Jéki László

Nyomtatóbarát változat

2000 nyara óta antianyaggyár (antimatter factory) üzemel a CERN-ben, a genfi nemzetközi részecskefizikai kutatóközpontban. Gyár a kutatóintézetben? A gyár megnevezés egyrészt arra utal, hogy az antianyag előállítása túljutott a laboratóriumi kísérletek szintjén, és üzemszerűen, rutinszerűen, folyamatosan állítanak elő antianyagot a fizikai kísérletekhez. A név másrészt arra is vonatkozik, hogy az antianyagot „gyártani” kell, elő kell állítani, mert nem létezik földi környezetünkben. A kísérletektől éppen arra az alapkérdésre várnak választ, hogy miért.

A pozitron az elektron antirészecskéje. Neve is erre utal: a pozitív és az elektron szavak összevonásával alkották. A két részecske valamennyi jellemzője megegyezik, egyetlenegyet, a töltést kivéve. Az elektron negatív, a pozitron pozitív töltésű. Ha az antirészecskék egyetlen fizikai jellemzőjüket leszámítva éppen olyanok, mint a részecskék, akkor miért nem találjuk meg őket a környezetünkben? A kérdésre máig sem tudunk egyértelműen válaszolni. Egyetlen dolog biztos: ha a bennünket körülvevő természetben bőven lenne antianyag, akkor nem léteznénk. Nem létezne a szilárd Föld, nem létezne a Naprendszer, nem ragyognának csillagok az égen. Mi sem léteznénk, így az antianyag titkain sem elmélkedhetnénk. Az anyag és az antianyag részecskéi egymással találkozva szétsugároznának. Sugárzásból állna a világegyetem. Időnként persze újra és újra keletkeznének részecskepárok, például egy elektron és egy pozitron, majd ezek újra szétsugároznának.

Nem tudjuk pontosan, hogy mi történt a mai világegyetem kezdetének tartott ősrobbanás (big bang) utáni első pillanatokban. Feltehetően először egyenlő mennyiségben keletkeztek részecskék és antirészecskék. Elképzelhető az is, hogy a világegyetemben már a kezdetektől nem volt egyensúlyban anyag és antianyag. Mindkét változat mellett találni érveket. A fizikusok többsége szerint az indulás szimmetrikus volt, rövidesen azonban valamitől megváltozott a helyzet, és túlsúlyba kerültek a részecskék, fokozatosan kialakult a mai világegyetem. A számítások szerint minden egymilliárd antirészecskére egymilliárd és egy részecske jutott. Lehet, hogy ez a különbség már a kezdeti pillanatoktól fennállt. Ennek a kis eltérésnek, ennek az anyagtöbbletnek köszönhető a mai világ, a többi részecske párosával szétsugárzott. Az univerzum eddig megismert részében sehol sincs nagyobb mennyiségben antianyag.

Dan Brown vs. CERN

A CERN-ben folyó antianyag-kutatások sikere egy amerikai író érdeklődését is felkeltette. Dan Brown Angyalok és démonok (Angels & Demons) című regényében elrabolják a CERN-ben előállított antianyagot, Rómába viszik és elrejtik. A pusztító erejű új fegyverrel egy titkos társaság a Vatikán megsemmisítésével fenyeget, a pápaválasztást akarja befolyásolni. A fordulatos és izgalmas történet többi krimielemét, az áldozatok és a gyilkosok személyét nem áruljuk el. Ahogy azt sem, vajon sikerült-e bevetni a fantasztikus fegyvert, találkozott-e anyaggal az antianyag.

Az Angyalok és démonok 2000-ben jelent meg az Egyesült Államokban, magyarul 2003-ban a Gabo kiadónál. Sokan a szerző újabb kötete, A Da Vinci-kód példátlan sikere után figyeltek fel a regényre. Az Angyalok és démonok több mint két éve szerepel a New York Times tizenötös paperback bestseller-listáján.

A rövid genfi előjátékot leszámítva Rómában játszódó regényről megírták már, hogy az egyik templom egy utcával odébb van, nem a Pantheon előtt kávéznak a rómaiak. A nemzetközi és természetesen a hazai sajtó sem foglalkozott viszont érdemben a tudományos szenzációval, az antianyaggal. Ha a tudományos-fantasztikus írásokban és filmekben hétköznapi dolog az antianyag felhasználása, akkor a napjainkban, Európában játszódó történetben is nyilván a helyén van. Az általános tájékozatlanság, a természettudományos műveltség hiánya következtében nyilván úgy vélik a könyvet ismertető kritikusok, hogy a történetnek ez a szála rendben van. Sajnos nem ez a helyzet.

Brown és könyvkiadója is bátran él az internet kínálta lehetőségekkel. A szerző honlapján végig lehet nézni a könyvben szereplő helyszíneket, köztük jó néhány olyat, ahova nem jut el turista. A Vatikán zárt archívuma mellett látható így a CERN is, a földalatti alagútban épített részecskegyorsító. A szerző szándéka szerint ezzel a virtuális túrával igazolják az olvasók előtt a könyv legmeglepőbb információit.

A szerző ugyanakkor nem járt a CERN-ben, elképzeléseit írta le a valóság helyett. Ez a legkisebb baj. Nagyobb probléma, hogy fogalma sincs egy nagy kutatóintézet működéséről. A regény szerint a nagy mennyiségű antianyagot ketten állítják elő nagy titokban, egy pap fizikus és fogadott leánya. Olyan titokban dolgoznak, hogy még az intézményt vezető fizikus sem tudja, hogy min munkálkodnak, meddig jutottak kísérleteikkel. Ilyen csak a mesében van. A tévedések harmadik köre magát az antianyagot érinti. Az már csak hab a tortán, hogy a magyar kiadás fordítója sajnos nem ismerte a magyar fizikai szakszavakat, így pl. szupervezetőnek fordította a szupravezetőt, atommagok helyett atomok nucleusairól olvashatunk.

A CERN nagyon okosan kihasználta a regény hatalmas népszerűségét, és honlapján (http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/Spotlight) kérdések tucatjaira ad velős, szellemes és közérthető választ. Létezik-e az antianyag? Hogyan tárolják? Mire lehet használni? (PET és a természet törvényeinek tanulmányozása.) Az antianyag lesz a jövő energiaforrása? (Nem, a választ természetesen elmagyarázzák.) Lehet-e antianyagbombát készíteni? (Nem, indokolással). A könyvben írtak szerint készítik az antianyagot? (Egyáltalán nem, majd a módszer ismertetése.) Miért építik a hatalmas részecskegyorsítót? Miért csinálnak antiaanyagot a CERN-ben? (A természet megismerésére, fizikai kutatásra.) Biztonságos az antianyag? (Igen!) A tájékoztató összeállítói a lényegre, az antianyag bemutatására koncentráltak. Valószínűleg ezért hagyták említés nélkül a szerző egyéb, pl. a Z-részecske tömegét illető tévedését vagy a proton és az elektron anyag-antianyag párként való bemutatását.

A történetnek van egy általánosítható, nemcsak a fizikára érvényes tanulsága. Érdemes követni a CERN példáját, azt, ahogyan a népszerű könyvre reagáltak. Más sikerkönyvek, filmek, bulvárlapok, televíziók is tárgyalnak tudományos témákat. Nem jó megoldás, ha nem veszünk róluk tudomást, ha úgy teszünk, mintha nem léteznének. Ki kell használni a témák mások által teremtetett népszerűségét a valóságos eredmények bemutatására. Az alábbiakban erre teszünk kísérletet a fenti kérdések megválaszolásával.

Dirac világa

A relativitáselmélet és a kvantumelmélet csaknem egy időben született meg a múlt század elején. Ezek az elméletek megrengették a klasszikus fizika alapjait: a relativitáselmélet a fényhez közeli sebességekre, a kvantumfizika pedig az atomi méretekben zajló mozgásokra vonatkozóan. A két elmélet csaknem három évtizedig egymástól függetlenül fejlődött. Bohr kvantumelmélete, Schrödinger hullámegyenlete nem volt relativisztikus. P. A. M. Dirac, a XX. század egyik legnagyobb elméleti fizikusa 1928-ban írta fel híres hullámegyenletét, ebben sikerült először egyesíteni a kvantumelméletet és a relativitáselméletet. Az egyenlet tökéletesen leírja az elektron mozgását a fénysebességhez közeli sebességeknél, ráadásul, és váratlanul, megadja az elektron egyéb jellemzőit is (impulzusmomentum, mágneses momentum). Az egyenlet még egy meglepő következtetéshez vezette Diracot: léteznie kell pozitív töltésű antielektronoknak! A pozitront Carl Anderson találta meg 1932-ben a kozmikus sugárzás másodlagos részecskéi között, Dirac feltételezésétől teljesen függetlenül. Ezek a pozitronok a kozmikus sugárzás és a levegő atomjainak a kölcsönhatása során keletkeztek.

Néhány hónap múlva P. Blackett és G. Occhialini ködkamrás felvételeken megmutatta, hogy egy nagy energiájú foton, gamma-kvantum hatására egyszerre keletkezik egy elektron és egy pozitron, ez a párkeltés, ami a szétsugárzás fordítottja. A hatvanas évek közepén kiszámították, hogy többlépcsős folyamatban látható fénnyel is lehetne részecskéket kelteni. A laboratóriumi igazoláshoz csak néhány éve sikerült megteremteni a szükséges feltételeket. A fényrészecskék intenzív elektronnyalábbal találkoztak, félelmetes mennyiségű energia koncentrálódott rövid időre egy nagyon kis térrészbe, ez a felület kisebb volt, mint a pont a mondat végén. Az elektronokról visszaszóródtak a fotonok, újra és újra szóródtak egymáson, míg végül legalább 4 fotonból olyan gamma-foton képződött, amely már képes volt elektron-pozitron pár keltésére. Ezzel először sikerült a látható fény kvantumaiból anyagot, részecskéket létrehozni.

A Pauli-féle kizárási elvet Dirac az anyag stabilitásának magyarázatára használta fel, és arra a következtetésre jutott, hogy minden normál részecskének (pl. elektron, proton, neutron és mások) létezik antirészecskéje, és ezen részecskepárok minden fizikai jellemzője megegyezik az elektromos töltést kivéve. Dirac felvetette, hogy ha ez a szimmetria tökéletes, akkor negatív atommagokból és pozitív elektronból is állhatnának az atomok, ezekből akár nagyobb testek, pl. csillagok is létrejöhetnek. Ilyet azóta sem találtak, de a laboratóriumokban valóban készítettek antianyag-atomot.

A következő évben már laboratóriumi kísérletben is létrehoztak pozitronokat. Dirac 1933-ban, Anderson 1936-ban kapott fizikai Nobel-díjat. Ugyancsak Nobel-díjjal ismerték el 1959-ben azokat a kutatókat, akik 1955-ben elsőként figyeltek meg antiprotont részecskeütközésekben. Azóta sorra előállították, megfigyelték az összes részecske antirészecske párját. Ma már senki sem vitatja az antirészecskék létezését. Már azt sem kell magyarázni, hogy az antianyag is anyag. A szétsugárzás angolban használt megnevezése, az annihiláció megsemmisülést jelent, ez az elnevezés sok zavart keltett, még a filozófusok érdeklődését is felkeltette. Azt kérdezték, vajon eltűnik-e az anyag, mi lesz az anyagból? (Lovas István fizikus, ma az MTA rendes tagja, az 1960-as évek elején egyetemi doktori értekezést nyújtott be az ELTE-re Polarizált pozitronok megsemmisülése mágneses anyagokban címmel. Dolgozatát filozófiai harag fogadta: a pozitron anyag, az anyag pedig nem semmisülhet meg.) Az anyag valóban nem tűnik el, csak egyik részecskefajtából egy másikká alakul át. A fordított folyamatban sem a semmiből keletkezik az anyag, ez a folyamat is részecskeátalakulás.

Kozmikus antianyag

Honnan tudjuk, hogy nincsenek antianyagból álló nagyobb tartományok a világegyetemben? Onnan, hogy nem tölti be az univerzumot diffúz gammasugárzás. Ha lennének nagyobb anyag- és antianyag-tartományok, akkor ezek egymás közelébe kerülve szétsugároznának, és a folyamatra jellemző gammasugárzást bocsátanának ki. Ilyen diffúz sugárzást azonban nem észleltünk. A két tartományt nem lehetne elszigetelni egymástól, mert mindenütt jelen van a csillagközi és galaxisközi gáz.

Antianyag azonban folyamatosan keletkezik az univerzumban. Már harminc éve ismeretes, hogy galaxisunkban állandóan keletkeznek pozitronok, forrásuk azonban még mindig nem ismert. Az Európai Űrügynökség 2002-ben felbocsátott INTEGRAL műholdja a korábbiaknál pontosabban mérte ki az elektron-pozitron párok találkozását követően szétsugárzott 511 keV energiájú gammasugárzás keletkezési helyét. A műhold adataiból készített térkép szerint a pozitronok galaxisunk kidudorodó középső részében jelennek meg, nincs nyomuk viszont a galaxis lapos korongjában, ahol mi is vagyunk. Középen vannak az öreg csillagok, a korongban pedig a fiatalabbak. Az INTEGRAL folytatja az adatgyűjtést, így remélhetően az ég pozitrontérképe egyre gazdagabb lesz a részletekben.

A pozitronokat kibocsátó központi részből észak felé több ezer fényévnyi távolságra kinyúlik egy erős, „pozitronszökőkútnak” nevezett pozitronforrás. A sugárzás eredete még nem tisztázott, de a sugárzás intenzitásából kiszámítható, hogy hatalmas anyagmennyiség szenved el szétsugárzást. Másodpercenként mintegy tízmilliárd tonna pozitron semmisül meg.

A pozitronok megjelenésére egyelőre két magyarázat kínálkozik. Fehér törpével párt alkotó öreg csillagok, neutroncsillagok vagy fekete lyukak felrobbanhatnak, az 1a típusú szupernóvákhoz hasonlóan. Az ilyen szupernóva-robbanásokban nagy mennyiségben keletkezik radioaktív nikkel-56 izotóp, ennek bomlási láncában jönnek létre a pozitronok. A másik magyarázat egyelőre sokkal spekulatívabb: a galaxis magját a sötét anyag könnyű részecskéi veszik körül, ezek bomlásából származnának a pozitronok.

A világegyetem történetének feltárására irányuló törekvésekben is fontos szerepe jut a pozitronoknak. A galaxisok megfigyelt mozgásának magyarázatára nem elégséges a látható, elektromágneses sugárzást kibocsátó anyag, további jelentős tömegre van szükség. Ezt a tömeget egyelőre nem tudjuk észlelni, kimutatni, nem tudjuk, hogy milyen részecskék hordozzák. A hiányzó tömeg találó nevet kapott: sötét anyag. Azért sötét, mert nem bocsát ki fényt, sem másféle, számunkra érzékelhető sugárzást. Sötétnek nevezhetjük azért is, mert egyelőre a sötétben tapogatózunk mibenlétét illetően. A fizikusok kitartóan keresik a sötét anyagot, amely – mértékadó becslések szerint – a világegyetem anyagának mintegy 23%-át teszi ki. (Ugyancsak ismeretlen jellege miatt kapta a sötét jelzőt az az energia, amely a gravitáció ellen hatva a világegyetem egyre gyorsuló tágulását okozza, ennek arányát 73%-ra teszik az univerzum össztömegét illetően, így mindössze 4% marad a világegyetem látható, ismert összetevőire, a csillagokra.)

A sötét anyag egy részéről rendelkezünk tudással, ezek a kihunyt csillagok, a bolygók, a fekete lyukak, tömegarányuk mintegy 5%-ra tehető. Néhány éve vált ismertté, hogy a fénysebességhez közeli sebességgel száguldó neutrínóknak van tömege. Mivel rengetegen vannak, egyenként kis tömegük ellenére összességében nagy tömeget hordoznak, ez kb. a világegyetem össztömegének 10%-át teheti ki. A fennmaradó rész, az ún. hideg sötét anyag mibenlétére vonatkozóan viszont csak egymásnak ellentmondó feltevések, elméleti modellek léteznek. A Standard Modell ún. szuperszimmetrikus kiterjesztésében például minden ma ismert részecskének van egy nála nagyobb tömegű párja, ezek lennének az ún. szuperszimmetrikus partnerek. Kísérletekben évek óta keresik őket, mindeddig eredménytelenül. A sötét anyagot alkothatja ilyen részecske, pl. a WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), vagyis egy gyengén kölcsönható, tömeggel rendelkező elemi részecske.

Elképzelhető-e, hogy a sötét anyag 1-100 MeV tömegtartományba eső részecskéi úgy bomlanak elektron-pozitron párokra, hogy a bomlás egyetlen megfigyelhető jele az 511 keV-os gammasugárzás? A számítások szerint ez csak akkor képzelhető el, ha a sötét részecskék tömege 20 MeV alatti, nagyobb tömeg esetében más energiájú gammasugárzásnak is fel kellene lépnie.

A kozmikus sugárzásban antiprotonok is érkeznek a Föld légkörébe, ezt 1979-ben mutatták ki először. A csillagközi gázban keletkeznek, a gázon áthaladó nagy energiájú atommagok ütközéseik során keltik őket. Lehet, hogy más forrásokból is érkeznek. Felvetették például, hogy fekete lyukak párolgásából vagy nehéz szuperszimmetrikus részecskék bomlásából származnak. A mért adatok ezeket a feltételezéseket nem igazolják, a csillagközi porban való másodlagos keletkezés elméletét támogatják.

Összességében a Földünk légkörét elérő antiproton- és pozitronfluxus nagyon csekély, együttesen sem haladja meg az évi 1 milligramm tömeget.

Antianyag létrehozása

A kísérletek végső célja az, hogy feltárják: töltésükön kívül miben különböznek egymástól a protonok és az antiprotonok, az anyag- és az antianyag-részecskék. Ma csak azt tudjuk, hogy a proton pozitív, az antiproton negatív töltésű. De léteznie kell más eltérés(ek)nek is, különben nem élhetnénk anyagi világban. Ezek a különbségek csak nagyon kicsik lehetnek, pl. az eddigi vizsgálatokból már tudjuk, hogy a proton és az antiproton tömege maximum egy tízmilliárdod résszel különbözhet egymástól, ha egyáltalán van eltérés.

A vizsgálatokhoz elő kell állítanunk az antianyagot. Erre két mód kínálkozik, az egyik a béta-bomlás, a másik a nagy energiájú részecskeütközések létrehozása.

A radioaktív bomlások egyik formája a béta-bomlás. Ennek során vagy egy proton alakul át neutronná, vagy a fordítottja megy végbe, a neutronból lesz proton. Számunkra most az előbbi az érdekes. Amikor a proton neutronná alakul át, egy pozitron és egy neutrínó is létrejön. Ez a folyamat a pozitív béta-bomlás. Az ilyen átalakulás nem ritka, sok elem radioaktív izotópja pozitív béta-bomlással megy át stabil állapotba. A sugárzó izotópok felezési ideje a másodperc törtrészétől millió évekig terjed, kevés az ennél hosszabb felezési idejű. A béta-sugárzó izotópok, éppen rövid felezési idejük miatt, nincsenek jelen a természetben, mesterségesen kell előállítani őket. Sokféle béta-sugárzó izotóp keletkezik az atommagok hasadása során, és természetesen célzott magreakciókkal is létre lehet hozni ilyen izotópokat. Ez történhet részecskegyorsítókban, pl. az orvosi PET-vizsgálatok izotópigényeit kiszolgáló ciklotronokban.

Antiprotonokat hatalmas részecskegyorsítókban állítanak elő. Nagy energiájú protonokat ütköztetnek valamilyen céltárggyal, az ütközés során sokféle részecskefizikai folyamat megy végbe, ezek egy részében antiprotonok is keltődnek. Ezután az antiprotonokat szét kell választani a többi részecskétől, és tárolni kell őket addig, míg elegendően nagy számban gyűltek össze ahhoz, hogy a továbbiakban már egy tiszta antiproton-részecskenyalábbal lehessen vizsgálatokba, pl. antiatom létrehozásába kezdeni. A nagy energiájú részecskefizikai folyamatokban keletkező antiprotonok maguk is meglehetősen nagy energiájúak, gyorsak. Kordában tartásukhoz, „kezelhetővé tételükhöz” le kell lassítani őket. Egymás után többféle fizikai folyamatot, műszaki megoldást vetnek be a lassításhoz, a fejlesztés során pedig új problémákba ütköznek. A részecskegyorsítók építésénél az egyik legnehezebb feladat az egyre erősebb mágnesek építése, a lassítónál viszont olyan gyenge mágneses térre van szükség, hogy már a Föld kis erejű mágneses tere is zavaró lehet.

A CERN-ben 1982 és 1996 között a LEAR (Low Energy Antiproton Ring) alacsony energiájú antiproton-gyűrűvel lassították és tárolták az antiprotonokat. Becslések szerint ez másfél évtized alatt százbillió antiprotont szolgáltatott a kísérletekhez.

2000-ben új program indult a CERN-ben az antianyag tanulmányozására, működésbe lépett az AD (Antiproton Decelarator) antiproton-lassító. Az antiprotonok előállítása egy hatalmas régi részecskegyorsítóban, a 26 GeV energiájú protonszinkrotronban kezdődik. Ezután a nagy energiájú antiprotonokat adagokban, csomagokban juttatják át a következő egységbe. Ez egy CERN-méretekben kicsinek minősülő részecskegyorsító, kerülete mindössze 188 méter. Tulajdonképpen ez nem is gyorsító, hanem lassító, hiszen az antiprotonokat alaposan lelassítják benne. Az antiprotonok sebessége itt már végül csak alig tizede a fénysebességnek.

Ezek után következhetnek a fizikai kísérletek. 1995-ben sikerült először az antirészecskékből atomot felépíteni, egy antiprotonból és egy pozitronból megszületett az első antihidrogén-atom. Az első kísérletben mindössze 9 atomot hoztak létre. Néhány éve megoldották az antianyag „nagyüzemi előállítását”. Korábban csak naponta, most már másodpercenként állítanak elő néhány antihidrogén-atomot a kísérletekhez. Az előállítás felgyorsítását az tette lehetővé, hogy megoldották mindkét antirészecske lelassítását. Az antiproton eredetileg a fénysebességet megközelítő sebességgel száguld, ezt a sebességet két lépésben sikerült a fénysebesség milliomod részére lecsökkenteni. Ez a rendkívül lassú antiproton találkozik aztán a szintén lelassított pozitronnal, kettejükből jön létre az antihidrogén-atom, ami ha kellő mennyiségben áll rendelkezésre, kezdődhetnek az anyagot és az antianyagot összehasonlító vizsgálatok.

Sikerült olyan atomokat is létrehozni, amelyek egyszerre tartalmaznak részecskéket és antirészecskéket. Ezek az egzotikus képződmények természetesen rövid életűek. Az elektronból és pozitronból álló pozitrónium csak a másodperc tízmilliomod-milliárdod részéig marad együtt. Kísérleteznek olyan héliumatommal is, amelynek két elektronja közül az egyiket negatív töltésű, az elektronnál 2000-szer nehezebb antiprotonra cserélik.

A CERN-ben három nagy kísérleti rendszer várja az antiprotonokat. Két kísérletben (ATHENA és ATRAP) az antiprotonokhoz antielektront adnak hozzá, atomi hidrogént hoznak létre. Az antihidrogén-készítéshez tovább kell lassítani a gyárból érkező antiprotonokat. Az elektromágneses tér segítségével zárják ketrecbe őket, sebességük ekkor már csak a fénysebesség milliomodrészének nagyságrendjébe esik. Korábbi sebességükhöz képest szinte állnak, és így hozzá lehet kezdeni alaposabb tanulmányozásukhoz. A fenti két kísérletben az erősen gerjesztett állapotban keletkező antiatomok spektrumvonalait tervezik egybevetni a hidrogén spektrumvonalaival. Ebből következtetni lehet a CP- és a CPT-szimmetriák (lásd alább) teljesülésére, illetve sérülésére, ami választ adhat arra a kérdésre is, hogy miért az anyag lett kitüntetve az antianyaggal szemben.

A harmadik kísérlet az ASACUSA nevet kapta, ez egy japán–dán–magyar együttműködés. A magyar csoport vezetője Horváth Dezső, a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) tudományos tanácsadója, a Debreceni Egyetem professzora. A kísérleti berendezés egyik fontos részét az RMKI-ben építették meg, a kutatócsoportban budapesti és debreceni fiatalok dolgoznak. Ők is csapdába zárják az antiprotonokat, méghozzá egy természetes csapdába, a héliumatomba. A negatív töltésű antiproton az egyik elektron helyébe lép, és így egy nagyon különleges atom jön létre, ezen pedig részletesen tanulmányozni lehet az antiproton és a közönséges anyag kölcsönhatását. Horváth Dezsőt régóta foglalkoztatja az antianyag világa. Legtöbbet idézett munkája az a nagy tanulmány, melyet 1994-ben írt négy társszerzővel a CERN vezetése számára az antianyag-fizika tudományos jelentőségéről, megvalósíthatóságáról és módszertanáról. A mai antianyaggyár megépítésére vonatkozó döntés előkészítésében komoly szerepe volt ennek a tanulmánynak.

Sérült szimmetriák

Andrej Dmitrijevics Szaharov orosz fizikus 1967-ben három feltételben fogalmazta meg az anyag-antianyag aszimmetria kialakulását. (Ugyanez a fizikus játszott meghatározó szerepet a szovjet hidrogénbomba létrehozásában, komoly szerepe volt a szabályozott termonukleáris fúzió megvalósítási lehetőségének kidolgozásában, és ő kapott béke Nobel-díjat a Szovjetunióban folytatott emberi jogi küzdelméért.) Az első feltétel a barionszám-sértés. (A három kvarkból álló nehézrészecskéket hívjuk barionoknak, ilyen pl. a proton és a neutron.) Ha a barionok száma nem sérülne, akkor az egyenlő mennyiségben keletkezett anyag és antianyag szétsugározna. Kísérletileg nem sikerült ilyen folyamatot észlelni, a barionszám-sértés létezését egyelőre puszta létünk igazolja. A részecskefizika alapvető elméletének, a Standard Modellnek a szuperszimmetrikus kiterjesztésében leírnak ilyen barionszám-sértő folyamatot. A számításokat azonban nem tudjuk laboratóriumban ellenőrizni, a megkívánt óriási hőmérsékleti értékek csak az univerzum történetének kezdetén álltak fenn.

Szaharov második feltétele a C- és CP-sértő folyamatok fellépése. Ilyen folyamatok valóban léteznek, ezeket részletezni is fogjuk. Az viszont ma nyitott kérdés, hogy ezek a szimmetriasértő folyamatok elegendőek voltak-e az anyag-antianyag aszimmetria kialakulásához. A harmadik feltétel a termikus egyensúlytól való eltérés. A korai univerzumban ez teljesült, a gyors tágulás (inflációs szakasz) és a fázisátmenetek akkor lehetővé tették a termikus egyensúlytól való eltérést. (Termikus egyensúlyban a fordított irányú folyamatok megsemmisítették volna a kialakult aszimmetriát.)

A fizikusok sokáig úgy vélték, hogy a fizika törvényei töltésszimmetrikusak, vagyis egy antianyag-atom ugyanúgy viselkedik, mint megszokott atomjaink. A hétköznapi életben is gyakran használt szimmetriafogalom különleges helyet foglal el a fizikában. Wigner Jenő ismerte fel, hogy a szimmetriaelvek éppúgy meghatározzák a természettörvények formáját, ahogy a törvények az egyes események közti összefüggéseket. Minden szimmetria egy megmaradási törvényt generál. A szimmetria-transzformáció olyan transzformáció, amely változatlanul hagyja az adott fizikai törvényt, az azt leíró egyenletet. A geometriai szimmetria-transzformációk a geometriai tér homogenitását és izotrópiáját, valamint az idő izotrópiáját fejezik ki. Ezeknek a következménye az impulzus, az impulzusmomentum és az energia megmaradása. A dinamikai szimmetriák speciális kölcsönhatás-típusokra vonatkoznak.

Szimmetrikus világképünkön több mint negyven éve született az első repedés. Hatalmas megdöbbenést váltott ki a fizikusok körében, hogy a kvantumfizika által leírt radioaktív bomlásokban, az ún. gyenge kölcsönhatásban sérül a térbeli szimmetria. Kiderült, hogy az ún. gyenge kölcsönhatásban a részecskék képletesen szólva jobbkezesek vagy balkezesek. Ha képzeletben tükörben néznénk őket, akkor a béta-bomlásban a tükörben a jobbkezes részecske balkezessé válik, megváltozik a kép, sérül a szimmetria. Ezt a térbeli tükrözést hívják paritásnak, amit P-vel jelölnek. Hamarosan kiderült, hogy a töltésszimmetria is sérülhet, ha a gyenge kölcsönhatásban részecske alakul át antirészecskévé, vagy fordítva. A töltésszimmetria sérülése, a C-sértés (C = charge, töltés) felfedezése után megállapították, hogy a külön-külön végbemenő P- és C-sértés kompenzálja egymást, így az egyesített CP-szimmetria nem sérül. A CP-„tükörben” a balkezes részecskéből jobbkezes antirészecske lesz. Ez a megnyugtató helyzet csak néhány évig állt fenn, mivel 1964-ben olyan részecskefizikai folyamatot fedeztek fel, amelyben nem érvényesült a CP-szimmetria, azaz CP-sértésre bukkantak. (Mai tudásunk szerint a CP-szimmetria esetenként sérül, viszont a CPT hármas szimmetria kivétel nélkül, mindig érvényesül, ahol a T (time) a harmadik tükrözés, az időtükrözés. A CPT-szimmetria érvényesülése azt jelenti, hogy az anyagot antianyagra cserélve, a világegyetemet tükörben nézve és az idő irányát megfordítva a kísérletek ugyanahhoz az eredményhez vezetnek, mint valódi világunkban.

A CP-sértést vizsgáló részecskefizikai kísérletek főszereplői a K-mezonok, más néven kaonok voltak, ezek két kvarkból felépülő semleges mezonok. (A két kvarkból álló részecskék közös neve mezon.) A kaonok nem stabilak, elbomlanak, bomlásuk többféle módon, más-más végeredményre vezetve mehet végbe. A különböző bomlásformák összehasonlító elemzésével mutatták ki a CP-sértést.

A kaonok CP-sértése a számítások szerint nem lehetett önmagában elegendő az univerzumban tapasztalt anyagdominancia létrejöttéhez. A részecskefizika mai átfogó elmélete, a Standard Modell szerint egy másik mezon, a semleges B-mezon bomlásainál erősebben, tehát könnyebben megfigyelhetően jelentkeznek a kaonoknál tapasztalt aszimmetriák. A B-mezon is két kvarkból felépülő bomlékony részecske, benne a K-mezon „ritka” kvarkja helyébe egy jóval nehezebb „alsó” kvark kerül.

Az elmúlt években különleges, kifejezetten a B-mezonok előállítására szolgáló részecskegyorsítókat építettek Japánban (Tsukuba) és az Egyesült Államokban (Stanford), ezeket B-gyáraknak (B factory) hívja a szakmai zsargon. A B-gyárakban nagy energiákra felgyorsított elektronok és pozitronok ütközésénél keletkeznek a további kísérletek alapjául szolgáló B-mezonok. A stanfordi kísérlet neve „BaBar” az angol „B and B-bar”-ból, magyarul B és B-felülvonás, vagyis B és anti-B részecske. A csoport kabalafigurája természetesen Babar, a mesebeli elefánt.

Stanfordban 23 millió, Tsukubában 11 millió B-mezon pár átalakulásának adatait elemezték ki eddig, és azt a következtetést vonták le, hogy valóban jelentkezik CP-sértés a B-mezonok bomlásánál. A kaonok után tehát még egy részecskénél kimutatták a szimmetriasértő folyamatok fellépését. Az eddigi megfigyelt bomlásarányok a mérés bizonytalanságán belül összhangban vannak a Standard Modellel. Egy mérési eredmény mindig tartalmaz mérési bizonytalanságot (statisztikus hibát), ezért a pontosabb, finomabb megállapításokhoz további adatgyűjtésre, több évi folyamatos kísérletezésre van szükség. Ha több adatot feldolgozva majd kisebb lesz a mérési eredmény bizonytalansága, akkor már az is elképzelhető, hogy a pontosabb eredmény nem esik egybe a Standard Modell jóslataival. Ekkor jöhet el a mait meghaladó „új fizika” korszaka, amelyet sokan már nagyon várnak. Elméleti várakozások szerint lehetnek anyag-antianyag aszimmetriát okozó CP-sértő folyamatok a tömeggel rendelkező neutrínók, sőt a kvarkok világában is.

Letapogató pozitronok

A pozitron-emissziós tomográfia (PET) az utóbbi hónapokban gyakori témája a híradásoknak. A PET a korszerű orvosi diagnosztika egyik fontos, esetenként mással nem is pótolható eszköze. A hazai viták új berendezések telepítésének szükségességéről, az elvégzendő vizsgálatok számáról és a vizsgálatok finanszírozásáról folynak. Debrecenben tíz éve működik a PET-centrum, Budapesten idén két PET/CT-berendezést telepítettek.

Az eljárás lényege egyszerűen összefoglalható. Rövid felezési idejű, rendszerint a vizsgálat helyszínén ciklotronban előállított pozitronsugárzó izotópot juttatnak a szervezetbe. Ahol a pozitron elektronnal találkozik, onnan két gammafoton repül szét, ezt detektálják. A módszer daganatok, szívizombetegségek, illetve az agyműködés felderítésében játszik fontos szerepet.

A ciklotronban rövid felezési idejű, pozitronokat kibocsátó izotópokat állítanak elő. A felezési idő az adott izotópra jellemző, azt az időtartamot adja meg, amely alatt a rendelkezésre álló anyagmennyiség fele elbomlik, vagyis az anyag sugárzás kibocsátásával átalakul. Néhány, az orvosi gyakorlatban széles körben alkalmazott pozitront emittáló izotóp (zárójelben a felezési idők): oxigén-15 (2 perc), nitrogén-13 (10 perc), szén-13 (20 perc), fluor-18 (110 perc). A sugárzó izotópot a laboratóriumban beviszik egy vegyületbe, ezt juttatják be a páciens szervezetébe, tehát a radiofarmakon molekula viszi el a szervezetben a vizsgálandó területre a sugárzó anyagot. Ma már több százféle nyomjelző molekulát használnak a vizsgálatokhoz. A fluor-18 izotóp hordozója leggyakrabban a fluorodezoxiglukóz-molekula. Segítségével feltárható, hol vannak a szervezetben olyan régiók, amelyeknek nagy a glukózigénye, vagyis az energiaigénye. Így feltárhatók pl. az agyműködés zavarai (epilepszia, Alzheimer-kór stb.). Az intenzív sejtosztódás általában fokozott glukózigénnyel jár együtt, ezért daganatok felderítésére is alkalmas a PET. Igen nagy pontossággal ítélhető meg a szívizom életképessége. A PET-tel feltárt funkcionális változások lokalizálását egy CT-vel vagy MRI-vel készített felvétel segítheti.

A pozitronokat kutatási eszközként is felhasználják a fizikai laboratóriumokban, segítségükkel a szilárd testek elektronszerkezetéről kaphatunk információt, az elektronszerkezet megismeréséből pedig többféle szerkezeti jellegzetességre következtethetünk. A pozitron-annihilációs spektroszkópia napjainkra a nukleáris szondás anyagszerkezeti vizsgálati módszerek egyik széleskörűen alkalmazható eljárásává érett. A módszer azon alapul, hogy az elektronok és a pozitronok részecske-antirészecske párként egymás kölcsönös megsemmisítése közben részecskeként eltűnnek, annihilálódnak, helyettük-belőlük nagy energiájú gammasugárzás keletkezik. A megmaradási törvények következtében a keletkező sugárzás tulajdonságai összességükben megfelelnek az elektron és a pozitron annihilációt megelőző sajátosságainak. A gammakvantumok energia- és impulzusviszonyainak meghatározásából a minta elektronszerkezetével és közvetve kristálystruktúrájával kapcsolatos információ nyerhető. A jellemző annihilációs paraméterek (élettartam, relatív intenzitás, a gammakvantumok szög- és energia-eloszlása, a kétfotonos annihiláció során keletkező 0,511 MeV energiájú annihilációs csúcs Doppler-kiszélesedésének mértéke) jól kapcsolatba hozhatók a meghatározott energiaállapotokból kiragadott elektronokkal kialakuló annihilációs csatornákkal. (Bizonyos irányokból nézve az atomok egymást fedve csatornákat képeznek, a csatornák irányában a pozitronok mélyebbre hatolhatnak.) Az annihilációs csatornák létrejötte, versengése, szabályozottan létrehozott fiziko-kémiai behatásokra bekövetkező változásai a tanulmányozott minta bizonyos, az elektronszerkezet-változások által is tükrözött, szerkezeti módosulásainak vizsgálatát teszi lehetővé. A pozitron élettartama ugyanis az útjára bocsátástól (megszületésétől) kezdve az annihilációig (haláláig) eltelt idő. Nagy elektronsűrűség esetén hamar rátalál a megsemmisülését okozó elektronra, kisebb elektronsűrűség esetén hosszabb ideig élhet. Ezek az időtartamok mindenképpen nagyon rövidek, a másodperc néhány milliárdod részének nagyságrendjébe esnek.

A kondenzált rendszerekben tapasztalható 0,2-2 ns (1 ns = 10^-9 s) élettartam-értékek mellett a mikropórusokat is tartalmazó zeolitokban és igen kis szemcseméretű kristályokból álló mikrokristályokban a szokásos módon „csapdába esett”, a fenti élettartam-értékeket mutató pozitronállapotokon kívül jóval hoszszabb, 20-140 ns élettartamú annihilációs csatornák is megnyílnak, ami azt mutatja, hogy a mikroszemcsés kondenzált rendszerben a környezettel gyengén kölcsönható elektron-pozitron rendszer alakulhat ki. Ez az „átmeneti társulás” a már említett pozitrónium (Ps), amely úgy viselkedik, mint a hidrogénatom. Az elektron és a pozitron egymással találkozva nem sugároz szét azonnal, hanem átmeneti időre társas kapcsolatra lép. A pozitrónium hosszabb élettartamának köszönhetően nagyon érzékeny vizsgálatok végezhetők, mivel a vizsgált szerkezet belső felületein több milliószoros ütközéseket elszenvedve felerősítve észleli a nagyon kis mértékű szabálytalanságokat, rendszeridegen sajátosságokat.

Tényleg Atom Anti az antiatom?

Brown ebben a kérdésben optimista. „Az antianyag hatalmas ígéret, nem jár vele sem szennyezés, sem sugárzás, egyetlen cseppje egy egész napra ellátná energiával New York városát. A fosszilis fűtőanyagok fogyóban vannak, az antianyag hasznosításának ígérete hatalmas ugrás lehet bolygónk jövőjébe. Természetesen az antianyag-technológia megvalósítása ijesztő dilemmát hoz magával. Ez az erőteljes új technológia megvédi majd a világot, vagy a valaha volt legpusztítóbb fegyver létrehozására fogják felhasználni?”

Érdemes a bomba és az energetika kérdésével részletesebben is foglalkozni. Azért nem lehet antianyagbombát készíteni, mert a mai technikával nem vagyunk képesek belátható időn belül elegendő antianyagot létrehozni, és nem is lennénk képesek a nagyobb mennyiséget megfelelő sűrűségben tárolni. Kissé megtévesztő az a büszke, a bevezetőben már idézett állítás, mely szerint egyes fizikai laboratóriumokban „antianyaggyár” működik. Ezekben a „gyárakban” a korábbi módszerekhez képest valóban nagyüzemi antianyaggyártás folyik, de az így előállított mennyiség csak a kísérleti fizikusok méréseihez elegendő, praktikus célokra, például bomba készítésére nem. A CERN-ben másodpercenként tízmillió antiprotont tudnak létrehozni. Könnyen ki lehet számítani, hogy mennyi antianyagra lenne szükség ahhoz, hogy a robbanás ereje 20 kilotonna TNT robbanóerejével legyen egyenlő. (Éppen ekkora volt a Hirosimában ledobott plutónium hasadóanyagú atombomba robbanóereje.) Mindössze fél gramm antianyagra lenne szükség ekkora rombolóerő eléréséhez. A fél gramm igazán nem tűnik soknak, de a másodpercenként tízmillió darabos gyártási teljesítménnyel kb. 1 milliárd évre lenne szükség a legyártásához. (Érdemes ezt az időtartamot összevetni bolygónk 4,5 milliárd éves korával és azzal, hogy alig hatezer éve ért véget a csiszolt kőkorszak és kezdődött el a rézkorszak az emberiség történetében.) Megnyugtató tehát a végeredmény, nem tudunk antianyagbombát csinálni. Megnyugvásunkat tovább erősítheti az a tény, hogy ha belátható időn belül mégis képesek lennénk legyártani a fél gramm antianyagot, akkor sem lennénk képesek együtt tartani az egynemű töltéseket.

A CERN honlapján egy érdekes összehasonlítást olvastam. Az atombombát a tudósok reális lehetőségnek tartották az első szerkezet megépítése, sikeres kipróbálása előtt. A bombák bevetése teljesen meglepte és ámulatba ejtette a közvéleményt. Az antianyagbombát viszont elképzelhetőnek tartják a laikusok, szeretnének többet tudni róla, miközben a szakemberek már régen tudják, hogy gyakorlatilag kivitelezhetetlen. A laikusok várakozását csak megerősíti, ha például egy magyar műszaki lapban azt olvassák, hogy „az Egyesült Államok légiereje nagy valószínűséggel antianyag-fegyver fejlesztésén dolgozik – vagy legalábbis fontolgatja ezt. Erre utal, hogy miután Kenneth Edwards, a haderőnem robbanóanyag-kutatási részlegének igazgatója nagy érdeklődés övezte előadást tartott az antianyagban rejlő hadászati lehetőségekről, a Pentagon megtiltotta neki, hogy a tárgyról a sajtónak is nyilatkozzék.”

A katonaság természetesen szorosan nyomon követi a megszülető tudományos eredményeket, és azonnal elemzik, tudják-e valamire használni az új felfedezést. Gyakran katonai költségvetésből finanszírozzák a legmerészebb kutatásokat, pénzt adnak olyan elgondolások kipróbálására is, amelyet a szakemberek többsége elutasít, lehetetlennek tart. Mert mi van, ha az egy ezrelék vagy még kisebb esély bejön, de nem nálunk, hanem a potenciális ellenségnél. Sajtójelentések szerint a hidegháború éveiben a US Air Force, az amerikai légierő jelentős összeggel támogatta az antianyaggal kapcsolatos alapkutatásokat. Hasonló meggondolásokból az amerikai űrügynökség, a NASA is finanszírozza kisebb öszszeggel a mégoly vad ötletek kipróbálását.

Az antianyagfegyver lehetősége egyértelműen érdekelte a katonai vezetést. Az elképzelt kis mérettel együtt járó hatalmas pusztító erő, a tenyérben is hordható bomba lehetősége vonzó volt számukra. Egy pozitronbomba bevetése nem járna radioaktív szennyezéssel, ideális „tiszta bomba” lehetne.

Az atombomba és az antianyagbomba összevetése egy másik párhuzamosság elemzését is szükségessé teszi, mégpedig az energiatermelését. Lesznek-e antianyag üzemanyagú erőműveink? Az anyag-antianyag szétsugárzás lesz a legtisztább energiaforrás? A válasz ismét nem, sajnos nem. A napenergiától, a széntől vagy az olajtól, földgáztól eltérően az antianyag nem lelhető fel földi környezetünkben. Minden egyes antianyag-részecskét hatalmas energia-befektetéssel kell előállítanunk. Ez a befektetett energia sokkal nagyobb annál, mint ami az anyag-antianyag szétsugárzás során megjelenik. Tehát nem kapnánk vissza a folyamat elején befektetett energiát, energianyerés helyett csak pazarolnánk a meglevőt, vagyis nem tervezünk és építünk antianyag-erőművet. Legyünk reálisak: a kísérletekhez nagy energia-befektetéssel egy egész év alatt előállított összes antiproton szétsugárzása egyetlen villanykörte fényéhez adna néhány másodpercre energiát. (A tudományos fantasztikus irodalomban és a hasonló műfajú filmekben ezeket a problémákat már megoldották: a Star Trek sorozat világában természetes, hogy az USS Enterprise űrhajót antianyag-reaktor látja el energiával.)

Újabb ötlet: ha energiatermelésre nem is, de átmeneti energiatárolásra használhatnánk az antianyagot valahogy úgy, ahogy egy újratölthető telep tárolja az elektromos energiát. A telepben megfordíthatók a folyamatok (töltés, felhasználás, majd újra töltés), kis veszteség mellett. Antianyagnál viszont hatalmasak lennének ezek a veszteségek, ma nem képzelhető el gazdaságos, a gyakorlatban megvalósítható megoldás.

Az antianyag csak akkor játszhatna szerepet az energiaellátásban, ha valahol nagy mennyiségű kész antianyagra bukkannánk egy távoli galaxisban. Akkor nem kellene nehéz munkával létrehozni az antianyagot, hanem egyszerűen felhasználnánk, éppúgy, ahogy felhasználjuk a felszínre hozott olajat. Annak az előállításával nem nekünk kellett bajlódnunk, megtette azt már régen a természet. Sajnos, a világegyetem általunk megismert hatalmas, milliárd fényévekre elterülő részében biztosan sehol sincs nagyobb mennyiségű antianyag.

Bomba antiüzlet

Nyilvánvalóan nem függetlenül a közvélemény várakozásaitól, az Egyesült Államokban két kis cég is foglalkozik az antianyaggal kapcsolatos tudományos eredmények gyakorlati hasznosításával. Elsősorban nemzetbiztonsági és egészségügyi alkalmazásoktól remélnek hasznot. A Positronics Research Santa Fében (Új-Mexikó) az antianyag-hajtóművek katonai robotrepülőben való alkalmazását és terroristák fegyvereinek távolról való kimutatását tervezi. A céget a Penn State University korábbi fizika tanszékvezető professzora alapította és vezeti. A másik cég a Hbar Technologies Chicagóban működik, ezt is fizikus vezeti, aki korábban a Los Alamos Nemzeti Laboratóriumban dolgozott. Ők elsősorban az antianyag-hajtóműves űrutazásokra koncentrálnak. (Hbar = H felülvonás, ez az antihidrogén-atom szokásos jelölése a fizikában.) Másik témájuk az antiprotonok bevetése rákos daganatok elpusztítására.

Mindkét cégnél az antianyag tárolása jelenti a fő megoldandó problémát. Csapdákat terveznek, amelyekben kellően erős elektromágneses tér zárja be erősen légritka térbe az antirészecskéket. (Néhány milligrammnyi antianyag csapdába zárásához persze soktonnás szupravezető mágnesek kellenek.) Olyan megoldásra lenne szükség, amely hónapokig, akár évekig képes lenne tárolni az antianyagot. (Dan Brown regényében ezt is megoldották már.) Az egyik cég pozitronok, a másik antiprotonok csapdába zárásán fáradozik. Találó hasonlat szerint az egynemű töltések „dühös méhekként” igyekeznek kimenekülni a csapdából, hogy elkerülhessenek egymás közeléből. Azon is gondolkodnak, hogy nem pozitronokat, hanem pozitróniumot tárolnának.

A gyors csillagközi utazáshoz is antianyagra lenne szükség. Becslések szerint 17 gramm antianyaggal egy robot már 40 év alatt elérhetne a 4,3 fényév távolságra levő Alpha Centauri csillaghoz. Kiszámították a költségeket is: a jelenlegi technológiával 1 milliomod gramm (mikrogramm) antianyag előállítása 60 milliárd amerikai dollárba kerül. Egyetlen gramm ára tehát 60 trillió dollár, azaz 12 ezer trillió forint.

A Los Alamos-i laboratóriumban már több mint egy évtizede felismerték, hogy az antianyag sem hajtóanyagnak, sem fegyvernek nem alkalmas, ezért nem foglalkoznak vele. Az antianyaghoz értő szakmai közvélemény szélhámosságnak tartja az említett cégek célkitűzéseit.

Az 1960-as években készült Lost in Space című amerikai televíziós filmben antianyag-ember is szerepel, Robinson professzor antianyag-önmagával találkozott. A műsort nem láttam, csak ennyit olvastam róla, így nem tudom, a forgatókönyvíró hogyan oldotta meg a megsemmisítő helyzetet. A nagy ötletek egymástól függetlenül többször is megszületnek, az anyag–antianyag-ember találkozás az 1990-es években a magyar televízióban is képernyőre került. Az MTV Delta című tudományos magazinjában az antianyagról beszéltem, majd a rendező instrukcióinak megfelelően a felvétel során a műsorvezető először balról, majd jobbról jött középre, a két képet összemontírozták. A néző azt látta, hogy a műsorvezető az anti-műsorvezetővel találkozva nagy fényesség közepette annihilálódott, eltűnt.

Remélem az olvasót nem fenyegeti ilyen veszély.

• Messzelátó

• A hozzászóláshoz regisztráció és belépés szükséges