Dziesięć mało znanych faktów dotyczących antymaterii Understand article

Tłumaczenie Ewa Stokłosa. Antymateria stała się inspiracją dla wielu opowieści science fiction, jednak przedstawione w niniejszym artykule, niezwykłe fakty dowodzą, że nie jest ona jedynie domeną twórców fantastyki.

Abstrakcyjna ilustracja
zderzenia
wysokoenergetycznych
cząstek

GiroScience/Shutterstock.com

Profesor Langdon w książce Anioły i demony próbuje uratować Watykan przed bombą z antymaterii. W Star Treku zderzenia materii z antymaterią dostarczyły energii do rozpędzenia statku Enterprise do prędkości szybszej niż światło. Jednak antymateria nie należy jedynie do świata science fiction – choć wspomniane historie są mocno naciągane, to i tak wiele faktów dotyczących antymaterii brzmi zdumiewająco.

1. Antymateria powinna była anihilować z całą materiał we Wszechświecie

Cząstki antymaterii są niemal identyczne ze swoimi materialnymi odpowiednikami z wyjątkiem tego, że mają do nich przeciwny ładunek i spin. Cząstki materii i antymaterii powstają parami, a w momencie spotkania natychmiast ze sobą anihilują pozostawiając po sobie jedynie energię.

Oznacza to, że Wielki Wybuch powinien był stworzyć i zniszczyć równe ilości tych cząstek. Dlaczego więc żyjemy we Wszechświecie zbudowanym niemal całkowicie z materii? Według fizyków stało się tak dlatego, że na każdy miliard (109) cząstek antymaterii pozostała jedna dodatkowa cząstka materii. Fizycy usilnie poszukują przyczyny tej asymetrii.

2. Antymateria jest bliżej niż myślisz

Niewielkie ilości antymaterii nieustannie opadają na Ziemię w postaci promieniowania kosmicznego – energetycznych cząstek z kosmosu. Docierają one do naszej atmosfery z częstotliwością wahającą się od mniej niż jednej cząstki na kilometr kwadratowy na sto lat do ponad 10 000 na metr kwadratowy na sekundę. Naukowcy dostrzegli też dowody na powstawanie antymaterii ponad burzami.

Modele atomów materii i
antymaterii przedstawiające
cząstki oraz odpowiadające
im ładunki

chromatos/Shutterstock.com 

Niektóre źródła antymaterii znajdują się jednak jeszcze bliżej. Na przykład banany uwalniają jeden pozyton – antymaterialny odpowiednik elektronu – co około 75 minut. Dzieje się tak dlatego, że banany zawierają niewielkie ilości potasu 40, naturalnie występującego izotopu tego pierwiastka. Czasem procesowi rozpadu potasu 40 towarzyszy uwolnienie pozytonu.

Nasze ciała również zawierają potas 40, co oznacza, że my też emitujemy pozytony. Antymateria jest jednak anihilowana w momencie kontaktu z materią, więc jej cząstki istnieją bardzo krótko.

3. Ludziom udało się stworzyć zaledwie niewielką ilość antymaterii

Anihilacje materia-antymateria potencjalnie mogą uwolnić ogromne ilości energii. Gram antymaterii może wytworzyć eksplozję porównywalną do wybuchu bomby atomowej.

Naukowcy wytwarzają antymaterię w eksperymentach, jednak udaje jej się wyprodukować bardzo niewiele. Wszystkie antyprotony powstałe w akceleratorze cząstek Fermilab’s Tevatron (obecnie niedziałającym) ważyłyby jedynie 15 nanogramów, a CERN jak dotąd wytworzył 1 nanogram tych cząstek.

Problem leży w wydajności i kosztach produkcji oraz przechowywania antymaterii. Wytworzenie 1 grama antymaterii wymagałoby około 25 biliardów (1015) kilowatogodzin energii i kosztowałoby ponad biliard dolarów.

4. Antymaterię można złapać w pułapkę

Aby badać antymaterię należy zapobiec jej anihilacji z materią. Naukowcom udaje się to dzięki przechowywaniu naładowanych cząstek, takich jak pozytony i antyprotony, w urządzeniach zwanych pułapkami Penninga. Są one podobne do małych akceleratorów. Cząstki poruszają się wewnątrz urządzenia, a pola magnetyczne i elektryczne uniemożliwiają im kolizję ze ścianami pułapki.

Jednak pułapki Penninga nie działają na cząstki o ładunku neutralnym, takie jak antywodór. Cząstki te nie mają ładunku elektrycznego, więc nie mogą zostać uwięzione w polu elektrycznym. Zamiast tego trzymane są w pułapkach Ioffego, które wykorzystują ich magnetyczne właściwości. Pułapki Ioffego wytwarzają obszar, w którym pole magnetyczne zwiększa się we wszystkich kierunkach. Cząstka jest przyciągana do obszaru o najsłabszym polu magnetycznym w taki sam sposób, jak kulka tocząca się po dnie miski w końcu dociera na jej dno.

5. Istnieje prawdopodobieństwo, że antymateria spada w górę

Cząstki antymaterii i materii mają tę samą masę, ale różnią się właściwościami takimi jak ładunek elektryczny i spin. Model Standardowy – teoria, która najlepiej opisuje cząstki i interakcje między nimi – przewiduje, że grawitacja powinna tak samo oddziaływać na materię i antymaterię; jednak nadal nie zostało to zaobserwowane. Dzięki eksperymentom wykonywanym w CERN, takim jak AEGIS, ALPHA czy GBAR, mamy się dowiedzieć jak jest naprawdę. 

Obserwacja wpływu grawitacji na antymaterię nie jest tak prosta, jak obserwacja jabłka spadającego z drzewa. Tego rodzaju eksperymenty muszą utrzymać antymaterię w pułapce lub spowolnić ją obniżając jej temperaturę do niewiele wyższej od zera absolutnego. A ponieważ grawitacja jest najsłabszym z oddziaływań podstawowych, fizycy muszą w tego rodzaju eksperymentach wykorzystywać nienaładowane cząstki antymaterii, aby zapobiec interferencjom z potężniejszymi siłami elektrycznymi.

6. Antymaterię bada się w deceleratorach cząstek

Słyszeliście z pewnością o akceleratorach cząstek, ale czy wiedzieliście, że istnieją też deceleratory? W CERN znajduje się urządzenie zwane deceleratorem antyprotonów, czyli pierścień przechowujący wyłapane przez siebie antyprotony, dzięki czemu badać można ich właściwości i zachowanie.

W kołowych akceleratorach cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów, cząstki dostają zastrzyk energii po każdym pełnym okrążeniu. Deceleratory działają odwrotnie; zamiast otrzymywać porcję energii, cząstki zostają wyhamowane, a ich bieg zostaje spowolniony.

Decelerator antyprotonów w CERNie zmniejsza prędkość antyprotonów, które następnie wykorzystywane są w eksperymentach nad antymaterią.
Maximilien Brice/CERN

7. Neutrina mogą okazać się swoimi własnymi antycząstkami

Cząstka materii i jej odpowiednik antymaterialny mają przeciwne ładunki, co ułatwia ich rozróżnienie. Neutrina – cząstki niemal nieposiadające masy, które rzadko wchodzą w interakcję z materią – nie posiadają ładunku. Naukowcy uważają, że mogą one być cząstkami Majorany, czyli należeć do hipotetycznej grupy cząstek, które są swoimi własnymi antycząstkami.

Aby stwierdzić czy to prawda, naukowcy poszukują zjawiska nazywanego podwójnym bezneutrinowym rozpadem beta. Niektóre z radioaktywnych jąder atomowych rozpadają się uwalniając jednocześnie dwa elektrony i dwa neutrina. Gdyby neutrina były swoimi własnymi antycząstkami, anihilowałyby się wzajemnie zaraz po rozpadzie i naukowcy zaobserwowaliby tylko elektrony.

Odnalezienie neutrin Majorany pomogłoby w wyjaśnieniu asymetrii materia-antymateria. Fizycy wysuwają hipotezę, że neutrina Majorany mogą być masywne lub nie. Niemasywne istnieją dziś, a masywne miałyby istnieć tylko zaraz po Wielkim Wybuchu. Te drugie rozpadłyby się wówczas asymetrycznie, prowadząc do niewielkiego nadmiaru materii, która umożliwiła istnienie Wszechświata.

8. Antymateria wykorzystywana jest w medycynie

Pozytonowa tomografia emisyjna wykorzystuje pozytony to produkcji wysokiej rozdzielczości obrazów ciała. Radioaktywne izotopy emitujące pozytony (jak te, które znaleźć można w bananach) zostają przyłączone do substancji chemicznych, takich jak glukoza, występująca w ciele naturalnie. Związki te wprowadzane są następnie do krwiobiegu, gdzie naturalnie rozpadają się uwalniając pozytony, które następnie napotykają elektrony w ciele. Wówczas cząstki wzajemnie się anihilują wytwarzając promieniowanie gamma, dzięki któremu powstaje obraz ciała. 

Lekarze są już w stanie namierzyć guzy z użyciem precyzyjnych strumieni protonów, które uwalniają energię po tym, jak bezpiecznie przedostaną się przez zdrową tkankę. Jednak naukowcy pracujący nad Antyprotonowym Eksperymentem Komórkowym (ang. Antiproton Cell Experiment, ACE) w CERNie zbadali efektywność i możliwość wykorzystania w tym celu antyprotonów, które niosłyby większą energię. Technika okazała się efektywna w komórkach chomików, jednak badaczom pozostaje jeszcze przeprowadzenie badań na komórkach ludzkich. 

Antyprotonowy Eksperyment Komórkowy (ACE) w CERNie, w którym wiązka cząstek zostaje skierowana do rurki z komórek znajdującej się wewnątrz zbiornika w celu zbadania możliwości wykorzystania antymaterii w leczeniu raka.
Maximilien Brice/CERN

9. Resztki antymaterii nadal mogą ukrywać się w kosmosie

Aby rozwiązać problem asymetrii materia-antymateria naukowcy poszukują antymaterii pozostałej po Wielkim Wybuchu. Jej cząstek szukają przy pomocy Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), detektora cząstek znajdującego się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

AMS posiada pole magnetyczne zaginające tor ruchu cząstek kosmicznych, co oddziela materię od antymaterii. Jego detektory oceniają i identyfikują cząstki przepływające przez urządzenie.

10. Antymateria może napędzać statki kosmiczne

Już niewielka ilość antymaterii mogłaby wytworzyć ogromne pokłady energii, dlatego stała się ona popularnym napędem dla futurystycznych pojazdów w opowieściach z gatunku science fiction.

Napęd rakietowy wykorzystujący antymaterię jest hipotetycznie możliwy, jednak nie posiadamy obecnie technologii pozwalającej na jej masową produkcję lub zebranie wystarczającej ilości jej cząstek. Jeśli któregoś dnia uda nam się znaleźć sposób na wytwarzanie lub zbieranie dużych zapasów antymaterii, wówczas możliwe staną się międzygwiezdne podróże napędzane jej cząstkami.

Podziękowanie

Artykuł został tu zamieszczony za pozwoleniem magazynu Symmetryw1, gdzie został opublikowany po raz pierwszy.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Czasopismo Symmetry oferuje darmowe publikacje online dotyczące fizyki cząstek. Jest tworzone przez Fermi National Accelerator Laboratory oraz SLAC National Accelerator Laboratory w USA. Pierwowzór artykułu znajduje się na  Sstronie Symmetry.

Author(s)

Diana Kwon jest niezależną dziennikarką naukową mieszkającą w Berlinie. Jej artykuły ukazują się zarówno w druku jak i online, w licznych czasopismach, w tym w Scientific American, Quartz oraz New Scientist.


Review

Artykuł poświęcony jest zagadnieniu antymaterii i omawia przykłady tego, jak istotne są antycząstki w naszym życiu oraz jak mogą stać się jeszcze ważniejsze dla naszego społeczeństwa. Autorka przekonuje, że kwestia antymaterii jest bliska naszemu codziennemu życiu i wyjaśnia, w jaki sposób jej cząstki wytwarzane są na ziemi wokół nas jak i przez nas.

Napisany w stylu zachęcającym do dalszej lektury, artykuł jest nie tylko przyczółkiem do tematów związanych z fizyką cząstek, ale może również zostać wykorzystany do nawiązania dyskusji wśród uczniów. Mogą oni rozważać, jak gatunek science fiction powiązany jest z nauką – oraz czy jedno inspiruje drugie – i może on być powiązany z nienaukowymi dyscyplinami jak historia, literatura czy sztuka.


Marco Nicolini jest nauczycielem fizyki, matematyki i astronomii oraz dziennikarzem naukowym związanym z European School of Brussels II w Belgii




License

CC-BY-NC-ND