Jediný gram tejto látky by stál 5 biliárd eur. Vedci v CERN-e sa snažia vyriešiť jednu z najväčších záhad vesmíru

Existuje látka, ktorá je taká vzácna, že jej jediný gram by podľa orientačného prepočtu mohol stáť približne 5 biliárd eur. Nedá sa jednoducho vyťažiť ani uskladniť v bežnej nádobe. Pri kontakte s obyčajnou hmotou totiž dochádza k reakcii, pri ktorej sa uvoľňuje obrovské množstvo energie. Reč je o antihmote, ktorú vedci v európskom výskumnom centre CERN vyrábajú v nepatrných množstvách. Ich cieľom však nie je vytvoriť najdrahšiu látku sveta. Pomocou antihmoty sa snažia pochopiť, prečo vôbec existuje vesmír, aký poznáme.

V laboratóriách Európskej organizácie pre jadrový výskum CERN pri Ženeve sa vedci venujú jednej z najzáhadnejších súčastí nášho vesmíru – antihmote. Ako v rozhovore pre austrálsku verejnoprávnu stanicu ABC News vo februári 2023 vysvetlil fyzik Michael Doser, jej výroba je mimoriadne energeticky náročná a výsledné množstvá sú takmer nepredstaviteľne malé. Práve jeho odhad nákladov na výrobu antihmoty sa stal základom často citovaného tvrdenia o astronomickej cene jediného gramu.

Čo je antihmota a prečo je taká výnimočná?

Všetko, čo nás obklopuje, je tvorené hmotou.

Naše telá, planéty, hviezdy aj vzdialené galaxie pozostávajú z atómov a častíc, ktoré sa riadia fyzikálnymi zákonmi.

Antihmota je ich zvláštnym náprotivkom.

Ku mnohým známym časticiam existujú antičastice s rovnakou hmotnosťou, ale opačným elektrickým nábojom a ďalšími opačnými kvantovými vlastnosťami.

Elektrón má napríklad záporný elektrický náboj. Jeho antičastica, pozitrón, má rovnakú hmotnosť, ale kladný náboj.

Podobne existuje antiprotón, ktorý má záporný elektrický náboj, zatiaľ čo obyčajný protón je kladne nabitý.

Z antičastíc môžu vznikať aj celé antiatómy.

Vedcom sa podarilo vytvoriť napríklad antivodík, ktorý pozostáva z antiprotónu a pozitrónu.

Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že antihmota je len zaujímavou fyzikálnou kuriozitou.

V skutočnosti však zohráva zásadnú úlohu v našom chápaní vzniku a vývoja vesmíru.

Čo sa stane, keď sa antihmota stretne s obyčajnou hmotou?

Najpozoruhodnejšou vlastnosťou antihmoty je spôsob, akým reaguje pri stretnutí so svojím hmotným náprotivkom.

Keď sa častica stretne so zodpovedajúcou antičasticou, môže dôjsť k procesu nazývanému anihilácia.

Pri anihilácii sa ich energia a hmotnosť premieňajú na iné častice a žiarenie.

Tento proces súvisí so známou Einsteinovou rovnicou:

E = mc²

Rovnica vyjadruje vzťah medzi hmotnosťou a energiou.

Aj veľmi malé množstvo hmoty zodpovedá mimoriadne veľkému množstvu energie, pretože rýchlosť svetla vystupuje v rovnici na druhú.

Ak by sa napríklad jeden gram antihmoty úplne anihiloval s jedným gramom obyčajnej hmoty, uvoľnila by sa energia približne 180 biliónov joulov.

To zodpovedá približne 43 kilotonám TNT, teda energii väčšej než pri výbuchu atómovej bomby zhodenej na Hirošimu.

V praxi však vedci nedokážu vyrobiť ani zďaleka také množstvo antihmoty.

V súčasných laboratóriách sa pracuje s nepatrnými množstvami jednotlivých antičastíc, ktoré nepredstavujú porovnateľný zdroj energie.

Prečo by jediný gram stál približne 5 biliárd eur?

Antihmota sa často označuje za najdrahšiu látku na svete.

Nie je to však komodita, ktorú by bolo možné kúpiť na trhu.

Jej astronomická cena predstavuje skôr odhad nákladov na mimoriadne náročnú výrobu.

Fyzik Michael Doser v rozhovore z roku 2023 uviedol pozoruhodné porovnanie.

Podľa jeho odhadu by výroba jednej stotiny nanogramu antihmoty stála približne toľko ako kilogram zlata.

Nanogram predstavuje jednu miliardtinu gramu.

Jedna stotina nanogramu je teda len desať bilióntin gramu.

Ak by sme tento odhad prepočítali na celý gram, dostali by sme astronomickú sumu rádovo v biliárdach eur.

Práve odtiaľ pochádza často uvádzaný údaj približne 5 biliárd eur za gram.

Nejde však o oficiálnu predajnú cenu CERN-u ani o presný a nemenný ekonomický údaj.

Výsledok závisí od použitej ceny zlata, predpokladov o výrobe a spôsobu prepočtu.

Keďže cena zlata sa v čase mení, môže sa meniť aj takto vypočítaná hodnota.

Staršie odhady nákladov na výrobu antihmoty sa navyše výrazne líšili.

Podstatné však zostáva, že výroba čo i len mikroskopických množstiev antihmoty je mimoriadne nákladná a technologicky zložitá.

Ako vedci v CERN-e vyrábajú antihmotu?

V CERN-e existuje špecializované pracovisko známe ako Antimatter Factory, teda továreň na antihmotu.

Názov môže vyvolávať predstavu priemyselného závodu, v ktorom sa vyrábajú väčšie množstvá exotickej látky.

Skutočnosť je úplne iná.

Vedci tu vytvárajú a skúmajú jednotlivé antičastice pomocou veľkých urýchľovačov a mimoriadne presných experimentálnych zariadení.

Pri výrobe antiprotónov sa vysokoenergetické protóny urýchľujú a následne narážajú do kovového terča.

Pri týchto zrážkach vzniká množstvo sekundárnych častíc vrátane antiprotónov.

Tie je potom potrebné oddeliť od ostatných produktov zrážky a výrazne spomaliť.

Na tento účel slúžia špecializované zariadenia, medzi ktoré patrí Antiproton Decelerator a prstenec ELENA.

Ich úlohou je znížiť energiu antiprotónov natoľko, aby ich vedci mohli zachytiť a presne skúmať.

Ide o nesmierne náročný proces.

Len veľmi malá časť energie spotrebovanej pri výrobe sa nakoniec prejaví v podobe zachytených antiprotónov.

A práve preto zostáva antihmota taká vzácna.

Na jediný gram by vedci čakali miliardy rokov

Michael Doser v rozhovore pre ABC News uviedol ďalšie číslo, ktoré ukazuje, aké nepatrné množstvá antihmoty dokáže súčasná technológia vyprodukovať.

Podľa jeho orientačného odhadu by výroba jedného gramu antihmoty pri uvažovanom tempe trvala približne 10 miliárd rokov.

To je časové obdobie porovnateľné s vekom samotného vesmíru, ktorý má približne 13,8 miliardy rokov.

Nejde o predpoveď, že by vedci skutočne plánovali takto dlho vyrábať jeden gram.

Číslo má ilustrovať obrovský rozdiel medzi dnešnými experimentálnymi možnosťami a množstvami, o ktorých sa niekedy hovorí v populárnej vede či vedeckofantastických príbehoch.

Doser zároveň prirovnal energetický potenciál antihmoty vyrobenej za rok k bežnej každodennej činnosti.

Ani celoročná produkcia antihmoty v laboratóriu by podľa jeho prirovnania nestačila na zohriatie šálky čaju do varu.

Hoci teda anihilácia antihmoty dokáže teoreticky uvoľniť obrovské množstvo energie, jej dnešná výroba je z energetického hľadiska mimoriadne neefektívna.

Na vytvorenie antihmoty treba spotrebovať podstatne viac energie, než by bolo možné z vyrobeného množstva získať.

Najväčší problém nie je len výroba, ale aj skladovanie

Vyrobiť antičastice je len prvou časťou problému.

Vedci ich musia následne udržať mimo kontaktu s obyčajnou hmotou.

Antihmotu totiž nemožno jednoducho uložiť do bežnej sklenenej alebo kovovej nádoby.

Pri kontakte so stenami nádoby by antičastice anihilovali.

Výskumníci preto používajú špeciálne elektromagnetické pasce, v ktorých možno nabité antičastice udržiavať bez priameho kontaktu s materiálom nádoby.

Pri neutrálnych antiatómoch, ako je antivodík, sa využívajú iné, mimoriadne presne vytvorené magnetické podmienky.

Dôležitá je tiež veľmi nízka teplota a vysoké vákuum.

Tieto technológie umožňujú vedcom skúmať antihmotu počas čoraz dlhšieho času.

Zároveň však ukazujú, prečo je predstava veľkých zásob antihmoty zatiaľ ďaleko za hranicami praktických možností.

Antihmota vzniká aj v banánoch a v ľudskom tele

Prekvapujúce je, že antihmota nevzniká iba v obrovských urýchľovačoch.

Malé množstvá antičastíc sa objavujú aj pri prirodzených rádioaktívnych procesoch.

Jedným zo známych príkladov je banán.

Banány obsahujú draslík, ktorého malá časť je tvorená prirodzene rádioaktívnym izotopom draslík-40.

Pri veľmi zriedkavom type jeho rádioaktívneho rozpadu môže vzniknúť pozitrón, teda antičastica elektrónu.

Podľa približného odhadu môže jeden banán vyprodukovať pozitrón rádovo raz za hodinu.

Podobné procesy sa odohrávajú aj v ľudskom tele, ktoré tiež obsahuje prirodzene rádioaktívne izotopy.

Tieto antičastice však existujú len veľmi krátko.

Po stretnutí s elektrónmi v okolitej hmote anihilujú.

Nie je preto dôvod obávať sa banánov alebo prirodzenej rádioaktivity v našom tele kvôli antihmote.

Ide o bežné fyzikálne javy, ktoré sa v prírode odohrávajú neustále.

Antihmota už dnes pomáha zachraňovať životy

Hoci sa antihmota môže zdať ako čisto teoretická záležitosť, jej vlastnosti sa už dnes využívajú v medicíne.

Jedným z najznámejších príkladov je pozitrónová emisná tomografia, známa pod skratkou PET.

Pri tomto vyšetrení sa pacientovi podáva malé množstvo rádioaktívne označenej látky, ktorá emituje pozitróny.

Keď sa pozitrón stretne s elektrónom v tele, dôjde k anihilácii.

Pri nej vznikajú fotóny, ktoré dokáže PET skener zachytiť.

Na základe zachyteného žiarenia dokáže prístroj vytvoriť obraz metabolickej aktivity v rôznych častiach tela.

PET sa využíva napríklad pri diagnostike a sledovaní onkologických ochorení, ale aj pri niektorých neurologických a kardiologických vyšetreniach.

Je dôležité rozlišovať, že PET nevznikla jednoducho ako vedľajší produkt dnešnej továrne na antihmotu v CERN-e.

Ide o medicínsku technológiu založenú na rovnakých fyzikálnych princípoch anihilácie pozitrónov a elektrónov, ktoré vedci skúmajú aj vo fyzike častíc.

Prečo po veľkom tresku nezanikla všetka hmota?

Najväčšia záhada antihmoty však nesúvisí s jej cenou ani s možnosťou výroby energie.

Týka sa samotnej existencie vesmíru.

Podľa súčasných fyzikálnych modelov mali v ranom vesmíre vznikať častice hmoty aj antihmoty.

Ak by ich vzniklo úplne rovnaké množstvo a následne by sa navzájom anihilovali, zostalo by predovšetkým žiarenie.

Lenže vesmír, ktorý pozorujeme, je tvorený takmer výlučne obyčajnou hmotou.

Hviezdy, planéty, galaxie aj naše telá existujú preto, že po raných procesoch vo vesmíre zostal určitý nadbytok hmoty nad antihmotou.

Prečo tento rozdiel vznikol, zostáva jednou z veľkých otvorených otázok modernej fyziky.

Vedci sa preto snažia zistiť, či medzi hmotou a antihmotou existujú veľmi malé rozdiely vo fyzikálnom správaní, ktoré by mohli pomôcť vysvetliť ich nerovnováhu.

V CERN-e sa skúmajú napríklad vlastnosti antivodíka, jeho spektrálne charakteristiky a správanie v gravitačnom poli.

Cieľom je overovať základné fyzikálne teórie s čo najvyššou presnosťou.

Niektoré rozdiely medzi správaním častíc a antičastíc sú už známe, zatiaľ však nedokážu úplne vysvetliť pozorovanú prevahu hmoty vo vesmíre.

Najdrahšia látka sveta môže pomôcť pochopiť našu existenciu

Antihmota patrí medzi najfascinujúcejšie objekty modernej fyziky.

Jej výroba je nesmierne drahá, skladovanie mimoriadne náročné a množstvá vytvárané v laboratóriách zostávajú nepatrné.

Údaj o približne 5 biliárdach eur za gram preto treba vnímať ako orientačný prepočet, ktorý ilustruje technologickú náročnosť jej výroby, nie ako skutočnú trhovú cenu.

Najväčšia hodnota antihmoty však nespočíva v peniazoch ani v jej energetickom potenciáli.

Vedcom umožňuje skúmať základné zákony prírody a hľadať odpoveď na otázku, prečo po vzniku vesmíru zostalo dostatok hmoty na vytvorenie hviezd, planét a života.

A práve preto sa v CERN-e oplatí skúmať aj nepatrné množstvá látky, ktorej jediný gram by podľa teoretických prepočtov stál astronomické sumy.