏ap-
k´ antyatomy docierajà do zbudowanej ze zwyk∏ej materii Êcia-
ny cylindra, zatrzymujà si´ i niemal natychmiast po tym
pozytony anihilujà z napotkanymi elektronami zwyk∏ych ato-
mów, zaÊ antyprotony – z nukleonami ich jàder. W wyniku
pierwszej reakcji powstajà zazwyczaj dwa biegnàce w przeciw-
nych kierunkach kwanty promieniowania gamma o charakte-
rystycznej energii (511 keV), w wyniku drugiej zaÊ – dwie lub
trzy czàstki zwane mezonami

π lub pionami. Wszystkie te czàst-

ki daje si´ ∏atwo zaobserwowaç. Wydawa∏oby si´ wi´c, ˝e gdy
detektor wykrywa dwa promienie gamma o odpowiedniej ener-
gii oraz powsta∏e jednoczeÊnie w tym samym miejscu Êciany
piony, to mo˝na mieç pewnoÊç, ˝e jesteÊmy Êwiadkami zniszcze-
nia powsta∏ego wczeÊniej atomu antywodoru.

Niestety, nie jest to a˝ tak proste. Podczas anihilacji antypro-

tonów mogà powstawaç liczne pozytony, które natychmiast
anihilujà, wytwarzajàc kwanty gamma o energii 511 keV. Tak
wi´c pojedyncze antyprotony mogà dawaç fa∏szywy sygna∏ po-
dobny do tego, jaki dajà ca∏e antyatomy. Sygna∏ ten (tzw. t∏o) na-
le˝y wyodr´bniç i usunàç z danych.

Zespó∏ ATRAP stosuje pomys∏owà metod´, dzi´ki której nast´-

puje ca∏kowita eliminacja t∏a. Eksperymentatorzy zliczajà jedy-
nie te atomy antywodoru, które poruszajà si´ dok∏adnie wzd∏u˝
osi cylindra i w których pozyton i antyproton sà s∏abo ze sobà
zwiàzane (antyatomy poruszajàce si´ w innych kierunkach lub
mocniej zwiàzane nie podlegajà detekcji). Oboj´tne elektrycznie

LIPIEC 2005 ÂWIAT NAUKI

59

JAK DZIA¸A DETEKTOR

Atomy antywodoru, które powstajà w pu∏apce mieszajàcej,
sà elektrycznie oboj´tne. Wydostajà si´ wi´c z pu∏apki
i docierajà do Êcianki pojemnika. Dochodzi wtedy do anihilacji
antyprotonów i pozytonów, w wyniku której powstajà
wysokoenergetyczne mezony

π i pary kwantów gamma.

Czàstki te sà rejestrowane przez detektory otaczajàce
obszar mieszania.

AKUMULATOR POZYTONÓW

Pozytony emitowane przez sód 22 (z prawej) spowalnia si´, przepusz-
czajàc je najpierw przez cienkà warstw´ zestalonego neonu, a nast´pnie
wprowadzajàc do pojemnika, w którym zderzajà si´ z atomami azotu w
stanie gazowym. Spowolnione pozytony sà chwytane w umieszczonà w
tym samym pojemniku pu∏apk´ Penninga. Po zebraniu wystarczajàcej
liczby pozytonów azot zostaje wypompowany, pozytony zaÊ przechodzà
do pu∏apki mieszajàcej.

WIDOK Z LOTU PTAKA

ATRAP

ATHENA

ASACUSA

Decelerator

Magnesy

Sód 22 i warstwa

zestalonego neonu

Magnes
solenoidalny

Pozytony

1 m

Detektor krystaliczny

Âciana pu∏apki

mieszajàcej

Kwant gamma

Antywodór

Detektor
paskowy

Mezon

π

60

ÂWIAT NAUKI LIPIEC 2005

BRY

AN CHRISTIE DESIGN

Zespó∏ ATRAP opracowa∏ urzàdzenie do kontrolowanej laserowo produkcji atomów antywodoru metodà, która nie wymaga u˝ycia
zagnie˝d˝onych pu∏apek (poni˝ej urzàdzenie; z prawej zasada jego dzia∏ania). Pozytony i antyprotony znajdujà si´ w dwóch oddziel-
nych pu∏apkach. W pu∏apce pozytonowej powstajà oboj´tne elektrycznie pozytonia (trwale zwiàzane pary elektron–pozyton), które
przenoszà pozytony w pobli˝e antyprotonów. Nast´pujàcy po tym ciàg reakcji powinien przebiegaç w taki sposób, by wywarzane
w ich wyniku atomy antywodoru mia∏y ma∏e pr´dkoÊci (a wi´c niskà temperatur´),
ale eksperymentatorzy nie majà jeszcze pewnoÊci, czy uda∏o im si´ to osiàgnàç.

PRODUKCJA KONTROLOWANA LASEROWO

1

Atomy cezu przelatujà przez wiàzk´
laserowà o odpowiednio dobranych

parametrach, która wzbudza je
do rozd´tych stanów rydbergowskich.

2

Zamkni´te w pu∏apce pozytony
wy∏apujà wzbudzone elektrony

z atomów cezu i wià˝à si´ z nimi.
Powstajà w ten sposób oboj´tne
elektrycznie pozytonia w stanie
rydbergowskim, które uciekajà
z pu∏apki we wszystkich kierunkach.

3

Cz´Êç pozytoniów wpada do pu∏apki
antyprotonowej, gdzie antyprotony

wy∏apujà pozytony i wià˝à si´ z nimi
w atomy antywodoru, które uciekajà
z pu∏apki we wszystkich kierunkach.

4

Cz´Êç antyatomów wpada do kolejnej
pu∏apki antyprotonowej, gdzie silne pole

elektryczne „obdziera je” z pozytonów. Wykryte
przypadki anihilacji antyprotonów dowodzà, ˝e atomy
antywodoru rzeczywiÊcie zosta∏y wyprodukowane.

antyatomy bez trudu przechodzà przez wysokà barier´ poten-
cja∏u, uniemo˝liwiajàcà wydostanie si´ z pu∏apki „samotnym”
antyprotonom. Nast´pnie poddawane sà dzia∏aniu silnego po-
la elektrycznego, które rozdziela je na pozytony i antyprotony.
Wreszcie „odzyskane” w ten sposób antyprotony trafiajà do
nowej pu∏apki elektromagnetycznej. Po pewnym czasie wszyst-
kie zakumulowane antyprotony wypuszcza si´ z pu∏apki i ob-
serwuje efekty anihilacji z jej Êcianami.

Gdy w pierwszej, zagnie˝d˝onej pu∏apce nie ma pozyto-

nów, nie powstajà w niej antyatomy, a samotne antyprotony
nie mogà si´ z niej wydostaç. W drugiej pu∏apce nie dochodzi
wi´c do ˝adnych przypadków anihilacji. Gdy pozytony sà
obecne, liczba wykrytych antyprotonów jest równa liczbie
oboj´tnych atomów antywodoru, które by∏y s∏abo zwiàzane i
porusza∏y si´ w odpowiednim kierunku. Na fa∏szywe sygna-
∏y po prostu nie ma tu miejsca – nie pojawia si´ wi´c ˝adne
t∏o, które trzeba by uwzgl´dniaç przy opracowywaniu wyni-
ków doÊwiadczenia.

W 2004 roku, dzi´ki pomys∏owemu rozwini´ciu opisanej

metody i wykorzystaniu oscylujàcego pola elektrycznego, ze-
spó∏ ATRAP uzyska∏ informacje o pr´dkoÊciach atomów an-
tywodoru (a wi´c o ich temperaturze). Wynik by∏ nieco de-
prymujàcy: wytworzone i zaobserwowane atomy mia∏y
temperatur´ 2400 K – znacznie wy˝szà ni˝ elementy pu∏apki,
które sch∏odzono ciek∏ym helem do temperatury 4.2 K. Aby
przeprowadziç szczegó∏owà spektroskopi´ antyatomów, trze-

ba je sch∏odziç co najmniej do 0.5 K. Dopiero wtedy mo˝na
je z∏apaç w pu∏apk´ dla oboj´tnych atomów i zbadaç, w jaki
sposób poch∏aniajà Êwiat∏o laserowe o ró˝nych cz´stoÊciach.

Pod kontrolà lasera

DÑ

˚ÑC DO WYTWORZENIA

niskotemperaturowych antyatomów, ze-

spó∏ ATRAP opracowa∏ metod´ kontrolowanej laserowo pro-
dukcji antywodoru. Nie stosuje si´ w niej zagnie˝d˝onych
pu∏apek, a pozytony i antyprotony sà utrzymywane w sàsia-
dujàcych ze sobà, lecz oddzielnych studniach potencja∏u [ram-
ka poni˝ej]. ¸aƒcuch reakcji, zaczynajàcy si´ od laserowego
wzbudzania atomów cezu, przenosi pozytony w pobli˝e anty-
protonów, tak aby mog∏y powstaç antyatomy. Jest on opra-
cowany w taki sposób, by wytwarzanym antyatomom przeka-
zaç jak najmniej energii.

Zespó∏ ATRAP prowadzi∏ takie doÊwiadczenie tylko przez

kilka godzin, poniewa˝ koƒczy∏ si´ ju˝ czas przewidziany na
dzia∏anie ca∏ego uk∏adu eksperymentalnego w 2004 roku.
Naukowcy nie mieli wi´c mo˝liwoÊci zoptymalizowania me-
tody i zebrania znaczàcej liczby antyatomów: uda∏o si´ ich
zaobserwowaç tylko 13. Wed∏ug Gabrielse’a „wyglàda na to,
˝e sà one znacznie ch∏odniejsze ni˝ wyprodukowane w za-
gnie˝d˝onej pu∏apce Penninga”. Aby stwierdziç, czy to praw-
da, trzeba takich antyatomów wytworzyç znacznie wi´cej.
Ale nawet jeÊli Gabrielse ma racj´, to przed przystàpieniem do
precyzyjnych testów symetrii CPT trzeba b´dzie pokonaç jesz-

Lasery

Elektrody

pu∏apki

Pozytony

Antyprotony

Studnia
detekcyjna

Spowalniacz
antyprotonów
(beryl)

Wiàzki
laserowe

Atom
cezu

Stany

rydbergowskie

Pu∏apka

antyprotonowa

Pole
elektryczne

Antywodór

Antyproton

Antyprotonowa

pu∏apka

detekcyjna

Pozyton

Pozytonium

Pu∏apka

pozytonowa

Wiàzka

cezu

cze jednà przeszkod´. Antyatomy powstajà bowiem w „rozd´-
tych”, wysoko wzbudzonych stanach (tzw. stanach rydber-
gowskich), i przed przystàpieniem do badaƒ spektroskopo-
wych trzeba je sprowadziç do stanów o ni˝szej energii.

Równie˝ pod koniec 2004 roku zespo∏owi ATHENA uda∏o

si´ u∏o˝yç antyprotony w cienkà, g´stà kolumn´ w Êrodku pu-
∏apki. Konfiguracja taka mo˝e byç bardzo u˝yteczna w przy-
sz∏ych eksperymentach wykorzystujàcych pu∏apki magnetycz-
ne (które b´dà potrzebne do ∏apania atomów antywodoru).

W ramach innego projektu ten sam zespó∏ bada∏ szczegó-

∏y procesu produkcji antyatomów. Okaza∏o si´, ˝e nawet gdy
pozytony mia∏y temperatur´ pokojowà (oko∏o 300 K), wykry-
to niemal tyle samo antyatomów, ile wtedy gdy ATHENA pra-
cowa∏a w swej zwyk∏ej temperaturze (10 K).

Obserwacja ta jest ra˝àco sprzeczna z najprostszymi

modelami teoretycznymi opisujàcymi powstawanie antyato-
mów, które przewidujà, ˝e powinno si´ ich pojawiç tysiàce,
a nawet miliony razy mniej. Landua jest przekonany, ˝e ja-
kiÊ dodatkowy mechanizm pomaga stabilizowaç antywodór
w goràcej plazmie (Gabrielse podchodzi do tego wniosku
bardzo sceptycznie). JeÊli mechanizm ten sprowadza anty-
atomy do stanu o najni˝szej energii, w którym mo˝na pro-
wadziç dok∏adne badania spektroskopowe, to jest to bardzo
dobra wiadomoÊç dla tych, którzy zamierzajà testowaç sy-
metri´ CPT.

Obaj naukowcy przyznajà zgodnie, ˝e najwa˝niejszym wyzwa-

niem dla obu zespo∏ów jest obecnie produkcja antyatomów,
które nadawa∏yby si´ do badaƒ spektroskopowych. Takie anty-
atomy nie tylko powinny byç sch∏odzone do temperatury co
najmniej 0.5 K (aby mo˝na je by∏o utrzymaç w pu∏apce magne-
tycznej), lecz tak˝e muszà znajdowaç si´ w stanie podstawowym.

Decelerator Antyprotonowy pracuje zazwyczaj od maja do

listopada; w 2005 roku b´dzie jednak nieczynny ze wzgl´du
na ci´cia wydatków spowodowane przekroczeniem bud˝etu
budowy Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). Na nowe
próby zniewolenia z∏owrogiego bliêniaka wodoru przyjdzie
wi´c poczekaç a˝ do maja 2006 roku.

n

LIPIEC 2005 ÂWIAT NAUKI

61

BRY

AN CHRISTIE DESIGN

First Measurement of the Velocity of Slow Antihydrogen Atoms. G. Ga-

brielse i in.; Physical Review Letters, tom 93, nr 7, s. 073401-1-
073401-4; 13 VIII 2004.

The Antiproton: a Subatomic Actor with Many Roles. John Eades; CERN

Courier, tom 43, nr 6; VII/VIII 2003. Dost´pne w Internecie pod adre-
sem: cerncourier. com/main/article/43/6/17

Background-Free Observation of Cold Antihydrogen with Field-Ioniza-

tion Analysis of Its States. G. Gabrielse i in.; Physical Review Letters,
tom 89, nr 21, s. 213401-1-213401-4; 18 XI 2002.

Strona internetowa eksperymentu ATHENA: athena.web.cern.ch/athena/
Strona internetowa eksperymentu ATRAP: hussle.harvard.edu/~atrap/
Dodatkowe informacje na temat antymaterii i testowania symetrii CPT

mo˝na znaleêç na stronie: www.sciam.com/ontheweb

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ

Wed∏ug NASA 42 mg antyprotonów kryjà w sobie tyle energii
co 750 000 kg paliwa i utleniacza w zewn´trznym zbiorniku
wahad∏owca kosmicznego. KorzyÊci wynikajàce z zastosowania
tak silnie skoncentrowanego êród∏a energii sà wi´c oczywiste,
ale zanim powstanà rakiety na antymateri´, trzeba rozwiàzaç
wiele problemów.

Pierwszym warunkiem powodzenia takiego przedsi´wzi´cia jest

oczywiÊcie opracowanie techniki umo˝liwiajàcej produkcj´ anty-
materii w iloÊciach miligramowych. Decelerator Antyprotonowy
w CERN wytwarza 20 mln antyprotonów co 100 s. Pracujàc bez
przerwy, w ciàgu roku wytworzy∏by tylko 10 pg antymaterii.

Po drugie, konieczna jest umiej´tnoÊç magazynowania du˝ych

iloÊci antymaterii. Typowa pu∏apka na oboj´tne antyatomy mie-
Êci ich oko∏o miliona. Jednà z mo˝liwoÊci, zaproponowanà w
2003 roku przez Stevena D. Howe’a i Gerarda P. Jacksona z
Hbar Technologies na konferencji zorganizowanej przez NASA,
jest sk∏adowanie antywodoru w postaci zestalonych pigu∏ek (an-
tywodór tak jak wodór zamarza w temperaturze 14 K). Pigu∏ki
o Êrednicy oko∏o 150

µm by∏yby elektrycznie na∏adowane i za-

wieszone w siatce pu∏apek elektrostatycznych.

Gdy b´dziemy ju˝ dysponowaç odpowiednià iloÊcià antyma-

terii, staniemy przed trzecim problemem: energi´ anihilacji trze-
ba b´dzie zamieniç w ciàg rakiety. Gdy elektron anihiluje z po-
zytonem, energia wyzwala si´ w postaci dwóch kwantów gamma,
które rozbiegajà si´ w przeciwnych kierunkach. Anihilacja pro-
tonów i antyprotonów prowadzi do powstania krótko˝yjàcych
czàstek o wielkiej energii, zwanych pionami. Czàstek tych mo˝-
na u˝yç do rozgrzania wolframowego rdzenia, wokó∏ którego
przep∏ywa∏by wodór. Goràcy wodór wyp∏ywa∏by pod du˝ym ciÊnie-
niem z dyszy, dajàc wymagany ciàg.

Znacznie bardziej efektywny by∏by silnik, w którym pole ma-

gnetyczne odchyla∏oby piony w odpowiednim kierunku (tak aby
to one by∏y materia∏em p´dnym). Ze wzgl´du na znikomà iloÊç ma-
teria∏u p´dnego moc takiego silnika by∏aby jednak niewielka.

Howe i Jackson zaproponowali innà metod´, w której pigu∏ki

z antymaterii by∏yby u˝ywane do wprawiania w ruch kosmiczne-
go ˝aglowca. ˚agiel zbudowany by∏by z w´gla pokrytego war-
stwà uranu. Po wystrzeleniu pigu∏ek antywodoru w kierunku ˝a-
gla jàdra atomów uranu ulega∏yby rozszczepieniu, a ich od∏amki
uderza∏yby w ˝agiel, który ciàgnà∏by za sobà statek kosmiczny.
Na razie jednak wzbudzanie reakcji rozszczepienia za pomocà an-
tymaterii jest procesem czysto hipotetycznym.

Rakiety na antymateri´: jak to zrobiç?

PROJEKT STATKU KOSMICZNEGO nap´dzanego antymaterià. Grudki
antymaterii uderzajà w pokryty uranem „˝agiel”, inicjujàc reakcj´
rozszczepienia jàder atomowych.