Paul Dirac brit fizikus 1928-ban nyitotta meg az utat az antianyag-kutatások előtt, mikor ötvözte a kvantumelméletet a speciális relativitáselmélettel egy olyan egyenletben, ami megjósolta az anyag "ellentétének", vagyis az ismert részecskékkel egyező, ám ellentétes töltésű részecskéknek létezését. Mivel azonban az anyag és az antianyag találkozásakor a részecskepárok megsemmisülnek, az antianyag koncepciója felvetett egy súlyos és azóta is megválaszolatlan kérdést: hogyan jöhetett létre egy anyagból álló univerzum, ha az ősrobbanás idején egyenlő mértékű anyag és antianyag keletkezett? Hová lett az antianyag?

A kérdés megválaszolására számos kísérletet végeztek már és végeznek most is a kutatók, amelyek során az univerzum egészen korai idejében uralkodó állapotokat és az akkor létező részecskéket igyekeznek rekonstruálni. A vizsgálatok eredményei alapján sok rejtélyt és részletkérdést sikerült tisztázni, a Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban például 1964-ben fény derült arra, hogy az anyag-antianyag párok nem a várt szimmetria elve szerint épülnek fel, ez a CP-sértés jelensége. A CP-szimmetria (C-charge, töltés, P-parity, paritás vagyis egyenértékűség) 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 Brookhaveni Laboratóriumban jelenleg zajló STAR kísérlet szintén az antianyag utáni nyomozást segíti elő a kvark-gluon plazma, vagyis az úgynevezett ősleves kialakulásának tanulmányozásával. A forrongó ősleves az ősrobbanás utáni másodperc néhány milliomod részéig létezett, majd rögtön ezután a kvarkok és gluonok (a részecskék "ragasztóanyagai") nagyobb egységekké, protonokká és neutronokká álltak össze, és azóta csak kötött állapotban találhatóak, bár egy 2020-as tanulmány szerint a neutroncsillagok magjában létezhetnek szabad kvarkok is.

A kvark-gluon plazmát a Földön részecskeütköztetőkben hozzák létre,

ilyenkor nyílik lehetőség a kvarkok és az erős kölcsönhatást közvetítő gluonok megfigyelésére. A Brookhaveni Nemzeti Laboratórium RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, Relativisztikus Nehézion-ütköztető) ütköztetőjének STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) detektora lehetőséget ad a nehézion-nyalábok ütközése közben keletkező antianyagok detektálására.

A RHIC STAR együttműködés, amelyben magyar kutatók is részt vesznek az ELTE révén, 6,6 milliárd ilyen ütközést vizsgált és az óriási mennyiségű adat alapján sikerült egy újfajta antianyag-atommagot, egy hipermagot felfedezniük. Ahogy arról az ELTE is beszámolt, a négy antianyag-részecskéből (egy antiprotonból, két antineutronból és egy úgynevezett antihiperonból) álló egzotikus anti-atommagokat antihiper-hidrogén-4-nek nevezik. Az antihiperon instabilitása miatt az antihiper-hidrogén-4 hamar felbomlik, antihélium-4-re és π+ mezonra és ezekből a bomlástermékekből rekonstruálták a kutatók az új anti-atommagokat. A szimmetria tekintetében a mérések során nem találtak nagy különbséget az antihiper-hidrogén-4 és a párja, a hiperhidrogén-4 élettartama között.

"Az atommagokat is összetartó, felépítésüket meghatározó erős kölcsönhatás kutatása nagy részecskegyorsítóknál végezhető, mint amilyen a RHIC vagy a genfi SPS és LHC, vagy a Németországban épülő FAIR."

- mondta el Csanád Máté egyetemi tanár, a STAR-ELTE kutatócsoport vezetője - "A helyzet az elektromosság XIX. századi kutatásához, megértéséhez, illetve végül alkalmazásához hasonló. Jelenleg egyre jobban értjük ezt a kölcsönhatást is, a felhalmozott tudásnak pedig az orvoslástól az anyagtudományig sokféle alkalmazása van már most is."

Az ELTE a STAR együttműködés hivatalos résztvevője, a STAR-ELTE kutatócsoport a Fizikai Intézetben, az Atomfizikai Tanszéken működik, a Tématerületi Kiválósági Program Asztro- és Részecskefizikai Tématerületén belül. A STAR kísérletben való részvételt ezen kívül jelenleg az NKFIH OTKA K-138136 és a PD-146589 projektek támogatják. A kutatócsoport tagjai személyesen is részt vesznek az adatok felvételében, mindemellett az ELTE kutatóinak fontos feladata az adatok elemzése, különös tekintettel a femtoszkópiai mérésekre; Csanád Máté pedig a kísérlet adatarchiválásának irányítója is volt, jelenleg pedig az együttműködés meghívott előadásait koordináló bizottság tagja.

(Fotó: kínai Modern Fizikai Intézet, Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma)