Antymateria to jedno z najbardziej ekscytujących odkryć fizyki XX wieku. Podchwycona przez pisarzy fikcji, takich jak Dan Brown, wiele osób myśli o niej jako teoretycznej idei, nie zdając sobie sprawy, że w rzeczywistości jest produkowana każdego dnia. Co więcej, badania nad antymaterią w rzeczywistości pomagają nam zrozumieć, jak działa wszechświat.
Antymateria jest przeciwieństwem normalnej materii. Mówiąc dokładniej, subatomowe cząstki antymaterii mają właściwości przeciwne do normalnej materii. Ładunek elektryczny tych cząstek jest odwrócony. Antymateria powstała wraz z materią po Wielkim Wybuchu, a naukowcy nie są pewni dlaczego.
Aby lepiej zrozumieć antymaterię, trzeba wiedzieć więcej o materii. Materia składa się z atomów, które są podstawowymi jednostkami pierwiastków chemicznych takich jak wodór, hel czy tlen. Każdy pierwiastek ma pewną liczbę atomów: wodór ma jeden atom; hel ma dwa atomy; i tak dalej.
Wszechświat atomu jest złożony, ponieważ jest pełen egzotycznych cząstek o właściwościach spinowych, które fizycy dopiero zaczynają rozumieć. Z prostej perspektywy atomy mają w sobie cząstki, które są znane jako elektrony, protony i neutrony.
Antycząstki – pozytony, antyprotony, antyneutrony
W sercu atomu, zwanego jądrem, znajdują się protony (które mają dodatni ładunek elektryczny) i neutrony (które mają ładunek neutralny). Elektrony, które na ogół mają ładunek ujemny, zajmują orbity wokół jądra. Orbity te mogą się zmieniać w zależności od tego, jak bardzo elektrony są “pobudzone” (czyli ile mają energii).
W przypadku antymaterii, według NASA, ładunek elektryczny jest odwrócony w stosunku do materii. Antyelektrony (zwane pozytonami) zachowują się jak elektrony, ale mają ładunek dodatni. Antyprotony, jak sama nazwa wskazuje, są protonami o ładunku ujemnym.
Te cząsteczki antymaterii (nazywane “antycząstkami”) zostały wygenerowane i zbadane w ogromnych akceleratorach cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów obsługiwany przez CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych).
“Antymateria nie jest antygrawitacją”, dodaje NASA. “Chociaż nie zostało to eksperymentalnie potwierdzone, istniejąca teoria przewidująca, że antymateria zachowuje się tak samo grawitacyjnie jak normalna materia”.
Gdzie jest antymateria?
Cząsteczki antymaterii tworzą się poprzez bardzo szybkie zderzenia. W pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, istniała tylko energia. W miarę jak wszechświat ochładzał się i rozszerzał, cząsteczki zarówno materii jak i antymaterii były produkowane w równych ilościach. Dlaczego materia stała się dominująca? Na to pytanie naukowcy prubują znaleźć odpowiedź.
Jedna z teorii sugeruje, że na początku powstało więcej normalnej materii niż antymaterii, tak że nawet po wzajemnej anihilacji pozostało wystarczająco dużo normalnej materii, by uformować gwiazdy, galaktyki i nas.
Przewidywanie antymaterii i Nagroda Nobla
Antymateria została po raz pierwszy przewidziana w 1928 roku przez angielskiego fizyka Paula Diraca, którego New Scientist (brytyjskie pismo naukowe) nazywało “największym brytyjskim teoretykiem od czasów Sir Isaaca Newtona”.
Dirac połączył specjalne równanie względności Einsteina (mówiące o tym, że światło jest najszybciej poruszającą się istotą we wszechświecie) i mechanikę kwantową (opisującą to, co dzieje się w atomie). Odkrył, że równanie to działa na elektrony z ujemnym ładunkiem lub z dodatnim ładunkiem.
Podczas gdy Dirac początkowo wahał się, czy podzielić się swoimi odkryciami, ostatecznie przyjął je i powiedział, że każda cząstka we wszechświecie posiada lustrzane odbicie. Amerykański fizyk Carl D. Anderson odkrył pozytony w 1932 roku. Dirac otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki w 1933 roku, a Anderson w 1936 roku.
Dirac zaakceptował, że równania wykazują iż cząstki naprawdę wypełniają całe “morze” niższych energii. Morze, które dotychczas było niewidzialne dla fizyków, ponieważ patrzyli oni tylko “ponad powierzchnię”. Wyobraził sobie, że wszystkie “normalne” poziomy energii jakie istnieją, są rozliczane przez “normalne” cząsteczki. Kiedy jednak cząstka wyskakuje z niższego stanu energetycznego, pojawia się jako normalna cząstka, ale pozostawia “dziurę”, która jawi się nam jako dziwna, lustrzana cząstka – antymateria.
Pomimo początkowego sceptycyzmu, wkrótce znaleziono przykłady tych par cząsteczka-antycząsteczka. Dla przykładu, są one wytwarzane kiedy promienie kosmiczne uderzają w ziemską atmosferę. Istnieją nawet dowody, że energia w burzy wytwarza antyelektrony, zwane pozytonami. Są one również wytwarzane w niektórych rozpadach radioaktywnych, procesie stosowanym w wielu szpitalach (skanery Pozytonowej Tomografii Emisyjnej (PET)), które pozwalają na precyzyjne obrazowanie w ciale. Obecnie, eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) mogą również produkować materię i antymaterię.
Tajemnica materii-antymaterii
Fizyka przewiduje model, gdzie materia i antymateria muszą być wytwarzane w prawie równych ilościach, i że tak było podczas Wielkiego Wybuchu. Co więcej, przewiduje się, że prawa fizyki powinny być takie same, jeśli cząstka zostanie zamieniona z antycząstką – jest to związek znany jako symetria CP. Jednak wszechświat, który widzimy nie wydaje się być zgodny z tymi zasadami. Jest prawie w całości wytworzony z materii, więc gdzie uciekła cała antymateria?
Eksperymenty wykazały, że niektóre procesy rozpadu radioaktywnego nie wytwarzają takiej samej ilości antycząstek i cząstek. Ale to nie wystarczy, aby wyjaśnić różnicę pomiędzy ilością materii i antymaterii we wszechświecie. W związku z tym fizycy w LHC, ATLAS, CMS i LHCb, oraz inni prowadzący eksperymenty z neutrinami, jak T2K w Japonii, szukają innych procesów, które mogłyby wyjaśnić zagadkę.
Inne grupy fizyków, takie jak Alpha Collaboration w CERN, pracują przy znacznie niższych energiach, aby sprawdzić, czy właściwości antymaterii są rzeczywiście lustrem ich partnerów w materii. Ostatnie wyniki pokazują, że atom antywodorowy (składający się z anty-protonu i antyelektronu, czyli pozytonu) jest elektrycznie neutralny z dokładnością do mniej niż jednej miliardowej części ładunku elektronu. W połączeniu z innymi pomiarami, oznacza to, że pozyton jest równy i przeciwny ładunkowi elektronu do lepszej niż jedna część miliarda – co potwierdza, czego oczekuje się od antymaterii.
Pozostaje jednak wiele tajemnic. Eksperymentalnie sprawdza się, czy grawitacja wpływa na antymaterię w taki sam sposób, jak wpływa na materię. Jeśli okaże się, że te dokładne symetrie zostały złamane, będzie to wymagało fundamentalnej rewizji naszych wyobrażeń o fizyce, wpływając nie tylko na fizykę cząstek, ale także na nasze rozumienie grawitacji i względności.
W ten sposób, eksperymenty z antymaterią pozwalają nam poddać nasze rozumienie fundamentalnego działania wszechświata nowym i ekscytującym testom. Kto wie, co znajdziemy?
Statek kosmiczny na antymaterię?
Kiedy cząsteczki antymaterii wchodzą w interakcję z cząsteczkami materii, anihilują się nawzajem i wytwarzają energię. To skłoniło inżynierów do spekulacji, że statek kosmiczny napędzany antymaterią może być skutecznym sposobem na badanie wszechświata.
NASA ostrzega, że koszt jest ogromny: potrzeba około 100 miliardów dolarów, aby stworzyć miligram antymaterii. Podczas gdy badania mogą przynieść znacznie mniej antymaterii, to jest to minimum, które byłoby potrzebne do jej zastosowania.
Wytwarzanie energii powoduje kolejny ból głowy: “Tworzenie antymaterii kosztuje o wiele więcej energii niż energia, którą można by odzyskać w wyniku reakcji antymaterii.”
Ale to nie powstrzymało NASA i innych grup badawczych od pracy nad ulepszeniem technologii, która umożliwiłaby stworzenie statku kosmicznego na antymaterię. W 2012 roku przedstawiciel The Tauri Group powiedział Space.com, że jest możliwe, że antymateria może zostać użyta za około 40-60 lat.
NASA stworzyła raport z 2010 roku (z pomocą Grupy Tauri i innych) zatytułowany “Technology Frontiers”: Breakthrough Capabilities for Space Exploration”, w którym opisano, jak może działać statek kosmiczny wykorzystujący syntezę jądrową.
Projekt wymaga zastosowania peletek deuteru i trytu (ciężkich izotopów wodoru z jednym lub dwoma neutronami w ich jądrach, w przeciwieństwie do zwykłego wodoru, który nie ma neutronów). Wiązka antyprotonowa zostałaby następnie rozpylona na granulki, które opierałyby się na osadzonej w nich warstwie uranu.
Po uderzeniu antyprotonów w uran, obydwa uległyby zniszczeniu i wytworzyłyby produkty rozszczepienia, które wywołałyby reakcję fuzji. Odpowiednio ukierunkowane, mogłyby spowodować ruch statku kosmicznego.
Źródło:
https://home.cern/science/physics/antimatter [15/05/2020]
https://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/warp/warp.html [15/05/2020]
https://phys.org/news/2016-01-antimatter.html [15/05/2020]