PROTON
+ PION
Kosmiczna
antymateria
AntyczÄ…stki wyst´pujÄ… rzadko
 PION
i niezwykle trudno je zaobserwowaç.
MogÄ… byç jednak kluczem
do zagadek astrofizyki
Gregory Tarlé i Simon P. Swordy PROTON
1928 roku angielski fizyk
P. A. M. Dirac przewidzia" ist-
Wnienie antymaterii. Twierdzi",
PROTON
Że kaŻdej zwyk"ej cząstce elementarnej
odpowiada antyczÄ…stka o tej samej ma-
sie, lecz przeciwnym "adunku. Anty-
czÄ…stki  postulowa"  mogÄ… si´ "Ä…czyç,
tworzÄ…c antyatomy, a te z kolei stano-
wiÄ… sk"adniki antymaterialnych odpo-
wiedników obiektów wyst´pujÄ…cych we
WszechĘwiecie, czyli antygwiazd, anty-
galaktyk, a nawet antyludzi. Co wi´cej,
PROTON
gdy czÄ…stka materialna zderzy si´ z an-
tyczÄ…stkÄ…, dochodzi do ich anihilacji
i wytworzenia wysokoenergetycznego
promieniowania gamma. JeĘli wi´c cz"o-
wiek i antycz"owiek uĘcisn´liby sobie r´-
ce, to eksplozja, która nastąpi"aby w wy-
PROTON
niku tego gestu, równa"aby si´ sile
wybuchu 1000 megatonowych bomb jÄ…-
ANTYPROTON
drowych, z których kaŻda wystarczy"a-
by do zniszczenia niewielkiego miasta.
By"a to niezwyk"a hipoteza. Teoria Di-
raca potwierdzona zosta"a doĘwiadczal-
nie juŻ cztery lata póęniej, kiedy Carl D.
Anderson, fizyk pracujÄ…cy w California
GWA¸TOWNE ZDERZENIA PROTONÓW przyspieszanych
Institute of Technology, zaobserwowa"
przez fale uderzeniowe powsta"e w wyniku wybuchu super-
pierwszÄ… antyczÄ…stk´. StosujÄ…c komor´
nowych tworzÄ… wi´kszoĘç antymaterii, którÄ… dziĘ obserwujÄ…
kondensacyjnÄ… do badania promieni ko-
naukowcy. Niektóre zderzenia prowadzą do deszczu pozyto-
smicznych  wysokoenergetycznych czÄ…-
nów, elektronów i innych cząstek (u góry), a w najbardziej ener-
getycznych zderzeniach generujÄ… si´ antyprotony (na dole). steczek bombardujÄ…cych Ziemi´ z prze-
30 ÂWIAT NAUKI Czerwiec 1998
ALFRED T. KAMAJIAN
NEUTRINO
detektory zainstalowane na podobnych Ęruba musi zostaç zwaÅ»ona w celu roz-
ANTYNEUTRINO
balonach s"uŻą z kolei do obserwacji an- strzygni´cia, czy jest to Ęruba proton,
typrotonów. W fazie projektowania są czy teŻ Ęrubka pozyton. Na dodatek
bardziej ambitne eksperymenty, na waÅ»enie musi byç bardzo dok"adne. Je-
przyk"ad detekcja kosmicznej antyma- Ęli bowiem jedna na 1000 Ęrub proto-
+MION
terii z pok"adów balonów o d"ugim cza- nów zosta"aby przez pomy"k´ uznana
POZYTON
sie lotu czy teÅ» sztucznych satelitów Zie- za Ęrubk´ pozyton, to efektem takiego
mi. Wyniki tych doĘwiadczeł
powinny b"´du by"aby podwojona liczba zaob-
wiele powiedzieç na temat Ä™róde" anty- serwowanych pozytonów.
materii we WszechĘwiecie, a nawet roz- B"ąd pomiarowy aparatury HEAT wy-
NEUTRINO
strzygnÄ…ç, czy istniejÄ… antygwiazdy i an- nosi mniej niÅ» jeden na 100 tys. odczy-
tygalaktyki. tów. W celu identyfikacji pozytonów
Astrofizycy przypuszczajÄ…, Å»e wi´k- w przyrzÄ…dzie wykorzystano nadprze-
szoĘç antyczÄ…stek obserwowanych wodzÄ…ce magnesy i zestaw detektorów.
ANTYNEUTRINO
w górnych warstwach atmosfery po- Promieł
kosmiczny wnika do urzÄ…dze-
wsta"a w wyniku gwa"townych zderzeł
nia przez otworek zbierajÄ…cy, a nadprze-
czÄ…stek elementarnych w przestrzeni wodzÄ…cy magnes odchyla nast´pnie
mi´dzygwiezdnej. Proces ten rozpoczy- ujemnie na"adowane elektrony w jed-
na si´, gdy pole magnetyczne fali ude- nym kierunku, zaĘ dodatnio na"adowa-
rzeniowej powsta"ej w wyniku wybu- ne protony i pozytony  w drugim. De-
chu gwiazdy supernowej przyspiesza tektory mierzÄ… "adunek i kierunek ruchu
ELEKTRON
protony i ci´Å»sze jÄ…dra atomowe do kaÅ»dej czÄ…stki oraz jej odchylenie w po-
 MION ogromnych pr´dkoĘci. Kiedy jÄ…dro ta- lu magnetycznym. Ten ostatni pomiar
kie, b´dÄ…ce niezwykle wysokoenerge- s"uÅ»y do odróŻnienia protonów od po-
tycznym promieniem kosmicznym, zde- zytonów: poniewaÅ» protony sÄ… ci´Å»sze,
rza si´ z innÄ… czÄ…stkÄ…, cz´Ä˜ç energii poruszajÄ… si´ po torach mniej zakrzywio-
NEUTRINO wydzielonej w wyniku zderzenia moÅ»e nych niÅ» pozytony o tej samej pr´dkoĘci.
zostaç spoÅ»ytkowana na kreacj´ pary OĘrodek balonów naukowych NASA
cząstka antycząstka. wypuĘci" pierwszy próbnik HEAT w ro-
ANTYNEUTRINO
ku 1994 z bazy w Nowym Meksyku.
Kube" i Ęrubki Choç urzÄ…dzenie waÅ»y"o blisko 2300 kg,
wielki wype"niony helem balon wyniós"
W wyniku niektórych zderzeł
two- je na wysokoĘç 37 tys. m, czyli w górne
rzÄ… si´ pary pionów  niestabilnych 0.5% atmosfery ziemskiej. HEAT pro-
czÄ…stek, które szybko rozpadajÄ… si´ na wadzi" badania promieni kosmicznych
strzeni kosmicznej  Anderson zauwa- pozytony, elektrony, neutrina i anty- przez 32 godziny, a nast´pnie opuszczo-
Å»y" Ęlad czÄ…stki o takiej samej masie jak neutrina. Zderzenia o najwi´kszych ny na spadochronie mi´kko wylÄ…dowa"
elektron, ale o przeciwnym (tzn. dodat- energiach, w których cząstki poruszają w Teksasie. Ponownie NASA wypuĘci-
nim) "adunku. CzÄ…stka ta, zwana pozy- si´ z pr´dkoĘciÄ… równÄ… niemal pr´dko- "a próbnik HEAT z bazy w stanie Ma-
tonem, jest odpowiednikiem antymate- Ęci Ęwiat"a, prowadzą do powstania par nitoba w Kanadzie. Ten drugi lot
rii w przypadku elektronu. Znacznie protonów i antyprotonów. Proces taki pozwoli" na obserwacj´ pozytonów
trudniejsze okaza"o si´ zaobserwowanie to odwrotnoĘç anihilacji materii i anty- o niÅ»szej energii, które mogÄ… penetro-
antyprotonów, ale w 1955 roku fizycy materii: energia zamienia si´ w materi´, waç ziemskie pole magnetyczne jedy-
z Lawrence Berkeley Laboratory uÅ»yli a nie  materia w energi´. nie w pobliÅ»u pó"nocnego i po"udnio-
akceleratora, aby je wyprodukowaç. Okazuje si´, Å»e w zderzeniach zacho- wego bieguna magnetycznego.
W 1995 roku naukowcom z CERN, Eu- dzÄ…cych w przestrzeni mi´dzygwiezd- Wyniki uzyskane w czasie tych
ropejskiego Laboratorium Fizyki CzÄ…- nej powstaje stosunkowo niewiele an- pierwszych dwóch lotów okaza"y si´ in-
stek pod GenewÄ…, uda"o si´  "Ä…czÄ…c tyczÄ…stek. W promieniach kosmicznych trygujÄ…ce. Liczba niskoenergetycznych
w akceleratorze czÄ…stek antyprotony obserwowanych przez aparatur´ HEAT pozytonów zaobserwowanych przez
z pozytonami  na chwil´ utworzyç liczba czÄ…stek by"a zdecydowanie wi´k- HEAT zbliÅ»ona by"a do oczekiwanej
atom antywodoru. sza niÅ» antyczÄ…stek. Úeby zrozumieç, jak liczby tych czÄ…stek produkowanych
W ostatnich latach naukowcy zbudo- trudno zaobserwowaç antymateri´, wy- w zderzeniach w przestrzeni mi´dzy-
wali skomplikowane detektory s"uŻące obraęmy sobie kube" pe"en stalowych gwiezdnej. Natomiast zaobserwowano
do detekcji antyczÄ…stek w promieniowa- Ęrubek. Sto z nich nagwintowanych jest wi´cej pozytonów o wysokiej energii niÅ»
niu kosmicznym. PoniewaÅ» promienie normalnie, czyli prawoskr´tnie (co od- przewidywano. NadwyÅ»ka ta nie jest
kosmiczne niszczone sÄ… w wyniku zde- powiada ujemnie na"adowanym elek- zbyt duÅ»a i moÅ»e wynikaç z ledwo
rzeł
z jÄ…drami czÄ…steczek powietrza, de- tronom w promieniowaniu kosmicz- uchwytnego b"´du. JeĘli jednak rzeczy-
tektory te wynosi si´ do rzadszych nym), a dziesi´ç  lewoskr´tnie: to wiĘcie wyst´puje, oznacza to, Å»e w ko-
warstw atmosfery. Obaj wspó"pracuje- dodatnie pozytony. W promieniowaniu smosie istnieje dodatkowe ęród"o wy-
my przy jednym z takich eksperymen- kosmicznym wyst´pujÄ… równieÅ» proto- sokoenergetycznych pozytonów. Byç
tów, nazwanym HEAT (High Energy ny, które są na"adowane dodatnio jak moŻe są to hipotetyczne s"abo oddzia-
Antimatter Telescope  Teleskop do Ob- pozytony, ale duÅ»o od nich ci´Å»sze. "ujÄ…ce masywne czÄ…stki okreĘlane akro-
serwacji Wysokoenergetycznej Antyma- W naszym przyk"adzie z wyimagino- nimem WIMP (weakly interacting mas-
terii), który unoszony za pomocą balo- wanym kub"em i Ęrubkami odpowiada- sive particle).
nów stratosferycznych bada pozytony jÄ… one 2000 razy ci´Å»szym lewoskr´tnym Istnienie tych czÄ…stek pozwoli"oby
w promieniowaniu kosmicznym. Inne Ęrubom. Tak wi´c kaÅ»da lewoskr´tna rozwiÄ…zaç nurtujÄ…cy kosmologów pro-
ÂWIAT NAUKI Czerwiec 1998 31

PROMIENIOWANIE KOSMICZNE
Detektory stratosferyczne
POZYTON
alon wype"niony helem wynosi HEAT (Teleskop do Obserwacji Wysoko-
Benergetycznej Antymaterii) w wyŻsze warstwy atmosfery (poniŻej). Gdy
ELEKTRON PROTON
promienie kosmiczne wpadną przez otworek zbierający, zestaw detektorów
okreĘli, które z nich sÄ… pozytonami. Jeden z autorów (Tarlé) pozuje na tle de-
tektora HEAT po zakoł
czeniu jego pierwszego lotu.
PROMIENIE X
WYPE¸NIONY HELEM
BALON STRATOSFERYCZNY
143 METRY
(MAKSIMUM)
a
WARSTWA
Z W¸Ã“KNA
POLIETYLENOWEGO
MAGNES
b
c
DETEKTOR HEAT
DESZCZ
CZŃSTEK
blem  ciemnej materii . Astrofizycy trudniejszym do uchwycenia "upem  ratury. Úeby zapewniç wystarczajÄ…cÄ…
wierzÄ…, Å»e obserwowane obroty galak- antyprotonem. Antyprotony wyst´pujÄ… czu"oĘç odczytu, detektory muszÄ… mieç
tyk wokó" osi t"umaczy fakt, iÅ» sÄ…  za- jeszcze rzadziej niÅ» pozytony, poniewaÅ» dok"adnoĘç rz´du jeden na milion.
nurzone w ob"oku ciemnej materii, sÄ… prawie 2000 razy ci´Å»sze, a wi´c do
której nie da si´ wykryç za pomocÄ… ich wytworzenia potrzeba znacznie wi´- W poszukiwaniu antyĘwiatów
dost´pnej aparatury badawczej. CzÄ…st- cej energii. Protony w przestrzeni mi´-
ki WIMP by"yby dobrym kandydatem dzygwiezdnej muszÄ… mieç pr´dkoĘç po- Pierwsze zakrojone na szerokÄ… skal´
na sk"adnik ciemnej materii, poniewaÅ» wyÅ»ej 99% pr´dkoĘci Ęwiat"a, aby poszukiwania wi´kszych fragmentów
nie emitujÄ… Ęwiat"a ani teÅ» promienio- w wyniku ich zderzenia mog"a powstaç kosmicznej antymaterii zainicjowa" w la-
wania elektromagnetycznego w Å»adnej para proton antyproton. tach szeĘçdziesiÄ…tych amerykaÅ‚
ski fi-
innej postaci. JeĘli istniejÄ… i ich g´stoĘç Dzi´ki detektorom antymaterii, takim zyk Luis W. Alvarez. Próbowa" on zna-
jest taka, jak przewidujÄ… modele teore- jak IMAX (Isotope Matter Antimatter leÄ™ç w promieniowaniu kosmicznym
tyczne, to zderzenia mi´dzy nimi pro- Experiment  Izotopowe Badanie Ma- ci´Å»kie antyczÄ…stki, takie jak jÄ…dra an-
wadzÄ… do powstania duÅ»ej iloĘci wyso- terii i Antymaterii) czy teÅ» BESS (Balloon- tyhelu czy antyw´gla. W przeciwieÅ‚
-
koenergetycznych pozytonów. Proces -borne Experiment with Superconduc- stwie do pozytonów i antyprotonów te
ten wyjaĘnia"by zatem nadwyÅ»k´ pozy- ting Solenoidal Spectrometer  Balonowy ci´Å»kie antyczÄ…stki sÄ… zbyt masywne,
tonów obserwowanÄ… przez HEAT. Úe- Eksperyment z NadprzewodzÄ…cym aby mog"y powstaç w wyniku zderzeÅ‚

by jednak zweryfikowaç hipotez´ ist- Spektrometrem Solenoidalnym) stwier- zachodzÄ…cych w przestrzeni mi´dzy-
nienia czÄ…stek WIMP, zarówno ten, dzono, Å»e w deszczu promieniowania gwiezdnej. Tak wi´c odkrycie jÄ…dra an-
jak i inne detektory muszÄ… potwier- kosmicznego wyst´puje co najwyÅ»ej je- tyhelu dowodzi"oby, Å»e cz´Ä˜ç antymate-
dziç wst´pne obserwacje z wi´kszÄ… den antyproton na kaÅ»de 10 tys. proto- rii powsta"ej tuÅ» po Wielkim Wybuchu
dok"adnoĘcią. nów. PoniewaŻ antycząstki te są wyjąt- przetrwa"a we WszechĘwiecie do dziĘ.
W czasie kiedy my polowaliĘmy na kowo rzadkie, naukowcy powinni je Obserwacyjne potwierdzenie istnienia
pozytony w promieniowaniu kosmicz- szczególnie precyzyjnie obserwowaç, jÄ…der antyw´gla lub antytlenu oznacza-
nym, inni naukowcy gonili za znacznie aby wykluczyç fa"szywe odczyty apa- "oby, Å»e istniejÄ… antygwiazdy, albowiem
32 ÂWIAT NAUKI Czerwiec 1998
ALFRED T. KAMAJIAN
serwowano, Ęwiadczy, Że w naszej Ga- stek. W przeprowadzonych ostatnio eks-
laktyce nie istniejÄ… antygwiazdy; podob- perymentach zbadano miliony promieni
nie jak nie ma antygalaktyk w naszej gro- kosmicznych. Pomimo tych wysi"ków nie
madzie galaktyk. uda"o si´ zaobserwowaç antyczÄ…stek ci´Å»-
CóŻ moÅ»na jednak powiedzieç o szych od antyprotonów.
obiektach bardziej od nas odleg"ych? Byç Byç moÅ»e odleg"e antygalaktyki emi-
moÅ»e WszechĘwiat zawiera odizolowa- tujÄ… ci´Å»kie antyczÄ…stki, ale pole ma-
ne antygalaktyki, bardzo oddalone od gnetyczne w przestrzeni mi´dzygalak-
galaktyk zbudowanych ze zwyk"ej mate- tycznej nie pozwala im dotrzeç do
rii. W ciÄ…gu ostatniej dekady astronomo- Ziemi. Najnowsze badania promienio-
wie przeprowadzili szeroko zakrojone wania synchrotronowego przechodzÄ…-
badania rozk"adu galaktyk odleg"ych na- cego przez gromady galaktyk wykaza"y,
wet o miliard lat Ęwietlnych. Uda"o si´ Å»e pole magnetyczne wewnÄ…trz tych gro-
im wykazaç, Å»e nie istniejÄ… odizolowane mad jest rz´du jednej milionowej nat´Å»e-
obszary, które mog"yby byç zbudowane nia ziemskiego pola magnetycznego.
z antymaterii. Przeciwnie, z badał
tych A poniewaÅ» pola takie rosnÄ… zapewne
wy"oni" si´ obraz paj´czyny gromad ga- tysiÄ…ckrotnie w trakcie tworzenia si´ gro-
laktyk otaczającej niczym olbrzymia bał
- mad, astrofizycy wnioskują, Że pole ma-
Cz´Ä˜ç a jest detektorem promieniowania
ka mydlana wielkie obszary pustej prze- gnetyczne w przestrzeni pomi´dzy od-
zbudowanym z u"oŻonych kolejno warstw
strzeni. JeĘliby znaczÄ…ca cz´Ä˜ç Wszech- leg"ymi galaktykami ma nat´Å»enie oko"o
w"ókna polietylenowego. Przelatujące przez
nie elektrony i pozytony wytwarzają pro- Ęwiata zbudowana by"a z antymaterii, jednej miliardowej pola ziemskiego.
mienie X, przelatujÄ…ce zaĘ protony o tej sa- obszary wspólnego wyst´powania ma- ChociaÅ» pole o takim nat´Å»eniu by"o-
mej energii dają duŻo s"abszy efekt.
terii i antymaterii juÅ» we wczesnych eta- by zbyt s"abe, aby poruszyç ig"´ kom-
pach ewolucji WszechĘwiata wytworzy- pasu, mia"oby ono znaczny wp"yw na
Cz´Ä˜ç b to spektrometr magnetyczny, w
"yby olbrzymiÄ… iloĘç promieniowania antyczÄ…stk´ pokonujÄ…cÄ… w d"ugim cza-
którym nadprzewodzące magnesy od-
gamma. Astronomowie nie odkryli jed- sie ogromne dystanse w przestrzeni
chylajÄ… promienie kosmiczne. Elektrony
skr´cajÄ… w jednym kierunku, pozytony i pro- nak Å»adnej "uny, która musia"aby pozo- mi´dzygalaktycznej. Jej tor zakrzywio-
tony natomiast w drugim. Tor pozytonów
staç po tym gwa"townym procesie. JeĘli ny zosta"by do postaci helisy o promie-
jest bardziej zakrzywiony niŻ tor protonów
wi´c antygalaktyki w ogóle istniejÄ…, to niu zaledwie kilku lat Ęwietlnych opla-
o tej samej pr´dkoĘci, co pozwala odróŻniç
muszÄ… si´ znajdowaç poza zasi´giem na- tajÄ…cej jednÄ… z linii si" pola magne-
jedne od drugich.
szych najlepszych teleskopów, w odle- tycznego. Astrofizycy nie są zgodni co
Cz´Ä˜ç c to elektromagnetyczny kalorymetr g"oĘci co najmniej kilku miliardów lat do orientacji tego pola magnetycznego
zbudowany z plastikowych p"yt oddzielo- Ęwietlnych. w przestrzeni mi´dzygalaktycznej. Jed-
nych od siebie cienkimi warstwami o"owiu.
Co wi´cej, wspó"czesna kosmologia ni twierdzÄ…, Å»e jest to pole koherentne,
Kiedy elektrony i pozytony uderzajÄ… w war-
t"umaczy, dlaczego WszechĘwiat zbudo- takie jak w pobliŻu zwyk"ego magnesu
stw´ o"owiu, generujÄ… deszcz czÄ…stek, któ-
wany jest niemal wy"ącznie ze zwyk"ej sztabkowego; inni uwaŻają, Że jest ono
re z kolei wytwarzają b"yski Ęwiat"a w pla-
materii. Wed"ug powszechnie przyj´tych niezwykle  poplÄ…tane . JeĘli ta druga
stikowych p"ytach. Wi´kszoĘç protonów
teorii podczas Wielkiego Wybuchu po- hipoteza jest prawdziwa, to antyczÄ…st-
swobodnie przelatuje przez kalorymetr.
wsta"a drobna nadwyÅ»ka materii nad an- ki nie mogÄ… przelecieç zbyt daleko
tymateriÄ…. Wynika to z obserwowanej w okreĘlonym kierunku. B´dÄ… si´ odbi-
nieznacznej asymetrii praw fizyki, zwa- ja"y przypadkowo pomi´dzy w´ze"ka-
w´giel i wszystkie ci´Å»sze pierwiastki nej "amaniem symetrii CP. Na kaÅ»de 30 mi linii si" pola. Ich ruch moÅ»na porów-
powstajÄ… jedynie w jÄ…drach gwiazd. mld utworzonych wówczas antyczÄ…stek naç do w´drówki pijaka usi"ujÄ…cego
Wi´kszoĘç astrofizyków odnosi si´ pojawi"o si´ równoczeĘnie 30 mld i jedna wróciç z baru do oddalonego o 10 km
sceptycznie do hipotezy istnienia anty- czÄ…stka. Mniej wi´cej po up"ywie jednej
0.2
gwiazd. Choç wypromieniowane przez milionowej sekundy po Wielkim Wybu-
nie Ęwiat"o nie róŻni"oby si´ niczym od chu czÄ…stki i antyczÄ…stki zacz´"y anihilo-
Ęwiat"a wysy"anego przez zwyk"e gwiaz- waç; trwa"o to aÅ» do momentu, kiedy po-
dy, antygwiazda musia"aby zderzaç si´ zosta"a tylko zwyk"a materia. Ta ma"a POMIARY
DETEKTORA
z cząstkami zwyk"ej materii, spadający- nadwyŻka  wciąŻ jednak licząca sporo
HEAT
mi na niÄ… z przestrzeni mi´dzygwiezd- czÄ…stek  sta"a si´ budulcem znanego
nej. Anihilacja spadającej materii i anty- nam dzisiaj WszechĘwiata.
0.1 PRZEWIDYWANIA
materii antygwiazdy prowadzi"aby do Choç teoria ta jest przekonujÄ…ca, nie- TEORETYCZNE
Z CZŃSTKAMI
powstania niezwykle mocnego strumie- którzy naukowcy nadal poszukujÄ… ci´Å»-
WIMP
nia promieni gamma. Detektory umiesz- kich antycząstek. Wierzą bowiem, Że we
czone na orbicie zaobserwowa"y takie ni- WszechĘwiecie istnieją duŻe obszary zbu-
skoenergetyczne promieniowanie p"y- dowane z antymaterii i Å»e ci´Å»kie antyjÄ…-
PRZEWIDYWANIA
TEORETYCZNE BEZ CZŃSTEK WIMP
nÄ…ce  jak si´ wydaje  z centrum Galak- dra, poruszajÄ…ce si´ z pr´dkoĘciÄ… bliskÄ…
0
tyki, co wskazuje na zachodzÄ…cÄ… tam ani- pr´dkoĘci Ęwiat"a, mogÄ… przebyç dalekÄ…
103
1 10 102
hilacj´ olbrzymiej iloĘci pozytonów. Po- drog´ dzielÄ…cÄ… te obszary od naszej Galak-
ENERGIA CZŃSTEK (GeV)
mimo to naukowcy nie sÄ… przekonani, Å»e tyki. W latach szeĘçdziesiÄ…tych i siedem-
NIEWIELKA NADWYÚKA wysokoenerge-
pozytony te produkowane sÄ… przez an- dziesiÄ…tych Alvarez i inni naukowcy za-
tycznych pozytonów zaobserwowana przez
tygwiazd´, widoczna by"aby ona bowiem instalowali detektory, które przeanalizo-
detektor HEAT moÅ»e Ęwiadczyç o istnieniu
jako pot´Å»ne zlokalizowane Ä™ród"o znacz- wa"y dziesiÄ…tki tysi´cy zderzeÅ‚
promieni
innego ęród"a antymaterii: hipotetycznych
nie bardziej energetycznych promieni kosmicznych w celu sprawdzenia, czy
s"abo oddzia"ujÄ…cych czÄ…stek masywnych,
gamma. Fakt, Å»e takiego Ä™ród"a nie zaob- nie by"y one dzie"em ci´Å»kich antyczÄ…- zwanych WIMP.
ÂWIAT NAUKI Czerwiec 1998 33
GEORGIA deNOLFO
LAURIE GRACE
STOSUNEK POZYTONÓW DO ELEKTRONÓW
WóDRUJŃCA ANTYCZŃSTKA nie moŻe
przebyç zbyt duÅ»ych odleg"oĘci w jednym
kierunku, nawet jeĘli linie si" pola magne-
tycznego "Ä…czÄ… sÄ…siadujÄ…ce ze sobÄ… galakty-
ki. PoruszajÄ…c si´ po trajektorii w kszta"cie
helisy, antycząstka przeskakuje w sposób
przypadkowy z jednej galaktyki do drugiej.
TRAJEKTORIA
ANTYCZŃSTKI
WYIDEALIZOWANE
POLE MAGNETYCZNE
GALAKTYKI SPIRALNE
34 ÂWIAT NAUKI Czerwiec 1998
ALFRED T. KAMAJIAN
domu. Cz"owiek trzeęwy pójdzie prostą drogą i do- nie kaŻdej z nich w polu magnetycznym. Najbar-
trze do celu po paru godzinach. Ale pijany kaŻdy dziej precyzyjne uk"ady doĘwiadczalne umieszczo-
krok robi w przypadkowym kierunku i w rezulta- ne na balonach dokonują w tym celu 15 pomiarów,
cie niewiele posuwa si´ do przodu. Jest ma"o praw- a nawet wi´cej; AMS b´dzie przeprowadza" takich
dopodobne, Å»eby w ten sposób, nawet po up"ywie pomiarów jedynie szeĘç.
roku, dotar" do domu. Inne urzÄ…dzenie przeznaczone do obserwacji an-
JeĘli jednak mi´dzygalaktyczne pole magnetycz- tymaterii z orbity, PAMELA, ma zostaç wystrze-
ne jest koherentne, linie pola mogÄ… rozciÄ…gaç si´ lone z rosyjskiego kosmodromu Bajkonur w roku
od jednej galaktyki do drugiej. W takich warun- 2000. PAMELA b´dzie poszukiwa"a pozytonów
kach antyczÄ…stki przelatywa"yby pomi´dzy nimi i antyprotonów, jak równieÅ» ci´Å»kich antyjÄ…der,
po majÄ…cych d"ugoĘç milionów lat Ęwietlnych ko- wykorzystujÄ…c bardziej wyrafinowane instrumen-
smicznych autostradach. Nie porusza"yby si´ one ty niÅ» te, które zainstalowane zostanÄ… w detektorze
jednak po liniach prostych, a przeskakiwa"y po- AMS. Jednak z powodu mniejszych rozmiarów
mi´dzy galaktykami. To tak jakby nasz pijany w´- PAMELA b´dzie zbieraç mniej promieniowania
drownik szed" po chodniku, przytrzymujÄ…c si´ kosmicznego, a zatem moÅ»e jej si´ nie udaç prze-
Ęcian budynków. Nadal tylko nieznacznie przybli- prowadzenie pe"nego programu polował
na ci´Å»-
Å»a"by si´ do domu, poniewaÅ» na kaÅ»dym skrzyÅ»o- kie antyczÄ…stki.
waniu skr´ca"by w przypadkowym kierunku. Z te- Proponowane sÄ… równieÅ» poszukiwania kosmicz-
go powodu antycząstki mogą w czasie równym nej antymaterii z wykorzystaniem balonów. Trwa
wiekowi WszechĘwiata przebyç jedynie kilkaset w"aĘnie budowa nowej wersji detektora HEAT, któ-
milionów lat Ęwietlnych. Jest to znacznie mniej niŻ ry zaprojektowano do wykrywania wysokoenerge-
odleg"oĘç do najbliÅ»szej antygalaktyki mierzona tycznych antyprotonów. Mamy nadziej´, Å»e wyd"u-
w miliardach lat Ęwietlnych. Żenie czasu lotu pozwoli na dok"adniejsze pomiary.
Nawet jeĘli jakimĘ cudem antyczÄ…stka dotar"a- NASA wypuĘci"a nad Antarktyd´ balony stratosfe-
by do naszej Galaktyki, nie musi dolecieç do Ziemi. ryczne, które mogÄ… unosiç si´ przez 10 do 20 dni
PoniewaŻ pole magnetyczne w Galaktyce jest wokó" bieguna po"udniowego. Zespó" z Wallops Is-
znacznie silniejsze niÅ» na zewnÄ…trz, b´dzie ono od- land, zajmujÄ…cy si´ w NASA badaniami suborbital-
chyla"o nadlatujÄ…ce antyczÄ…stki w kierunku cen- nymi, jest w trakcie opracowywania technologii pro-
trum. Pijak dociera wreszcie do domu, ale nie mo- dukcji nowego lekkiego materia"u na pow"oki
Å»e znaleÄ™ç klucza do drzwi. balonów, które mog"yby utrzymywaç je w górze
nawet przez 100 dni. Pierwsze loty próbne takich
Loty przysz"oĘci balonów powinny odbyç si´ w ciÄ…gu najbliÅ»szych
kilku miesi´cy.
Wydaje si´ niezwykle ma"o prawdopodobne, Å»e- W historii poszukiwaÅ‚
antymaterii w kosmosie
by kiedykolwiek odkryto w naszej Galaktyce ci´Å»- nastÄ…pi"o juÅ» wiele nag"ych zwrotów. Pierwsze eks-
kie antyczÄ…stki. Niemniej badania sÄ… kontynuowa- perymenty mia"y na celu znalezienie symetrii, udo-
ne. Departament Energii USA sponsoruje projekt wodnienie, Å»e iloĘç materii i antymaterii we Wszech-
wys"ania detektora antymaterii na orbit´. UrzÄ…dze- Ęwiecie jest taka sama. Okaza"o si´ jednak, Å»e Ęwiat
nie to, zwane AMS (Alpha Magnetic Spectrometer jest pod tym wzgl´dem bardzo asymetryczny. De-
 Spektrometr Masowy Alfa), ma przede wszyst- tektory antymaterii zaobserwowa"y w promienio-
kim poszukiwaç ci´Å»kich antyjÄ…der. NASA zamierza waniu kosmicznym bardzo niewiele pozytonów
przetestowaç AMS na pok"adzie promu kosmicz- i antyprotonów; nie znalaz"y w ogóle ci´Å»szych an-
nego pod koniec tego roku. JeĘli wszystko pójdzie tyczÄ…stek. Antygwiazdy i antygalaktyki sÄ… byç mo-
zgodnie z planem, w roku 2002 AMS zostanie za- Że ukryte gdzieĘ we WszechĘwiecie, oddalone o mi-
instalowany na okres trzech lat na pok"adzie Mi´- liardy lat Ęwietlnych od nas. JednakÅ»e wydaje si´
dzynarodowej Stacji Kosmicznej. ma"o prawdopodobne, Å»eby ci´Å»kie antyczÄ…stki po-
Przy tak d"ugim czasie obserwacji AMS b´dzie chodzÄ…ce z tak daleka dotar"y do Ziemi; polowanie
mia" czu"oĘç stokrotnie wyÅ»szÄ… niÅ» dotychczasowe na nie moÅ»e okazaç si´ daremnym trudem. Ale po-
detektory antymaterii. Prawdziwym wyzwaniem szukiwania pozytonów i antyprotonów zapewne
b´dzie zapewnienie odpowiedniego poziomu do- pomogÄ… wyjaĘniç natur´ ciemnej materii  jednej
k"adnoĘci w odróŻnianiu czÄ…stek od antyczÄ…stek. z najwi´kszych tajemnic astrofizyki.
Aby znaleÄ™ç jednÄ… ci´Å»kÄ… antyczÄ…stk´ wĘród 100 mln
T"umaczy"
czÄ…stek, detektor musi dok"adnie okreĘliç odchyle- Jerzy Kowalski-Glikman
Literatura uzupe"niajÄ…ca
Informacje o autorach
THE EARLY UNIVESE. Edward W. Kolb i Michael S. Turner;
GREGORY TARL i SIMON P. SWORDY prowadzÄ…
Addison -Wesley, 1990.
badania promieni kosmicznych od ponad 20 lat. Tarlé,
PROMIENIE KOSMICZNE. James W. Cronin, Thomas K. Gaisser i
profesor fizyki w University of Michigan, uzyska"
doktorat w University of California w Berkeley w ro- Simon P. Swordy, Âwiat Nauki, ss. 36-41, III/1997.
ku 1978. Bierze on równieŻ aktywny udzia" w ekspe- CONSTRAINTS ON THE INTERGALACTIC TRANSPORT OF COSMIC RAYS.
rymentach, których celem jest poszukiwanie monopo- Fred C. Adams i in., Astrophysical Journal, vol. 491, ss. 6-12, 10
XII 1997.
li magnetycznych, kosmicznych neutrin i oscylacji
neutrino. Swordy jest profesorem fizyki w Universi- Informacje o eksperymencie HEAT moÅ»na znaleÄ™ç w Internecie
ty of Chicago. Doktoryzowa" si´ w University of Bri- pod adresem: http://tigger.physics.lsa.umich.edu/www/
stol w 1979 roku. By" cz"onkiem zespo"u prowadzÄ…- heat/heat.html
Informacje o eksperymencie AMS moÅ»na znaleÄ™ç w Internecie
cego Cosmic Ray Nuclei Experiment, umieszczonego
pod aderesem: http://hpl3sn05.cern.ch:8080/ams01.html
w 1985 roku na pok"adzie wahad"owca kosmicznego.
ÂWIAT NAUKI Czerwiec 1998 35