Nemrég a CERN csendesen lehozott egy hírt, hogy a világon először sikerült antihidrogén-nyalábot előállítani. Az állandóan a Higgs-bozonról szóló hírek tömkelegében ez nem kapott akkora publicitást, pedig az a tény, hogy antianyag létezik legalább annyira fontos kérdéseket feszeget, mint a Higgs-bozon...

Az antihidrogén egy antiproton (negativ töltésű) és egy antielektron (=pozitron, pozitív töltésű) kötött állapota. A részecskék elektromosan vonzzák egymást, mivel ellentétes töltésűek. A fenti ábra az antihidrogén nyalábot előállító kísérlet elvi sémáját mutatja. Az ábra baloldalán lévő, szürke tekercsekkel körbefogott mágneses csapda az, amiben előbb létrehoznak, majd mágnesekkel fókuszálnak antihidrogén atomokat (az antihidrogén nyalábot kék szín ábrázolja a képen). Ezután egy egy újabb mágneses téren keresztül repülve az ábra jobb szélén levő, sárga színű detektorban regisztrálják az antihidrogén atomok érkezését. Az antihidrogén atomok annihilálnak, amikor a detektor anyagával kölcsönhatnak, így lehet az érkezésüket detektálni. 

De mi értelme van ennek? Az antianyag, antirészecskék tulajdonságait, kölcsönhatásait vizsgálva az egész Unverzumunkra vagy általában a Természet legalappvetőbb törvényeire vonatkozó következtetéseket vonhatunk le. Amíg a Higgs-tér - egyebek mellett - az elemi részecskék tömegeit hívatott magyarázni (de korántsem az atomok tömegét!), addig az antianyag valami olyan fura világba enged bepillantást nyerni, amiben minden a feje tetején áll (átvitt értelemben). 

Az antirészecskék modern elméletét, létezését először Paul A. M. Dirac alkotta, jósolta meg 1930 körül, amikor a kvantummechanikát és a speciális relativitáselméletet összeházasította egy új elméletben (relativiszitikus kvantummechanika). Az elmélet lényege, elnagyolva, hogy ha olyan, a hidrogén atomot leíró egyenletet akarunk alkotni, ami biztosítja, hogy a fény sebessége vonatkoztatási-rendszertől függetlenül állandó (márpedig az), akkor léteznie kell antirészecskéknek! Ezt a következményt Dirac sem látta előre. (És rögtön tegyük is hozzá, hogy a fénysebességgel kapcsolatos elméleti munka - a speciális relativitáselmélet - Einstein érdeme). Tehát gondoljunk bele, mert ezt nem egyszerű megemészteni: van egy, az általunk évezredek óta megismert világ mellett egy antivilág is, ahol minden ellentétes töltésű, tükrözve van (nem végbéltükrözve!), és az idő is visszafele jár... 

A Dirac által megjósolt antirészecskék közül az elsőt (a pozitront) először C. D. Anderson mutatta ki kísérletileg 1932-ben, ezzel igazolva a jóslatot. Az antirészecskék létezése azóta elfogadott tény, azonban érthető módon alapvető és rejtélyes kérdéseket vet fel a létezésük. A következő kérdésekre ugyanis senki nem tudja a választ...

Ha létezik antianyag vagy antirészecske, akkor miért nincs természetes egyensúly az anyag és az antianyag mennyisége között az Univerzumban?

Az alapvető részecskefizikai folyamatokban, kísérletekben (LHC) azt látni, hogy a természet anyag-antianyag szimmetriája látszólag teljesül. Ugyanakkor kozmikus skálán, az általunk látható Univerzumban szinte alig van antianyag. Valamilyen oknál fogva, valami mechanizmus hatására ez a szimmetria megszünhetett valamikor az Univerzum fejlődése során. Vagy az antianyagnak eltérőek a tulajdonságai, vagy valami egyéb folyamat miatt következhetett be ez az aszimmetria. 

Hogyan hat kölcsön az antianyag anyaggal vagy más antianyaggal? 

A természetben négy kölcsönhatást ismerünk: gravitációs-, elektromágneses-, gyenge- és erőskölcsönhatást (erősségük sorrendjében, a leggyengébb a gravitáció). Ahhoz, hogy kimérje valaki az antianyag gravitációs (vagy antigravitációs) tulajdonságát semleges antianyagot kell előállítani, ugyanis a töltött részecskék elektromos kölcsönhatása sokkal erősebb a gravitációnál (bár vannak egyéb elképzelések egy ilyen mérésre vonatkozóan). Az antihidrogén a legegyszerűbb semleges antiatom. Egyátalán nem világos, hogy például egy antihidrogén atom a Föld gravitációs mezejében lefele, vagy felfele esik. Tehát van-e antigravitáció? Érvényes-e Einstein általános relativitáselmélete az antianyagra, vagy korrekcióra szorul? Erről egyelőre senkinek sincs halvány lila gőze sem.

Mi történik, amikor anyag és antianyag annihilál/megsemmisül? 

Einstein óta tudjuk, hogy E=mc^{2}, vagyis a tömeg energiává alakulhat. Amikor anyag és antianyag találkozik akkor a tömegükkel arányos energiájú sugárzássá alakulnak (hogy miért azt nem tudjuk, de kimértük, hogy így van). Milyen részecskék vagy sugárzás keletkezik az annihiláció során? Részben már ismertek ezek a jelenségek, de még nem világos mi történik pontosan atommagok annihilációja során.

Vannak-e távoli, izolált, csak antianyagból álló (anti-)galaxisok?

Egy vicces, de mégis meglepő következménye az antianyag létezésének, hogy ha léteznek antianyagból álló távoli, izolált galaxisok (amit elvileg nem lehet kizárni), amelyekből kijövő fényt detektálni tudjuk teleszkópokkal (és a fény lényegében az egyetlen dolog, amivel közvetlenül láthatóvá válnak), akkor jelenlegi tudásunk szerint nem lehetne eldönteni, hogy azok antianyagból vagy anyagból álló galaxisok-e... Ugyanis a fény (vagy foton) részecske töltés és tömegnélküli, önmaga antirészecskéje; pontosan ugyanolyan fényt bocsátana ki egy antianyag-galaxis, mint egy hagyományos anyaggalaxis… 

De további kérdések: más-e az elektromos és mágneses kölcsönhatás természete, erőssége az antihidrogénben, mint a hidrogénben? Mások-e a kölcsönhatások az antiprotonban, mint a protonban? (A proton és antiproton összetett részecskék.) stb.

Látható, hogy bár már 1932-ben felfedezték, még mindig messze vagyunk attól, hogy megértsük az antianyag természetét. Az következő 5-10 évben a CERN-beli kísérletek a fenti kérdések egy részét várhatóan meg fogják tudni válaszolni. De addig is lehet róla rom-anti-kázni...