Δέκα πράγματα που ίσως να μην γνωρίζετε για την αντιύλη Understand article

Μετάφραση από την Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). Η αντιύλη έχει εμπνεύσει πολλές ιστορίες επιστημονικής φαντασίας, αλλά αυτά εδώ τα συναρπαστικά στοιχεία…

Αφηρημένη εικόνα των
σωματιδίων υψηλής
ενέργειας σε σύγκρουση

GiroScience/Shutterstock.com

Στο βιβλίο Άγγελοι και Δαίμονες, ο καθηγητής Langdon προσπαθεί να σώσει την πόλη του Βατικανού από μια βόμβα αντιύλης. Και στο Star Trek, η σύγκρουση ύλης και αντιύλης παρέχει ενέργεια για να ωθήσει το διαστημόπλοιο Enterprise σε ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. Αλλά η αντιύλη δεν είναι μόνο υλικό επιστημονικής φαντασίας – αν και αυτά τα σενάρια είναι παρατραβηγμένα, υπάρχουν όμως αρκετά στοιχεία για την αντιύλη που θα διασκεδάσουν τα εγκεφαλικά σας κύτταρα.

1. Η αντιύλη θα έπρεπε να έχει αφανίσει όλη την ύλη στο Σύμπαν

Τα σωματίδια αντιύλης είναι σχεδόν πανομοιότυπα με τα αντίστοιχα σωματίδια της ύλης, εκτός από το ότι φέρουν το αντίθετο φορτίο και ιδιοστροφορμή. Τα σωματίδια της ύλης και αντιύλης παράγονται ως ζευγάρι και όταν συναντιούνται, αμέσως εξαϋλώνουν το ένα το άλλο, αφήνοντας μόνο ενέργεια πίσω τους.

Αυτό σημαίνει ότι η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) θα έπρεπε να έχει δημιουργήσει και να καταστρέψει ίσες ποσότητες αυτών των σωματιδίων. Επομένως γιατί υπάρχουμε σε ένα Σύμπαν που είναι φτιαγμένο σχεδόν αποκλειστικά από την ύλη; Όσον αφορά τους φυσικούς, αυτό συμβαίνει γιατί τελικά υπήρχε ένα επιπλέον σωματίδιο ύλης για κάθε ένα δισεκατομμύριο (109) ζευγαριών ύλης-αντιύλης,  Οι φυσικοί εργάζονται σκληρά προσπαθώντας να εξηγήσουν αυτή την ασυμμετρία.

2. Η αντιύλη είναι πιο κοντά από όσο νομίζετε

Μικρές ποσότητες αντιύλης πέφτουν συνεχώς σαν βροχή στην Γη με την μορφή κοσμικών ακτίνων – ενεργειακά σωματίδια από το διάστημα. Αυτά τα σωματίδια αντιύλης φτάνουν στην ατμόσφαιρα μας με έναν ρυθμό που κυμαίνεται από λιγότερο από ένα ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά αιώνα ως περισσότερα από 10 000 ανά τετραγωνικό μέτρο ανά δευτερόλεπτο. Οι επιστήμονες έχουν επίσης δει στοιχεία για την παραγωγή αντιύλης πάνω από τις καταιγίδες.

Μοντέλα ατόμων ύλης και
αντιύλης που δείχνουν τα
σωματίδια και τα
αντίστοιχα φορτία τους

chromatos/Shutterstock.com 

Αλλά άλλες πηγές αντιύλης βρίσκονται ακόμη πιο κοντά μας. Για παράδειγμα, οι μπανάνες απελευθερώνουν ένα ποζιτρόνιο – το ισοδύναμο αντιύλης ενός ηλεκτρονίου –  περίπου κάθε 75 λεπτά. Αυτό συμβαίνει γιατί οι μπανάνες περιέχουν μια μικρή ποσότητα καλίου-40, ενός ισότοπου του καλίου που υπάρχει στην φύση. Καθώς το κάλιο-40 διασπάται, περιστασιακά αποβάλλει ένα ποζιτρόνιο κατά την διαδικασία.

Τα σώματα μας περιέχουν επίσης κάλιο-40, που σημαίνει ότι και από εμάς εκπέμπονται ποζιτρόνια. Η αντιύλη εξαϋλώνεται αμέσως μόλις έρθει σε επαφή με την ύλη, και έτσι αυτά τα σωματίδια αντιύλης έχουν μικρή διάρκεια ζωής.

3. Οι άνθρωποι έχουν δημιουργήσει μόνο ένα ελάχιστο ποσό αντιύλης

Οι εξαϋλώσεις ύλης-αντιύλης έχουν την δυνατότητα να απελευθερώνουν ένα τεράστιο ποσό ενέργειας. Ένα γραμμάριο αντιύλης θα μπορούσε να προκαλέσει μια έκρηξη μεγέθους πυρηνικής βόμβας.    

Οι επιστήμονες δημιουργούν αντιύλη για να την μελετήσουν σε πειράματα, αλλά το ποσό που παράγεται είναι ασήμαντο. Όλα τα αντιπρωτόνια που δημιουργήθηκαν στον επιταχυντή σωματιδίων Tevatron του Fermilab (τώρα ανενεργό) αθροίζονται σε μόλις 15 νανογραμμάρια, και του CERN μέχρι τώρα φτάνουν σε περίπου 1 νανογραμμάριο.

Το πρόβλημα βρίσκεται στην αποδοτικότητα και το κόστος της παραγωγής και αποθήκευσης της αντιύλης. Η παραγωγή 1 γραμμαρίου αντιύλης θα απαιτούσε περίπου 25 εκατομμύρια δισεκατομμύρια (1015) κιλοβατώρες ενέργειας και θα κόστιζε πάνω από ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια αμερικανικά δολάρια.

4. Υπάρχει κάτι τέτοιο όπως μια παγίδα αντιύλης

Για να μελετήσεις την αντιύλη, πρέπει να την εμποδίσεις να εξαϋλωθεί από την ύλη. Οι επιστήμονες το πετυχαίνουν δεσμεύοντας τα φορτισμένα σωματίδια, όπως τα ποζιτρόνια και τα αντιπρωτόνια, σε συσκευές που ονομάζονται παγίδες Penning. Αυτές οι παγίδες είναι συγκρίσιμες με μικροσκοπικούς επιταχυντές. Μέσα τους, τα σωματίδια περιελίσσονται καθώς τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία τα εμποδίζουν να συγκρουστούν με τους τοίχους της παγίδας.

Αλλά οι παγίδες Penning δεν λειτουργούν σε ουδέτερα σωματίδια όπως τα αντιυδρογόνα. Επειδή δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, αυτά τα σωματίδια δεν μπορούν να περιοριστούν από τα ηλεκτρικά πεδία. Αντ’ αυτού, δεσμεύονται με παγίδες Ioffe, που εκμεταλλεύονται τις μαγνητικές ιδιότητες του σωματιδίου. Οι παγίδες Ioffe λειτουργούν δημιουργώντας μια περιοχή του χώρου όπου το μαγνητικό πεδίο γίνεται μεγαλύτερο σε όλες τις κατευθύνσεις. Το σωματίδιο προσελκύεται από την περιοχή με το ασθενέστερο μαγνητικό πεδίο, όπως ακριβώς μια μπίλια που κινείται μέσα σε ένα μπολ και τελικά φτάνει στον πάτο.

5. Η αντιύλη μπορεί να  «πέφτει» προς τα πάνω

Τα σωματίδια της αντιύλης και της ύλης έχουν την ίδια μάζα αλλά διαφέρουν στις ιδιότητες όπως το ηλεκτρικό φορτίο και την στροφορμή. To Καθιερωμένο Πρότυπο – η θεωρία που περιγράφει καλύτερα τα σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους – προβλέπει ότι η βαρύτητα θα έπρεπε να έχει την ίδια επίδραση στην ύλη και την αντιύλη· ωστόσο αυτό δεν το έχουμε δει ακόμη. Πειράματα στο CERN, όπως τα AEGIS, ALPHA και GBAR, προσπαθούν να το δουν.

Η παρατήρηση της επίδρασης της βαρύτητας στην αντιύλη δεν είναι τόσο εύκολη όπως παρακολουθώντας ένα μήλο να πέφτει από ένα δέντρο. Αυτά τα πειράματα θα πρέπει να κρατούν την αντιύλη σε μια παγίδα η να την επιβραδύνουν με το να την ψύχουν σε θερμοκρασίες λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Και επειδή η βαρύτητα είναι η ασθενέστερη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, οι φυσικοί θα πρέπει να χρησιμοποιήσουν αφόρτιστα σωματίδια αντιύλης σε αυτά τα πειράματα για να εμποδίσουν την παρεμβολή από την πιο ισχυρή ηλεκτρική δύναμη.

6. Η αντιύλη μελετάται σε επιβραδυντές σωματιδίων    

Έχετε ακούσει για τους επιταχυντές σωματιδίων, αλλά γνωρίζατε ότι υπάρχουν και επιβραδυντές σωματιδίων; Το CERN στεγάζει μια μηχανή που ονομάζεται ο επιβραδυντής αντιπρωτονίων, ένας δακτύλιος αποθήκευσης που μπορεί να συλλάβει και να επιβραδύνει αντιπρωτόνια για να μελετήσουμε τις ιδιότητες τους και την συμπεριφορά τους. 

Στους κυκλικούς επιταχυντές σωματιδίων όπως τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, τα σωματίδια παίρνουν μια ώθηση ενέργειας κάθε φορά που συμπληρώνουν μια περιστροφή. Οι επιβραδυντές λειτουργούν αντίστροφα· αντί για μια ενεργειακή τόνωση, τα σωματίδια έχουν μια ώθηση προς τα πίσω για να επιβραδύνεται η ταχύτητα τους.

Ο επιβραδυντής αντιπρωτονίων στο CERN επιβραδύνει τα αντιπρωτόνια πριν να τα στείλει σε διάφορα πειράματα που μελετούν την αντιύλη.
Maximilien Brice/CERN

7. Τα νετρίνα μπορεί να είναι τα δικά τους αντισωματίδια

Ένα σωματίδιο ύλης και το ζευγάρι του της αντιύλης φέρουν αντίθετα φορτία, και έτσι μπορεί κανείς να τα ξεχωρίσει εύκολα. Τα νετρίνα – σωματίδια με σχεδόν μηδενική μάζα που σπάνια αλληλεπιδρούν με την ύλη – δεν έχουν κανένα φορτίο. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να είναι σωματίδια Majorana, μια υποθετική κατηγορία σωματιδίων που είναι τα δικά τους αντισωματίδια.

Για να διαπιστωθεί αν συμβαίνει αυτό, οι επιστήμονες ψάχνουν για μια συμπεριφορά που ονομάζεται  διπλή-βήτα διάσπαση χωρίς νετρίνα. Μερικοί ραδιενεργοί πυρήνες διασπώνται ταυτόχρονα, απελευθερώνοντας δύο ηλεκτρόνια και δύο νετρίνα. Αν τα νετρίνα ήταν τα δικά τους αντισωματίδια, τότε θα εξαΰλωναν το ένα το άλλο ως επακόλουθο της διπλής διάσπασης, και οι επιστήμονες θα παρατηρούσαν μόνο ηλεκτρόνια.

Η εύρεση νετρίνων Majorana θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγήσουμε γιατί υπάρχει η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης. Οι φυσικοί υποθέτουν ότι τα νετρίνα Majorana μπορεί να είναι είτε βαριά είτε ελαφριά. Τα ελαφριά υπάρχουν σήμερα, και τα βαριά θα μπορούσε να υπήρχαν μόνο αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Αυτά τα βαριά νετρίνα Majorana μπορεί να είχαν διασπαστεί ασύμμετρα, οδηγώντας σε αυτό το ελάχιστο πλεόνασμα ύλης που επέτρεψε στο Σύμπαν μας να υπάρχει.

8. Η αντιύλη χρησιμοποιείται στην ιατρική

Η τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων χρησιμοποιεί ποζιτρόνια για να παράγει εικόνες υψηλής ανάλυσης του σώματος. Τα ραδιενεργά ισότοπα που εκπέμπουν ποζιτρόνια (όπως αυτά που βρίσκονται στις μπανάνες) συνδέονται με χημικές ουσίες, όπως η γλυκόζη, που χρησιμοποιούνται φυσικά από το σώμα. Αυτές οι ενώσεις μπαίνουν στην κυκλοφορία του αίματος, όπου φυσικά διασπώνται, απελευθερώνοντας ποζιτρόνια που συναντούν ηλεκτρόνια στο σώμα. Αυτά τα σωματίδια εξαϋλώνουν το ένα το άλλο, παράγοντας ακτίνες-γ που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εικόνων.

Οι γιατροί μπορούν ήδη να στοχεύουν όγκους με ακριβείς δέσμες πρωτονίων που απελευθερώνουν την ενέργεια τους μόνο αφού περάσουν με ασφάλεια μέσα από τους υγιείς ιστούς. Αλλά οι επιστήμονες που εργάζονται στο πείραμα κυττάρων με αντιπρωτόνια (ACE) του CERN μελέτησαν την αποτελεσματικότητα και καταλληλότητα της χρήσης αντιπρωτονίων αντί των πρωτονίων, η οποία προσθέτει μια επιπλέον έκρηξη ενέργειας. Αυτή η τεχνική αποδείχθηκε αποτελεσματική στα κύτταρα των χάμστερ, αλλά οι ερευνητές δεν έχουν πραγματοποιήσει ακόμη μελέτες στα ανθρώπινα κύτταρα.

Στο πείραμα κυττάρων με αντιπρωτόνια (ACE) του CERN, μια δέσμη σωματιδίων μπαίνει σε έναν σωλήνα κυττάρων στο κέντρο μιας δεξαμενής για να εξετάσουμε την χρήση της αντιύλης για την αντιμετώπιση του καρκίνου.
Maximilien Brice/CERN

9. Απομεινάρια της αντιύλης μπορεί ακόμη να παραμονεύουν στο διάστημα

Για να λύσουμε το πρόβλημα της ασυμμετρίας της αντιύλης-ύλης, οι επιστήμονες ψάχνουν για αντιύλη που έχει εναπομείνει από την Μεγάλη Έκρηξη. Ψάχνουν για αυτά τα σωματίδια χρησιμοποιώντας τον άλφα μαγνητικό φασματογράφο (AMS), έναν ανιχνευτή σωματιδίων στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό.

Ο AMS περιέχει μαγνητικά πεδία που κάμπτουν την διαδρομή των κοσμικών σωματιδίων για να διαχωρίσουν την ύλη από την αντιύλη. Οι ανιχνευτές του αξιολογούν και αναγνωρίζουν τα σωματίδια καθώς περνούν από τα μαγνητικά πεδία.

10. Η αντιύλη θα μπορούσε να τροφοδοτήσει διαστημόπλοια

Μόνο μια χούφτα αντιύλης θα μπορούσε να παράγει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας, καθιστώντας το ένα δημοφιλές καύσιμο για μελλοντικά οχήματα στην επιστημονική φαντασία.

Η προώθηση πυραύλων αντιύλης είναι υποθετικά εφικτή, αλλά δεν υπάρχει προς το παρόν η τεχνολογία για την μαζική παραγωγή η την συλλογή αντιύλης στον απαιτούμενο όγκο. Κάποτε, αν μπορέσουμε να βρούμε έναν τρόπο να δημιουργήσουμε η να συλλέξουμε αρκετή αντιύλη, το διαστρικό ταξίδι που προωθείται από την αντιύλη θα μπορούσε να γίνει πραγματικότητα.

Ευχαριστίες

Αυτό το άρθρο αναπαράγεται με την ευγενική άδεια του περιοδικού Symmetryw1, στο οποίο δημοσιεύθηκε αρχικά.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Το περιοδικό Symmetry είναι μια δωρεάν ηλεκτρονική έκδοση που καλύπτει την φυσική σωματιδίων. Δημοσιεύεται από κοινού από το Fermi National Accelerator Laboratory και το SLAC National Accelerator Laboratory, ΗΠΑ. Για να δείτε το πρωτότυπο άρθρο, μπορείτε να επισκεφτείτε την ιστοσελίδα του Symmetry.

Author(s)

Η Diana Kwon είναι ανεξάρτητη δημοσιογράφος επιστήμης που έχει την βάση της στο Βερολίνο, Γερμανία. Η δουλειά της έχει εμφανιστεί και στον έντυπο τύπο και στο διαδίκτυο σε πολλές εκδόσεις συμπεριλαμβανομένων και των Scientific American, Quartz και New Scientist.


Review

Το άρθρο παρέχει μια καλή εικόνα της αντιύλης, δίνοντας παραδείγματα για το πώς τα αντισωματίδια είναι σημαντικά στις ζωές μας και πως μπορούν να γίνουν ακόμη πιο σημαντικά για την κοινωνία μας. Προσπαθεί να φέρει την αντιύλη πιο κοντά στην καθημερινή μας ύπαρξη, δείχνοντας πως παράγονται τα μικρά αντισωματίδια στην Γη γύρω μας, και ακόμη και από εμάς.

Γραμμένο σε ένα στυλ που διεγείρει την περαιτέρω έρευνα, το άρθρο όχι μόνο προσφέρει ένα καλό σημείο εκκίνησης για θέματα σχετικά με την φυσική σωματιδίων, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να δώσει έναυσμα για συζητήσεις ανάμεσα στους μαθητές. Οι μαθητές μπορούν να εξετάσουν πως αλληλεπιδρούν η επιστημονική φαντασία και η επιστήμη – και ποια προβλέπει την άλλη – και το άρθρο μπορεί να συνδεθεί με μη-επιστημονικά πεδία όπως την ιστορία, την λογοτεχνία και την τέχνη.


Marco Nicolini, καθηγητής φυσικής, μαθηματικών και αστρονομίας, δημοσιογράφος επιστήμης, Ευρωπαϊκό Σχολείο των Βρυξελλών ΙΙ, Βέλγιο




License

CC-BY-NC-ND