Pierwszymi obserwowanymi antycząstkami były pozytony czyli dodatnie elektrony, wykryte w 1932 roku w promieniowaniu kosmicznym. Obecnie jako źródło pozytonów wykorzystuje się sztucznie wytworzone substancje promieniotwórcze, na przykład sód 22, który ulega rozpadowi beta plus. Antyprotony po raz pierwszy uzyskano w 1955 roku w w Lawrence Berkeley National Laboratory, bombardując atomy miedzi protonami rozpędzonymi w akceleratorze Bevatron.
Pierwsze najprostsze antyatomy czyli atomy antywodoru zostały wytworzone w 1995 roku przez naukowców z CERN pod Genewą. Fizycy bombardowali atomy gazu ksenonu (Xe) antyprotonami powstałymi w akceleratorze. Bardzo rzadko podczas przelotu antyprotonu poprzez atom ksenonu powstają pary cząstek elektron-pozyton. Jeszcze rzadziej ich prędkości i kierunki były na tyle podobne, żeby antyproton przechwycił pozytron na swoją orbitę i wiązał się w atom antywodoru. Naukowcy stworzyli w ten sposób dziewięć antyatomów poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. Z tego powodu prawie natychmiast po przyjściu na świat atomy antywodoru uderzały w ścianki urządzenia i znikały w zderzeniu z atomami materii. W podobnym eksperymencie w Frmilab w USA, który został przeprowadzony w 1998 roku, wytworzono 57 antyatomów wodoru.
Antycząstek nie można trzymać w żadnym zwyczajnym naczyniu ponieważ materia i antymateria nie mogą istnieć razem, a gdy się spotkają, następuje anihilacja. Naładowane antycząstki można przetrzymywać w specjalnych urządzeniach zwanych pułapkami Penninga, w których pola magnetyczne i elektryczne utrzymują ładunki w małej przestrzeni.
Atomy antywodoru są jeszcze gorsze do przechowywania ponieważ są obojętne elektrycznie. Chcąc dokładnie zbadać antyatomy, fizycy muszą je przechowywać w urządzeniach zwanych pułapkami atomowymi, co staje się w przypadku obojętnych cząstek dopiero po spowolnieniu i ochłodzeniu ich do temperatury poniżej 0,5K. Ten cel starają się osiągnąć w CERN dwa zespoły badawcze ATRAP i ATHENA.

Schemat anihilacji atomu antywodoru utrwalony przez detektory programu ATHENA. Antyproton anihiluje zmieniając się w cztery naładowane piony (żółty ślad), które są wykrywane przez detektory krzemowe (różowe). Proton anihiluje na dwa fotony promieniowania gamma (czerwone ślady, które są wykrywane przez kryształ CsI (czerwone sześcianiki). Naładowane piony również przekazują energię kryształom CsI (żółte sześcianiki)

Duże ilości antywodoru otrzymał we wrześniu 2002 zespół ATHENA, a kilka tygodni później również ATRAP. Niestety temperatura atywodoru nadal jest wysoka i wynosi 2400K.
Temperatury nie można chłodzić ciekłym helem ani żadnym innym zimnym ośrodkiem zwykłej materii. Atomy antywodoru trzeba było od początku kompletować zimne, mieszając zimne składniki - antyprotony i pozytony.
Gorące, czyli szybkie antyprotony, produkowane w jednym z akceleratorów CERN fizycy spowolnili w zderzeniach ze zwykłymi elektronami. Nie zawsze bowiem, kiedy zderzą się rozpędzona materia z antymaterią, następuje anihilacja. Im większe są prędkości cząstek, a co za tym idzie również ich energie, tym mniejsza jest szansa, że anihilacja nastąpi. Dlatego można z początku chłodzić antyprotony cząstkami zwykłej materii. Spowolnione antyprotony oddziela się od elektronów i gromadzi w magnetycznej pułapce, gdzie oddzielone są od ścianek magnetyczną poduszką. Pozytony pochodzą z rozpadu radioaktywnego izotopu sodu 22. Zbiera się je w osobnej pułapce, gdzie są również schładzane po to, aby maksymalnie zmniejszyć ich prędkość. Następnie antyprotony i pozytony miesza się razem w zagnieżdżonych jedna w drugiej pułapkach magnetycznych. Ich ruchy są już na tyle powolne, że gdy się spotkają, może dojść do przechwycenia pozytonu przez antyproton i utworzenia antywodoru. Powstały atom nie ma już ładunku elektrycznego, więc nie więzi go już pole magnetyczne. Ucieka z pułapki, gdzie trafia w jedną ze ścian urządzenia i ginie w anihilacji. Aby dowiedzieć się o powstaniu antywodoru specjalny detektor mierzy powstałe dwa kwanty promieniowania elektromagnetycznego, a także cząstki zwane pionami, które są całą pozostałością po anihilowanym antywodorze.
Jednorazowo w pułapce może się znajdować 10 tysięcy antyprotonów i 70 milionów pozytonów. Autorzy eksperymentu zanotowali 131 sygnałów anihilacji. Wiadomo jednak, że aparatura wyłapuje tylko nieliczne więc podczas eksperymentu musiało powstać dużo więcej antyatomów wodoru.
Zespół ATRAP dążąc do wytworzenia niskotemperaturowych atomów opracował metodę kontrolowanej laserowo produkcji antywodoru. Nie stosuje się w niej zagnieżdżonych pułapek magnetycznych, a pozytony i antyprotony są utrzymywane w sąsiadujących ze sobą pułapkach. Atomy cezu przelatują przez wiązkę laserową o odpowiednio dobranych parametrach, która wybija elektrony. Zamknięte w pułapce pozytony wyłapują wybite elektrony i wiążą się z nimi uciekając z pułapki we wszystkich kierunkach. Część układów elektron-pozyton wpada do pułapki antyprotonowej, gdzie antyprotony wyłapują pozytony i wiążą się z nimi w atomy antywodoru, które uciekają z pułapki we wszystkich kierunkach. Udało się na razie tą metodą zaobserwować 13 antyatomów, ale wydaje się, że ich temperatura jest stosunkowo niska. Dalsze badania mają być kontynuowane dopiero w połowie 2006 roku.
W drugim etapie eksperymentu fizycy będą chcieli sprawdzić, czy antywodór świeci tak samo jak wodór (zostaną porównane częstości promieniowania przy przeskoku elektronu między dwoma najbardziej podstawowymi poziomami). Wodór jest jednym z najlepiej przestudiowanych pierwiastków w fizyce. Na nim najlepiej jest więc badać wszelkie odstępstwa od przewidywań teorii. Do tej pory zmierzono już, że proton i antyproton mają taką samą masę z dokładnością do dziesiątego miejsca po przecinku, a elektron i pozyton - taki sam moment magnetyczny z dokładnością do dwunastego miejsca. Tymczasem częstość promieniowania wodoru i antywodoru można będzie sprawdzić aż do czternastego miejsca po przecinku.
Potem fizycy postarają się zbadać, czy antywodór ma taki sam ciężar w polu grawitacyjnym Ziemi jak wodór. Model Standardowy zakłada, że antycząstki są niemal wiernymi kopiami cząstek zwykłej materii. A dokładnie: gdyby odbić nasz świat w zwierciadle, zmienić wszystkim cząstkom znak ładunku elektrycznego i jeszcze zmienić kierunek upływu czasu, to powinniśmy otrzymać antyświat, czyli świat zbudowany z antycząstek i nie powinno być żadnej różnicy między nimi.

---

« Poprzednia