Antymateria

PAUL DIRAC (1902 - 1984)

Cały otaczający nas świat, cały Wszechświat, zbudowany jest z różnorodnych materiałów. Cała rozmaitość materii jest wynikiem połączeń kilku cząstek fundamentalnych. Obecnie znana nam materia we Wszechświecie jest zbudowana z blisko stu różnych rodzajów atomów,

przy czym, atom składa się z elektronów o ujemnym ładunku elektrycznym oraz z jądra

o dodatnim ładunku. Dzięki oddziaływaniu elektromagnetycznemu elektrony tworzą z jądrem układ zwany atomem. Na dzień dzisiejszy nasza wiedza ogranicza się jedynie do kwarków,

z których zbudowany jest każdy proton i neutron.

Czym więc jest antymateria?

W roku 1927 angielski fizyk, Paul Dirac, próbował rozwinąć teorię kwantową,

która w  owym czasie nie chciała się zgadzać ze szczególną teorią względności Einsteina.

Dirac sformułował równanie, które pozwalało opisać zachowanie się elektronu.

 

E² = m₀²c⁴ + p²c²

 

Jako że energia w rozwiązaniu ma postać jej kwadratu, to pierwiastki z tego równania są dwa:

 

Początek formularza

Dirac (mając prawie 24 lata) stwierdził, że jego równanie opisujące falę elektronową miało dwa rozwiązania, z czego płynęły doprawdy dziwaczne konsekwencje: powinna istnieć inna cząstka o własnościach identycznych z elektronem, różniąca się od niego tylko ładunkiem elektrycznym. Stoi za tym bardzo proste matematyczne pojęcie: każde dziecko znające podstawy mnożenia wie, że pierwiastek kwadratowy z 4 równy jest 2 oraz -2,

bo 2 × 2 = 4 i -2 × -2 = 4. Istnieją więc dwa rozwiązania: plus albo minus dwa.

Problem polegał na tym, że symetria wynikająca z równania Diraca oznaczała,

iż dla każdej cząstki musi istnieć inna cząstka o takiej samej masie i przeciwnym ładunku elektrycznym. Dlatego Dirac przez jakiś czas zmagał się z tym dodatkowym rozwiązaniem, by wreszcie ustąpić i stwierdzić, iż w przyrodzie obok ujemnych muszą występować także dodatnie elektrony. Ktoś ukuł termin antymateria. Ta antymateria miała znajdować

się wszędzie dookoła, tylko jakoś nikt nigdy jej jeszcze nie zauważył.

W roku 1932 młody fizyk z Caltech, Carl Anderson, zbudował komorę mgłową

tak zaprojektowaną, by umożliwiała rejestrowanie i fotografowanie subatomowych cząstek. Magnes o dużej mocy otaczał urządzenie, by zakrzywiać tory cząstek pozwalając

w ten sposób na badanie ich energii. Anderson złapał w swojej komorze jedną dziwaczną nową cząstkę, a raczej jej ślad. Nazwał ten nowy obiekt pozytonem, bo był identyczny

z elektronem, tylko, że zamiast ujemnego, miał dodatni ładunek. Publikacja Andersona

nie nawiązywała do równania Diraca, ale wkrótce dostrzeżono łączący je związek. Anderson znalazł nową postać materii, antycząstkę, która parę lat wcześniej wyskoczyła z równania Diraca. Wspomniane ślady w komorze mgłowej były śladami promieniowania kosmicznego, cząstek przybywających z odległych zakątków naszej Galaktyki, stale bombardujących atmosferę. By otrzymać jeszcze dokładniejsze dane, Anderson przetransportował

swą aparaturę z Pasadeny na szczyt górski w Kolorado, gdzie powietrze jest rozrzedzone,

a promieniowanie kosmiczne bardziej intensywne.

Na antyproton trzeba było czekać znacznie dłużej. W celu jego wykrycia zbudowano w Berkeley, w USA, akcelerator, o tak dobranej energii, by w zderzeniach wiązki protonów przyspieszanych w akceleratorze z nieruchomą tarczą mogła powstać para proton - antyproton. Udało się to w roku 1955.

40 lat później, w grudniu roku 1995, w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN w Genewie zarejestrowano produkcję pierwszych atomów antywodoru. Było to bardzo trudne przedsięwzięcie. Nie jest dziś bowiem bardzo trudno wytworzyć antyprotony, i nawet rutynowo buduje się z nich wiązki. To samo dotyczy antyelektronów, czyli pozytonów.

Ale jak je skłonić, by powiązały się ze sobą, tworząc atom antywodoru? Międzynarodowy zespół pracujący w CERNie wykorzystał do tego celu technikę wstrzykiwania wiązki gazu (zastosowano ostatecznie ksenon, ciężki gaz szlachetny) w strumień antyprotonów.

W zderzeniach antyprotonów z atomami gazu powstają niekiedy pary elektron - pozyton. Jeżeli zdarzy się, że prędkość antyprotonu i powstającego pozytonu są bliskie siebie, pozyton może zostać wychwycony przez sąsiedni antyproton, i powstaje atom antywodoru.

Tyle, że udowodnić jego powstanie jest rzeczą chyba jeszcze trudniejszą niż do tego powstania doprowadzić. Jednak w CERNowskim doświadczeniu udało się stwierdzić niewątpliwie powstanie dziewięciu sztuk atomów antywodoru, które przeżyły około 40 bilionowych części sekundy, przelatując w tym czasie drogę około 10 metrów!

Dwa pojęcia- cząstka i antycząstka - są pojęciami względnymi, a nie absolutnymi.

Na przykład cząstkę  p nazywamy protonem, a cząstkę  p^- - antyprotonem tylko dlatego,

że cząstek pierwszego rodzaju we Wszechświecie jest bez porównania więcej niż drugiego. Tymczasem podstawowe równania teorii nie ulegają zmianie, jeżeli zamienimy w nich cząstki na antycząstki i odwrotnie. Natura asymetrii ładunkowej rzeczywistego Wszechświata

nie jest do końca wyjaśniona i stanowi jedną z zagadek współczesnej fizyki i kosmologii.

Na Ziemi antycząstki są wytwarzane sztucznie i mogą istnieć tylko w warunkach laboratoryjnych. Mogą  jednak istnieć we Wszechświecie obszary, w których istnieje materia zbudowana z antycząstek, czyli antymateria. Atomy antymaterii byłyby zbudowane

z antyprotonów, antyneutronów i pozytonów.

Dla każdej cząstki istnieje hipotetyczna antycząstka. Wyjątek stanowią cząstki całkowicie neutralne, jak foton i mezon, które są tożsame ze swymi antycząstkami.

Anihilacja

Antymateria anihilując z materią wytwarza czystą energię. Cała masa znika i zamienia

się w energię promienistą. Dla porównania, spalanie węgla lub ropy naftowej „zużywa” tylko 0,000 001 masy paliwa. Czy dałoby się więc za pomocą antymaterii rozwiązać problem energetyczny świata? Podobno 1 kg antymaterii dostarczyłby tyle energii ile zużywa dziennie całe USA lub tyle ile rocznie zużywa do prywatnego użytku 2 mln przeciętnych Europejczyków.

Trzeba jednak pamiętać że antymateria nie jest dostępna w przyrodzie, przynajmniej

na Ziemi. Trzebaby ją produkować, a to kosztowałoby ogromne ilości energii. Poza tym wyprodukowanie 1 grama antymaterii przez najlepsze obecnie akceleratory zajęłoby im kilka milionów lat. Następnym problemem z antymaterią jest jej przechowywanie.

Ona anihilowałaby ze ścianami każdego materialnego zbiornika. Trzebaby ją więc zawieszać w próżni, a to też kosztuje.

Ciekawostka: bomba antymaterialna wydziela około 100 razy więcej energii niż bomba atomowa o zbliżonej masie. A więc z drugiej strony dobrze, że antymaterię tak trudno produkować i przechowywać.

Kreacja

W komorach śladowych wykryto również zjawisko odwrotne do anihilacji,

zwane zjawiskiem kreacji (tworzenia) par elektron - pozyton.

Zjawisko to zachodzi przy oddziaływaniu fotonu o dużej energii z polem kulombowskim jądra atomowego. Jeśli foton o dostatecznie dużej energii (większej od energii spoczynkowej pary elektron - pozyton) przechodzi w pobliżu jądra, może się zdarzyć, iż energia fotonu zamieni się w energię kinetyczną pary elektron - pozyton. Ponadto część energii fotonu zostanie przekazana jądru. Fakt, że zjawisko kreacji nie może zachodzić w próżni

(musi w pobliżu znajdować się jądro) jest uzasadniony zasadą zachowania pędu.

Napęd antymaterialny (fotonowy)

Naukowcy rozmyślają nad wykorzystaniem antymaterii jako źródła energii dzięki któremu podróże międzygwiezdne stałyby się realne. Antymateria będąca niezłym źródłem energii nie jest złą ideą jeżeli tylko udałoby się ją trwale przechowywać. Kiedy antymateria

i materia kontaktują się wzajemnie ulegają anihilacji uwalniając energię, która jest gromadzona w masie. Energię tą można łatwo obliczyć używając wzoru E=mc². Istotą napędu na antymaterie miałoby być kierowanie strumienia cząstek i antycząstek na tyły statku kosmicznego w odpowiedniej od niego odległości. Wyrzucane cząstki miałyby

w znany już nam sposób ze sobą reagować osiągając prędkość w przybliżeniu równą

ok. 1/3 prędkości światła. Na podstawie praw Newtona można wyciągnąć wniosek, że siła cząstek poruszających się z taką prędkością równałaby się sile "pchającej" statek. Jednak przechowywanie antymaterii to wciąż główny problem, gdyż nie może ona wchodzić

w kontakt z jakimkolwiek "prawdziwą" materią jeśli nie planuje się jej zniszczenia.

Jedynym skutecznym sposobem na utrzymanie antycząstek jest użycie pola elektromagnetycznego, które mogłoby je utrzymać. Oczywiście cały plan napędu

to na razie tylko czysta teoria.

Świat otaczający nas na pewno składa się z materii. Z materii zbudowany jest nasz układ planetarny. Z materii składają się mgławice galaktyczne. Ale na szerszą skalę? Kto wie, może gdzieś w przestrzeni kosmicznej są też obiekty z antymaterii. Obecnie nie obserwujemy antymaterii w stanie naturalnym we Wszechświecie, wykrycie antymaterii we wszechświecie jest utrudnione, gdyż antymateria wysyła identyczne promieniowanie jak zwykła materia, można co najwyżej wykryć fotony o charakterystycznej energii powstające podczas anihilacji np. elektronów. Mimo to podejrzewamy że antymaterii podczas Wielkiego Wybuchu uwolniło się dokładnie tyle samo co materii, lecz antymateria musi przebywać w innej "części" Wszechświata (inaczej uległa by anihilacji). Być może gdzieś są całe antyświaty zbudowane z antycząstek, jednak tego podejrzenia nie podziela wielu naukowców, uznając, że był jakiś powód w wyniku którego we wszechświecie przeważającą większość stanowi zwykła materia. Badanie promieniowania kosmicznego pozwoliło na razie ocenić, że w docierającym na Ziemię promieniowaniu przypada nie więcej niż 1 antyproton na 5000 protonów. Ich źródłem są jednak normalne zderzenia, zachodzące między cząstkami

o odpowiednio wysokiej energii.

Samuel Ting, laureat nagrody Nobla, przewodzi dziś wielkiemu międzynarodowemu zespołowi, który zamierza poszukiwać antymaterii we Wszechświecie, wysyłając odpowiednią aparaturę w przestrzeń kosmiczną na pokładzie projektowanej Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Aparatura ta to tak nazwany AMS - Magnetyczny Spektrometr Alfa. Podstawową częścią urządzenia AMS jest potężny magnes trwały, który będzie odchylał tory cząstek naładowanych. To właśnie postęp techniczny w dziedzinie materiałów do budowy magnesów trwałych czyni realnym całe przedsięwzięcie - na Ziemi buduje się silne magnesy nadprzewodzące, ale wysyłanie ich w kosmos jest nierealne

ze względu chociażby na ciężar całej infrastruktury chłodzenia. W spektrometrze AMS zastosowany będzie neodym, żelazo i bor, a zbudowany z nich magnes umożliwi osiągnięcie zdolności zakrzywiającej (iloczyn indukcji pola magnetycznego i kwadratu długości)

o wartości 0.15 Tm 2. Oprócz tego zawiera on detektory krzemowe, liczniki Czerenkowa

i scyntylatory do identyfikacji cząstek. Cała aparatura ważyć ma 3 tony. Czułość aparatury umożliwić ma prowadzenie poszukiwań antymaterii z dokładnością dziesięć tysięcy razy lepszą niż dotychczasowe oceny.

Najważniejsze antycząstki

Nazwa	Symbol	Q	Powstanie	Produkty anihilacji z cząstką ^a
Pozyton (= antyelektron)	e^+	+1	Rozpad ာါၢ przejście kwantu gamma ၅ဨ ှ 1,02 MeV) w pobliżu jądra	2 lub 3 fotony
Antyproton	p^-	-1	Zderzenie cząsteczek o b. dużej energii (E > 2000 MeV)	Kilka mezonów (gł. ),  elektrony, fotony
Antyneutron	n^-	0

^a - przy małej energii zderzenia

Właściwości cząstek i antycząstek

Właściwość	Symbol	Jednostka	zakres wartości ^c	wartość dla antycząstki
Masa spoczynkowa	m	MeV ^a	0  100 000	Identyczna jak dla cząstki
Czas zużycia	½	s	10^-24  2 ^.10^-6 b	Identyczna jak dla cząstki
Ładunek elektryczny	Q	|e|	2, 1, 0, +1, +2 ^c	Przeciwnego znaku
Spin	J	h/2	0, 1/2, 1, 3/2	Identyczna jak dla cząstki
Dziwność	S		3, 2, 1, 0, +1, +2, +3	Przeciwnego znaku
Liczba leptonowa ^d	L		1, +1	Przeciwnego znaku
Liczba barionowa	B		1, 0, +1	Przeciwnego znaku
Produkty rozpadu				Antycząstki w stosunku do produktów rozpadu cząstek

^a - zgodnie z zasadą równoważności masy i energii (E = mc²) 1MeV

odpowiada 1,782814 ^. 10^-30 kg,

^b - niektóre cząstki są trwałe (_½ = Ⴅာဩ

^c -nie dotyczy kwarków,

^d - dotyczy leptonów (istnieją 3 liczby leptonowe: elektronowa, mionowa i taonowa).

Paweł Kiraga

---