Az Európai Nukleáris Kutatási Szervezetben (CERN) folyó ASACUSA együttműködés keretében a kutatók egzotikus anyag-antianyag atomok meglepő viselkedését figyelték meg szuperfolyékony héliumban. A kísérletekben kulcsszerepet kapott a magyar származású Sótér Anna, a zürichi Szövetségi Műszaki Főiskola (Eidgenössische Technische Hochschule, ETH) adjunktusa, továbbá a cikk szerzői között szerepel Barna Dániel, az ELKH Wigner Fizikai Kutatóközpont (Wigner FK) munkatársa, a kísérletek megalapozásában pedig Horváth Dezső, a Wigner FK professor emeritusa is részt vett. A kutatási eredmények új utakat nyithatnak a részecskefizika, az anyagtudományok és akár az asztrofizika területén is, az erről szóló tanulmány a Nature folyóiratban jelent meg 2022. március 17-én.
Az úttörő kísérletben az egzotikus anyag-antianyag héliumatomok – amelyek az egyik elektron helyén a proton antirészecskéjét, azaz egy antiprotont tartalmaznak – az előre várttól eltérően reagáltak az őket érő lézerfényre szuperfolyékony hélium közegben.
„Az egzotikus anyag-antianyag héliumatomok használatát a részecskefizikán kívül is javasoljuk, főleg a kondenzált anyagok fizikája területén, vagy akár az asztrofizikai kísérletekben is. Most vitathatatlanul megtettük az első lépést afelé, hogy antiprotonokat használhassunk a kondenzált anyagok vizsgálatában” – mondta az ASACUSA társ-szóvivője, Masaki Hori.
Az ASACUSA együttműködés keretében a CERN antianyaggyárában régóta állítanak elő antiprotonos héliumatomokat, amelyek segítségével az antiproton protonhoz viszonyított tömegét mérik. Ezekben a különleges atomokban a héliumatommag körül egy elektron és egy antiproton kering.
A vizsgálatban hangolt lézersugárral mérik az atomi antiproton-állapotok energiaspektrumát, és ennek alapján határozzák meg az antiproton tömegét az elektronéhoz képest. Ebben a folyamatban kulcsszerepe van a kis nyomásnak és az alacsony hőmérsékletnek, a magasabb hőmérséklet és nagyobb gázsűrűség ugyanis általában kiszélesíti az átmeneteket, és csökkenti a mérés pontosságát. Ezért volt meglepő, amikor az ASACUSA kísérletben a közönséges gázénál sokkal nagyobb anyagsűrűségű folyékony héliumban a spektrumvonalak keskenyedését észlelték. Sőt, amikor a folyékony hélium hőmérsékletét sikerült annyira lecsökkenteni, hogy szuperfolyékonnyá vált, a spektrumvonalak további hirtelen csökkenését mérték.
„Az anyag-antianyag atomok viselkedése teljesen váratlan volt. Az egzotikus héliumatom optikai válasza szuperfolyékony héliumban meredeken különbözött a nagy sűrűségű héliumgázban tapasztalttól, vagy a szokásos atomok folyadékban vagy szuperfolyadékban megfigyelhető viselkedésétől” – emelte ki Sótér Anna, aki e témából írta PhD-dolgozatát.
A kutatók úgy gondolják, hogy ez a meglepő viselkedés az elektronpálya sugarához kapcsolódik, ugyanis az egzotikus atomban – a szokásossal ellentétben – a lézerfény nem változtatja meg a kötött elektron pályasugarát, csak az antiprotonét. Ennek következtében a mért spektrum nem változik meg még akkor sem, amikor az atom szuperfolyékony közegbe merül. A hipotézist azonban még további vizsgálatoknak kell megerősíteniük.
Az eredmények többek között hozzájárulhatnak ahhoz, hogy a későbbi kutatások során – például pionok felhasználásával – másféle egzotikus héliumatomokat is előállítsanak, amelyek segítségével nagy pontossággal mérhetik meg a részecske elektronhoz viszonyított tömegét. Emellett az egzotikus atom spektrumvonalának keskenyedése szuperfolyékony héliumban arra utal, hogy ezek a különleges atomok a szuperfolyékony anyagállapot vizsgálatára is használhatók. Végül pedig a vékony spektrumvonalak alkalmazásával a kozmikus sugarak kis energiájú antiprotonjai és antideuteronjai – vagyis az antiproton és antineutron közötti állapotuk – észlelhetők a magaslégköri mérőberendezések hűtőfolyadékaként használt héliumban, ami új lehetőségeket tartogat az asztrofizika területén. A kutatók azonban hangsúlyozzák, hogy még nagyon sok technikai problémát kell megoldani, mielőtt ez a módszer felveheti a versenyt a már alkalmazott eljárásokkal a kozmikus antirészecskék keresése terén.