Kosmiczna antymateria
W 1928 r. angielski fizyk P.A.M. Dirac wysunął twierdzenie ,że każdej cząstce elementarnej odpowiada antycząstka tj. cząstka o takiej samej masie ale o przeciwnym ładunku. Postulował dalej że antycząski mogą łączyć się w antyatomy ,a te w dalszym ciągu mogą budować antymaterialne obiekty ,odpowiedniki obiektów znajdujących się we wszechświecie tj. antygwiazd ,antygalaktyk ,a nawet antyludzi. W dalszej kolejności twierdził że w wyniku zderzenia cząstki i anycząstki następuje proces anihilacji z wytworzeniem wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Jeżeli doszłoby do uściśnięcia ręki człowieka i antyczłowieka to w wyniku tego gestu nastąpiłaby eksplozja o sile wybuchu 1000 megatonowych bomb jądrowych. Hipoteza ta czekała tylko 4 lata na potwierdzenie doświadczalne. Pierwszą antycząskę zaobserwował ,Carl D. Anderson pracujący dla California Instytute of Technolgy ,podczas badania promieni kosmicznych tj. wysokoenergetycznych cząstek bombardujących ziemię z przestrzeni kosmicznej zaobserwował ślad cząstki o masie elektronu ale o przeciwnym ładunku (+) nazwano tą cząstkę pozytonem i jest to odpowiednik antymaterii dla elektronu. Dużo trudniejsze okazało się zaobserwowanie antyprotonu ,jednakże w 1955 naukowcy z Lawrence Berkeley Laboratory użyli akceleratora aby je wyprodukować. Kilka lat temu w 1995 roku uczeni z CERN ,wytworzyli w akceleratorze pod Genewą atom antywodoru. Ostatnio wiele wysiłków wkłada się w zbudowanie detektora cząstek antymaterii w promieniowaniu kosmicznym.
Jednym z projektów jest projekt HEAT (High Energy Antimatter Telescope - Teleskop do Obserwacji Wysokoenergetycznej Antymaterii), który unoszony za pomocą balonów stratosferycznych bada pozytony w promieniowaniu kosmicznym. Na innych balonach są zainstalowane detektory antyprotonów. W fazie projektowania są balony o długim czasie lotu ,lub sztuczne satelity ziemi o ciągłej detekcji antymaterii. Wyniki tych badań mogą powiedzieć wiele o źródłach antymaterii ,może nawet rozstrzygnąć czy istnieją antygwiazdy i antygalaktyki.
Astrofizycy przypuszczają iż znaczna część antycząstek obserwowanych na ziemi powstaje w wyniku zderzeń cząstek elementarnych w przestrzeni kosmicznej. Proces ten zaczyna się w momencie gdy fala uderzeniowa po wybuchu supernowej przyspiesza protony i cięższe jądra atomów do znacznych prędkości. W momencie gdy jądro to niosące z sobą wielką energię zderzy się z inną cząstką ,część energii zostaje spożytkowana na wytworzenie pary cząstka - antycząstka. Niektóre ze zderzeń prowadzą do powstania par pionów - mało stabilnych cząstek ,które szybko się rozpadają na pozytony - elektrony ,neutrino — antyneutrino. Cząstki o największych energiach zderzając się tworzą pary protony — antyprotony.
Okazuje się, że w zderzeniach zachodzących w przestrzeni międzygwiezdnej powstaje stosunkowo niewiele antycząstek. W promieniach kosmicznych obserwowanych przez aparaturę HEAT liczba cząstek była zdecydowanie większa niż antycząstek. W celu zrozumienia trudności w obserwacji antymaterii, GREGORY TARL i SIMON P. SWORDY proponują wyobrażenie sobie kubła pełnego stalowych śrubek. Gdzie sto z nich nagwintowanych jest normalnie ,czyli prawoskrętnie (co odpowiada ujemnie naładowanym elektronom w promieniowaniu kosmicznym), a dziesięć lewoskrętnie są to dodatnie pozytony. W promieniowaniu kosmicznym występują również protony, które są naładowane dodatnio jak pozytony, ale dużo od nich cięższe. W przykładzie z wyimaginowanym kubłem i śrubkami odpowiadają one 2000 razy cięższym lewoskrętnym śrubom. Tak więc każda lewoskrętna śruba musi zostać zważona w celu rozstrzygnięcia, czy jest to śruba-proton, czy też śrubka-pozyton. Na dodatek ważenie musi być bardzo dokładne. Jeżeli bowiem jedna na 1000 śrub-protonów zostałaby przez pomyłkę uznana za śrubkę-pozyton, to efektem takiego błędu byłaby podwojona liczba zaobserwowanych pozytonów.
Aparatura pomiarowa HEAT jest bardzo dokładna i jej błąd wynosi poniżej jednego na 100tys. odczytów. W celu identyfikacji pozytonów w przyrządzie wykorzystano nadprzewodzące magnesy i zestaw detektorów. Promień kosmiczny wnika do urządzenia przez otworek zbierający, a nadprzewodzący magnes odchyla następnie ujemnie naładowane elektrony w jednym kierunku, zaś dodatnio naładowane protony i pozytony - w drugim. Detektory mierzą ładunek i kierunek ruchu każdej cząstki oraz jej odchylenie w polu magnetycznym. Ten ostatni pomiar służy do odróżnienia protonów od pozytonów: ponieważ protony są cięższe ,poruszają się po torach mniej zakrzywionych.
Pierwszy próbnik HEAT został wypuszczony przez ośrodek balonów naukowych NASA ,z bazy w Nowym Meksyku w 1994r. Urządzenie ważące 2300kg zostało wyniesione na wysokość 37,5tys. m. ,i po 32 godz. badań zostało opuszczone na spadochronie na terytorium stanu Teksas. Kolejny próbnik został wypuszczony w stanie Manitoba w Kanadzie. Lot ten pozwolił na zaobserwowanie pozytonów o niższej energii ,które mogą penetrować ziemskie pole magnetyczne jedynie w pobliżu biegunów magnetycznych ziemi.
Wyniki pomiarów okazały się niezwykle intrygujące. Jeżeli chodzi o liczbę niskoenergetycznych pozytonów to była ona zbliżona do oczekiwanych wyników. Natomiast zaobserwowano pewną nadwyżkę pozytonów o wysokiej energii. Nie była ona zbyt wielka i może być wynikiem niewielkiego błędu przyrządów ,ale jeżeli liczba ta jest prawdziwa oznacza to że w kosmosie istnieje źródło wysokoenergetycznych pozytonów. Możliwe że są to hipotetyczne słabo oddziałujące cząstki masywne tzw. WIMP (weakly interacting massive particle). Jeżeli jest tak w rzeczywistości oznaczałoby to rozwiązanie problemu tzw. „Ciemnej materii”. Aby uznać to za fakt inne detektory muszą to potwierdzić z większą dokładnością.
Inne grupy badawcze poszukują antyprotonów. Jest to zadanie o wiele trudniejsze gdyż występują one o wiele rzadziej niż pozytony. Antyprotony są ok. 2000x cięższe od pozytonów ,i dlatego do ich wytworzenia potrzeba dużo więcej energii. Szacuje się że prędkość ,z jaką zderzają się protony aby wytworzyć parę proton - antyproton ,jest większa niż 99% prędkości światła. Dzięki detektorom antymaterii, takim jak IMAX (Isotope Matter Antimatter Experiment - Izotopowe Badanie Materii i Antymaterii) czy też BESS (Balloonborne Experiment with Superconducting Solenoidal Spectrometer - Balonowy Eksperyment z Nadprzewodzącym Spektrometrem Solenoidalnym) ,zaobserwowano że w deszczu promieniowania kosmicznego występuje 1 antyproton na 10 tys. protonów. Dlatego do obserwacji antyprotonów potrzebna jest aparatura o dokładności 1/1000000.
Badania nad poszukiwaniem większych fragmentów antymaterii zostały zapoczątkowane w latach 60-tych przez Luisa W. Alvarez'a. Próbował on znaleźć w promieniowaniu kosmicznym cząstki ciężkie jak np. antywęgiel czy antyhel. Odkrycie antyhelu -cząstki zbyt ciężkiej aby mogła powstać w wyniku zderzeń w przestrzeni kosmicznej ,oznaczałoby to że część antymaterii powstałej po wielkim wybuchu pozostała do dziś we wszechświecie. Natomiast zaobserwowanie atomów antytlenu czy antywęgla dowodziło by istnienia antygwiazd ponieważ węgiel i inne cięższe pierwiastki mogą powstać jedynie w jądrach gwiazd.
Co do istnienia antygwiazd ostrożnie podchodzi większość astrofizyków ,ponieważ antygwiazda pomimo tego że emitowała by światło identyczne z tym od jej materialnego odpowiednika. To nieustannie zderzała by się ona z cząstkami zwykłej materii ,powodowało by to anihilację i emisję strumienia promieniowania gamma. Pomimo zaobserwowania niskoenergetycznego promieniowania ,wskazującego na anihilację olbrzymich ilości pozytonów ,płynącego - jak gdyby - z centrum galaktyki naukowcy nie są przekonani że pozytony te są produkowane przez antygwiazdę. Gdyby tak było w rzeczywistości byłaby ona widziana jako źródło dużo mocniejszego promieniowania gamma. Fakt ten przemawia za tym iż nie istnieją antygwiazdy w naszej galaktyce ,tak jak nie istnieją antygalaktyki w naszej gromadzie galaktyk. Nie neguje to jednak istnienia takich antymaterialnych obiektów w obszarach bardziej od nas odległych. W ciągu ostatnich 10 latach prowadzono szerokie badania nad rozkładem galaktyk odległych nawet o miliard lat świetlnych. Udało im się ustalić że nie ma odizolowanych obszarów zbudowanych z antymaterii ,z badań tych wyłoniła się pajęczyna gromad galaktyk otaczających olbrzymie puste obszary przestrzeni. Jeśliby znacząca część Wszechświata zbudowana była z antymaterii, obszary wspólnego występowania materii i antymaterii już we wczesnych etapach ewolucji Wszechświata wytworzyłyby olbrzymią ilość promieniowania gamma. Astronomowie nie odkryli jednak żadnej łuny, która musiałaby pozostać po tym gwałtownym procesie. Jeżeli więc antygalaktyki w ogóle istnieją, to muszą się znajdować poza zasięgiem naszych najlepszych teleskopów, w odległości co najmniej kilku miliardów lat świetlnych.
Współczesna kosmologia tłumaczy, dlaczego Wszechświat zbudowany jest niemal wyłącznie ze zwykłej materii. Według powszechnie przyjętych teorii podczas Wielkiego Wybuchu powstała drobna nadwyżka materii nad antymaterią. Wynika to z obserwowanej nieznacznej asymetrii praw fizyki, zwanej łamaniem symetrii CP. Na każde 30mld utworzonych wówczas antycząstek pojawiło się równocześnie 30 mld. i jedna cząstka. Mniej więcej po upływie jednej milionowej sekundy po Wielkim Wybuchu cząstki i antycząstki zaczęły anihilować; trwało to aż do momentu, kiedy pozostała tylko zwykła materia. Ta mała nadwyżka - wciąż jednak licząca sporo cząstek - stała się budulcem Wszechświata. Jak do tej pory nie zaobserwowano antycząstek cięższych niż antyprotony i pozytony.
Naukowcy nie wykluczają że odległe galaktyki produkują antycząstki ciężkie ,ale pole magnetyczne w przestrzeni kosmicznej nie pozwala im dotrzeć do Ziemi. Badania promieniowania synchrotronowego przechodzącego przez gromady galaktyk ,wykazały że pole magnetyczne wewnątrz tych gromad jest rzędu 1 miliardowej natężenia pola magnetycznego ziemi. Takie nikłe pole magnetyczne powodowałoby że tor antycząstki zakrzywiony zostałby do postaci helisy ,o promieniu kilku lat świetlnych ,oplatającej jedną z linii pola. Jeżeli chodzi o orientację pola astrofizycy mają podzielone zdania. Jedni twierdzą że jest koherentne (takie jak przy magnesie sztabkowym) ,inni uważają że jest ono niezwykle poplątane. Jeżeli druga hipoteza jest prawdziwa to antycząstka nie jest w stanie przelecieć daleko w jednym kierunku będzie się ona odbijała od przypadkowych węzełków pola magnetycznego.
Pomimo niewielkiego prawdopodobieństwa na znalezienie ciężkich antycząstek w naszej galaktyce ,nadal są prowadzone badania. Departament Energii USA sponsoruje projekt wysłania detektora antymaterii na orbitę. Urządzenie to, zwane AMS (Alpha Magnetic Spectrometer
-Spektrometr Masowy Alfa), zaprojektowany został do poszukiwań antycząstek ciężkich. Amerykańska Agencja Kosmiczna NASA planuje testowanie AMS na pokładzie promu kosmicznego. W roku 2002 AMS ma zostać instalowany na okres trzech lat na pokładzie obecnie budowanej Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Tak długi okres badań spowoduje że AMS będzie miał czułość stokrotnie wyższą niż dotychczasowe detektory antymaterii. Największym problemem i wyzwaniem dla naukowców będzie zapewnienie odpowiedniego poziomu dokładności w odróżnianiu cząstek od antycząstek. Odnalezienie jednej ciężkiej antycząstki wśród 100 mln. cząstek, wymaga od detektora dokładnego określenia odchylenia każdej z nich w polu magnetycznym. Najbardziej precyzyjne układy doświadczalne umieszczone na balonach dokonują w tym celu 15 i więcej pomiarów. AMS zaprojektowany został na przeprowadzenie jedynie sześciu takich pomiarów.
Innym urządzeniem przeznaczonym do obserwacji antymaterii z orbity, jest PAMELA. wystrzelona z rosyjskiego kosmodromu Bajkonur w roku 2000. PAMELA ma za zadanie poszukiwanie pozytonów i antyprotonów, oraz ciężkich antyjąder, wykorzystując bardziej wyrafinowane instrumenty niż te, które zainstalowane zostaną w detektorze AMS. Różnica polega na rozmiarze PAMELA jest detektorem mniejszym i zbiera mniej promieniowania kosmicznego ,może być przeszkodą w przeprowadzeniu pełnego programu polowania na ciężkie antycząstki.
Proponowane są również poszukiwania kosmicznej antymaterii z wykorzystaniem balonów. Trwa budowa nowej wersji detektora HEAT, który ma wykrywać wysokoenergetyczne antyprotony. Dzięki NASA która wypuściła już nad Antarktydą nowe balony stratosferyczne, które mogą unosić się przez 10 do 20 dni wokół¸ bieguna południowego ,twórcy owego HEAT-a mogą wydłużyć czasu lotu co wpłynie na dokładność pomiarów. Również obiecująco dla naukowców skupionych wokół projektu HEAT rysują się badania zespołu z Wallops Island. Zajmują się oni badaniami suborbitalnymi dla NASA. W roku 1998 zespół ten był w bardzo zaawansowanej fazie opracowywania technologii produkcji nowego lekkiego materiału na powłoki balonów, które mogłyby utrzymywać je w górze nawet przez 100 dni. Pierwsze loty próbne takich balonów zaplanowano na koniec 1998r.(jednakże nie udało się mi znaleźć informacji jak zakończyły się te próby i czy balony te zostały włączone do projektu HEAT)
Historia poszukiwań antymaterii w kosmosie obfituje w wiele nagłych zwrotów. Pierwsze eksperymenty miały na celu znalezienie symetrii, udowodnienie, że ilość materii i antymaterii we Wszechświecie jest taka sama. Realia okazały się jednak diametralnie inne. Pierwsze badania wykazały olbrzymią asymetrię pod tym względem. Detektory antymaterii zaobserwowały w promieniowaniu kosmicznym bardzo niewiele pozytonów i antyprotonów, i nie natrafiono na żaden ślad cięższych antycząstek. Antygwiazdy i antygalaktyki są być może ukryte gdzieś we Wszechświecie, oddalone o miliardy lat świetlnych od nas. Jednakże wydaje się mało prawdopodobne, żeby ciężkie antycząstki pochodzące z tak daleka dotarły do Ziemi; polowanie na nie może okazać się daremnym trudem. Ale poszukiwania pozytonów i antyprotonów zapewne pomogą wyjaśnić naturę ciemnej materii - jednej z największych tajemnic astrofizyki.