Miért van több anyag az univerzumban, mint antianyag? Mi az oka annak, hogy az antianyaggal itt, a Földön csak speciális körülmények között találkozunk, például részecskegyorsítókban vagy nukleáris reakcióknál? Hova lett az antianyag? A kérdést régóta teszik fel a fizikusok, de biztos válasz még nem született eddig, ami egyértelmű magyarázatot adhatna a rejtélyre. A világ minden táján épülő berendezések, amelyek az antianyag előállítására és vizsgálatára szakosodtak, közelebb hozhatják a megoldást és az itt zajló kísérletek eredményeként már néhány lépéssel előrébb is jutottak a kutatók a téma feltárásában.

Arra például már 1964-ben fény derült, hogy az anyag-antianyag párok nem a várt szimmetria elve szerint épülnek fel:

a CP-sértés jelenségét először a semleges kaon bomlás során sikerült detektálni a Brookhaven Laboratóriumban zajló kísérlet alatt.

A megfigyelésekből egyértelművé vált, hogy a mezonok családjába tartozó, hosszú életű kaon két pionra bomlik fel, emiatt ebben az esetben az anyag-antianyag kapcsolatra vonatkozó szimmetria szabálya nem érvényesül. A CP-szimmetria (C-charge, töltés, P-parity, paritás vagyis egyenértékűség) ugyanis kimondja, hogy egy részecske és annak a töltéstükrözés és paritástükrözés során létrejövő antirészecskéje minden szempontból egymással megegyezőek, egymás tükörképei kell, hogy legyenek, csakhogy a gyenge kölcsönhatásra épülő folyamatok esetében időnként nem érvényesül teljes mértékben ez a hatás. A szimmetriasértés teszi lehetővé, hogy a kísérletek alatt keletkező antianyagot megfigyelhessék a fizikusok és megpróbáljanak több információt szerezni arra vonatkozóan, miért is térnek el egymástól a részecskék és antirészecske párjaik.

Az évek során egyre kifinomultabb műszerekkel és egyre nagyobb teljesítményű megfigyelőeszközökkel már azt is sikerült megállapítani, hogy mekkora lehet a tömegbeli eltérés a két ellentétes részecske között: tavaly júniusban a Nagy Hadronütköztetőben zajló ütközetések adatainak elemzése nyomán kiderült, hogy a különbség a bájos mezon és antianyag párja között 0.00000000000000000000000000000000000001 gramm, ami, bármilyen elenyésző számnak tűnik is, de legalább mérhető eltérést jelent és kiindulópontként szolgálhat az anyag-antianyag állapotváltozás közelebbi vizsgálatához. A két héttel ezelőtt tartott Rencontres de Moriond Electroweak konferencián bemutatásra kerülő újabb tanulmány szerzői pedig arról számoltak be, hogy

az eddig detektált legnagyobb mértékű asszimetriát figyelték meg egy antianyag kísérletben

a bájos és fel kvarkból álló B mezonok és a belőle létrejövő pionok és kanonok között. A folyamatban a jelentősebb CP-sértésért valószínűleg a közbenső lépések felelnek, amelyek során többek között a χhc0 jelű mezon is keletkezik, ami, a korábbi elképzelésekkel ellentétben, fontos szerepet játszhat a minden eddiginél nagyobb mértékű asszimetriában.

A CERN (Európai Nukleáris Kutatási Szervezet) antianyaggyárában zajló ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons, Atomi Spektroszkópia és Ütközések Lassú Antiprotonok használatával) kísérletekben szintén az antianyag jellegzeteségeit és az anyag-antianyag eltéréseket kutatják, de egy kicsit más módszerrel: az Antiproton-lassító berendezés kifejezetten az alacsony energiájú, lassú antirészecskék vizsgálatára lett kialakítva. A részecskegyorsítás ellentettje lehetőséget ad rá, hogy a nagyon egyszerű felépítésű atomok, a hidrogén-, és héliumatomok viselkedését figyeljék meg, ezeknek is azokat a különleges verziót, amelyek antianyagot is tartalmaznak. Ilyen az egyik elektronját antiprotonra cserélő héliumatom és az antihidrogén is. Ezeknek az atomoknak a jellemzőit a "normál" és jól ismert párjukkal, a hidrogénnel és héliummal összevetve az antianyagok felépítésének és viselkedésének közelebbi megértésére nyílik lehetőség.

Az egzotikus antiprotonos hélium készítésének lényege, hogy a héliumatom egyik elektronjának helyére egy antiprotont helyezzenek el, ami az antiproton negatív töltése miatt lehetséges. A folyamat során általában alacsony hőmérsékletű és kis sűrűségű héliumgázt használnak a kutatók, mivel ebben a közegben a lézersugárral végzett mérések jobb lehetőséget adnak az antiproton-állapotok energiaspektrumának megfigyeléséhez és így az elektronnal való összevetéshez, ami eredményeként megbecsülhető a tömegbeli különbségük. Az újabb kísérletben viszont, amelyről március 16-án jelent meg tanulmány a Nature-ben, szakítva a hagyományokkal, folyékony héliumban figyelték meg az antiproton héliumokat és sikerült az energiaspektrumot érzékelni, sőt, a szuper folyékonyállapotba hozott héliumban a spektrumvonalak leszűkülésére lettek figyelmesek a fizikusok.

"Ez a viselkedés teljesen váratlan volt. Az egzotikus héliumatom optikai válasza szuperfolyékony héliumban merőben különbözött ugyanannak a hibrid atomnak a nagysűrűségű héliumgázban vagy a szokásos atomok folyadékban vagy szuperfolyadékban való viselkedésétől”

- magyarázta a jelenséget Sótér Anna, az ETH Zürich oktatója, aki nem csak a mostani ASACUSA kutatásban vett részt, hanem rendszeres tagja az itt zajló kísérleteknek. Az Antianyaggyár ASACUSA kísérleteinek alapító között ugyanis magyar szakemberek is megtalálhatóak, így az 1999 óta működő programban japán és olasz fizikusok mellett magyar szakértők is dolgoznak. Sótér mellett Horváth Dezső és Barna Dániel is hozzájárultak már korábban is a vizsgálatok eredményeihez, Barna a mostani tanulmányban is részt vett.

Az egzotikus héliumatom-hibrid folyadékban való különös viselkedésére nagy valószínűséggel az elektronpálya sugara adhat magyarázatot, mivel az antiprotont is tartalmazó hélium elektronpályája nem változik meg lézerfény hatására, ezért még a szuperfolyékony héliumban is megtarthatja a spektrumát. Annak bizonyítására azonban, hogy valóban ez az ok húzódik meg a jelenség mögött, további vizsgálatok szükségesek, a jövőben például másfajta héliumhibridek alkotásával további megfigyeléseket lehet végezni a szuperfolyékony héliumban és a lézerfény hatásával kapcsolatban.

A CERN leírása szerint a felfedezett spektrumvonal változások arra is alapot adhatnak, hogy a lassú mozgású kozmikus antiprotonok vagy antideuteronok után nyomozzanak a kutatók, amelyek az űrbeli kísérletek során is használt szuperfolyékony hélium részecskéivel ütköznek.

(ELKH Fotó: CERN/ASACUSA, Getty Images /shulz)

Miért van sokkal több anyag, mint az antianyag az univerzumban? (Tényleg a banán miatt?) Az antianyagnak az ősrobbanás után az univerzum összes anyagát azonnal meg kellett volna  semmisítenie, ellenben ma is közelebb áll hozzánk fizikailag, mint gondolhatnánk. Például a banán is termeli, a banán ugyanis antianyagot hoz létre, körülbelül 75 percenként felszabadítva egy pozitront, az elektron antianyag-egyenértékét.