CERN-i füüsikud: universumi olemasolu on võimatu

Ülitäpne mõõtmine näitab, et prootonil ja antiprootonil on täpselt ühesugused magnetilised omadused. See tähendab aga, et Suure Paugu tulemusena poleks tohtinud galaktikaid, tähti, planeete ja meid endidki üldse tekkida.

Üks nüüdisfüüsika suuremaid mõistatusi on küsimus, miks antiaine universumi tekkehetkel maailmakõiksust paukselt ei hävitanud.

Ühe potentsiaalse selgitusena on füüsikud välja pakkunud võimaluse, et aine ja antiaine vahel on mingisugune erinevus — lisaks elektrilaengute vastasmärgilisusele. Nüüd aga paistab, et olgu see erinevus milline tahes, magnetiline see ilmselt pole.

Šveitsis Euroopa tuumauuringute keskuses CERN on teadlastel õnnestunud ülitäpselt mõõta antiprootoni magnetilist dipoolmomenti e magnetmomenti — suurust, mis määrab, kuidas osake magnetjõule reageerib. Teadusajakirjas Nature ilmunud uurimuses kirjeldatud mõõtmine näitas, et antiprootoni magnetmoment on täpselt võrdne prootoni magnetmomendiga, ainult et vastandmärgiline.

Kuskil peab olema ebasümmeetria - aga kus?

„Kõik meie vaatlused kinnitavad, et sümmeetria aine ja antiaine vahel on absoluutne, mis tähendab, et universumit ei tohiks tegelikult olemas olla,“ kommenteeris CERN-i barüonide-antibarüonide sümmeetria uurimise projekti BASE (ingl Baryon-Antibaryon Symmetry Experiment) juures töötav füüsik Christian Smorra. „Kusagil peab ebasümmeetria ilmnema, kuid me lihtsalt ei saa aru, milles see erinevus seisneb.“

Antiaine on kurikuulus oma tasakaalutuse poolest — igasugune kokkupuude tavalise ainega annihileerib mõlemad ainevormid puhta energia plahvatuses, mis on teadaolevalt üldse kõige efektiivsem füüsikaline reaktsioon. Sellepärast kirjutati antiaine ka ulmelises telesarjas Star Trek ristleva tähelaeva Enterprise kütuseks.

Osakestefüüsika standardmudeli kohaselt pidanuks Suure Paugu käigus tekkima täpselt ühepalju ainet ja antiainet. See on aga äärmiselt plahvatusohtlik kokteil, mis oleks pidanud end otsekohe ise hävitama, jätmata järele midagi, millest oleksid saanud moodustuda galaktikad või tähed, rääkimata planeetidest ja inimestest.

Mõistatusele lahenduse leidmiseks on füüsikud üritanud tuvastada mõnd võtmetähtsat erinevust aine ja antiaine vahel — mingit kõrvalekallet, mis võiks selgitada, kuidas tavaline aine meie universumis ikkagi võimust võtta sai. Seni on äärmise täpsusega mõõdetud aine ja antiaine osakeste kõikvõimalikke karakteristikuid: massi, elektrilaengut, jne, kuid ühtegi erinevust pole veel avastatud.

Mullu uurisid CERN-i antiprootonite aeglustiga ALPHA (ingl Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) töötavad teadlased esmakordselt valguse abil antivesiniku aatomit, leidmata tolgi korral vesinikuaatomiga võrreldes mingisugust erinevust.
Üks oluline väärtus — antiprootoni magnetmoment — oli aga teada teistest märksa kopsakama mõõtmisveaga.

Kümme aastat tagasi võtsid Stefan Ulmer ja tema kolleegid eksperimendi BASE juures endale ülesandeks seda suurust täppismõõta.
Kõigepealt pidid nad välja töötama viisi tavalise prootoni magnetmomendi vahetuks mõõtmiseks. Selleks püüdsid füüsikud eraldisi prootoneid magnetvälja sisse lõksu ja kutsusid nende spinnides teise magnetväljaga esile kvanthüppeid. Too mõõtmisviis oli juba iseenesest murranguline saavutus, mida kirjeldav artikkel ilmus ajakirjas Nature 2014. aastal.

Antiaine krõpsutorbikus

Järgmiseks pidid uurijad samal viisil mõõtma antiprootoneid — ülesanne, mille tegi mitmekordselt keerulisemaks asjaolu, et antiprootonid annihileeruvad kokkupuutel mis tahes ainega otsekohe.
Edukas mõõtmisprotseduur nõudis teadlastelt kõigist laborites loodud antiaine vormidest kõige külmema ja pikaealisema kasutamist.
Pärast antiprootonite tekitamist 2015. aastal suutis töörühm neid kauem kui aasta vältel säilitada erilises, umbes Pringlesi kartulikrõpsude torbiku suuruses ja kujulises kambris.

Kuna ükski tavalisest ainest valmistatud mahuti antiaine säilitamiseks ei kõlba, kasutavad füüsikud selle kätkemiseks magnet- ja elektriväljade abil seadmeid, mida nimetatakse Penningi lõksudeks.
Reeglina on antiaine eksisteerimise kestuse piiriks lõksude ebatasasused — väikesed tasakaalutused, mis võimaldavad antiainel välja imbuda.

Kaht lõksu omavahel kombineerides suutis BASE’i töörühm konstrueerida seni kõige täiuslikuma antiaine-kambri, milles antiprootonid säilisid 405 päeva.

Stabiilne talletusseade võimaldas töörühmal antiprootonite peal magnetmomendi mõõtmisi läbi viia. Tulemused näitavad, et antiprootoni magnetmomendi väärtus on -2,7928473441 μN (μN on konstant, mida nimetatakse tuuma magnetoniks). Kui miinusmärgilisus välja arvata, on see täpselt sama suur kui tavalise prootoni peal läbi viidud varasema mõõtmise tulemus.

Uus mõõtmistulemus on täpne üheksanda tüvekohani, mis näiteks Maa ümbermõõdu mõõtmisel tähendaks paarisentimeetrist viga. Kõige täpsemast varasemast mõõtmistulemusest on see 350 korda täpsem.