Antymateria. Słowo brzmiące równie egzotycznie, co intrygująco. Zuchwale przewija się ono w dialogach filmów science-fiction, gdzie mniej lub bardziej zniekształcane jest jego znaczenie. Istnienie antymaterii wydaje się czasami zupełnie surrealistyczne, ale jest rzeczywiste bardziej niż cokolwiek innego we Wszechświecie.

Nie przesadzając, możemy śmiało powiedzieć, że gdyby nie antymateria, nie byłoby nas dziś takimi, jakimi jesteśmy. I tu rodzi się kilka fundamentalnych pytań: skąd się wzięła antymateria i czym jest? Jak ją wytworzyć i złapać? Jakie ma zastosowania dziś i jakie perspektywy przed nią stoją? Najwybitniejsze umysły naszej epoki starają się rozwiązać ten problem.

Antymateria, zarówno jak i materia, istnieją od zawsze. Zakładając prawdziwość hipotezy Wielkiego Wybuchu (lub innych hipotez bazujących na Wielkim Wybuchu), materii i antymaterii w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu było tyle samo. Zderzające się siostrzane cząstki generowały ogromne ilości energii, ale coś jednak przechyliło szalę zwycięstwa na stronę materii. Do dziś nie wiadomo dokładnie jaki proces mógł spowodować, że to jednak cząstki materii, a nie antymaterii, stały się liczniejsze, wypierając tym samym antymaterię. Związane jest to najprawdopodobniej z łamaniem symetrii CP. Wniosek o różnej ilości materii i antymaterii kłóci się z Modelem Standardowym, który zakłada, że ilości te powinny być sobie równe. A gdyby tak rzeczywiście było, to niemożliwe byłoby powstanie kosmosu. Wszechświat byłby wypełniony pustką, która byłaby konsekwencją zderzenia równych ilości cząstek materii i antymaterii, zostawiając po sobie jedynie energię (i pewną ilość neutrin). Dlatego też musimy nieco wyjść poza Model Standardowy, by opisywać zjawiska czy cząstki wychodzące poza jego granice.

czym jest antymateria? w Dużym uproszczeniu można powiedzieć, że cząstki antymaterii to lustrzane odbicia cząstek materii, tylko z odmiennym ładunkiem.

Ale czym ta antymateria jest? Dużym uproszczeniem i spłyceniem tematu byłoby stwierdzenie, że cząstki antymaterii to lustrzane odbicia cząstek materii, tylko z odmiennym ładunkiem. Otóż nie tylko ładunkiem one się różnią, ale całym zestawem liczb kwantowych, takich jak: liczba barionowa, leptonowa, zapachem czy dziwnością. Według teorii Paula Diraca każda cząstka ma swoje odbicie lustrzane w postaci antycząstki, która wykazuje taką samą masę i spin, ale inny zestaw liczb kwantowych. Warto tu wspomnieć o fotonach, które zarówno pod postacią materii jak i antymaterii są takie same. Historia antymaterii w dużym stopniu związana jest właśnie z osobą Paula Diraca, bowiem to on w 1928 roku sformułował równanie Diraca, na którego podstawie przewidziano istnienie pozytonu, czyli inaczej antyelektronu.  Na potwierdzenie eksperymentalne nie trzeba było długo czekać. Już w 1932 roku Carl Anderson badając promieniowanie kosmiczne, zaobserwował cząstki o masie zbliżonej do elektronu, ale z ładunkiem dodatnim, jak proton. Jak nie trudno się domyślić, były to właśnie pozytony. Od tamtej chwili odkrycia w dziedzinie cząstek elementarnych, ale też cząstek antymaterii ruszyły lawinowo. Zaraz potem odkryto inne cząstki antymaterii jak antyproton czy antyneutron.

Naturalnie antymateria powstaje w procesie kreacji par. Proces ten zachodzi w otoczeniu materii, na przykład w atmosferze ziemskiej, gdzie powstaje para cząstka-antycząstka z energii fotonu. Przypuszcza się, że znaczne ilości antymaterii znaleźć byśmy mogli w przestrzeni międzygalaktycznej, a także w otoczeniu czarnych dziur, gdzie hipotetycznie mamy do czynienia z promieniowaniem Hawkinga, które powstaje właśnie w wyniku kreacji par.

Jednym z głównych problemów antymaterii jest to, że jest ona mało stabilna – po spotkaniu z materią natychmiast dochodzi do anihilacji i po cząstce antymaterii pozostaje nam tylko jej wspomnienie.

Czy jesteśmy w stanie antymaterię wytworzyć? Oczywiście, że tak. Takie próby prowadzone są w CERN, w eksperymencie ALPHA. W akceleratorze jesteśmy w stanie rozpędzić cząstki do prędkości bliskiej prędkości światła i w wyniku tak wysokoenergetycznego zderzenia produkowana jest cała kaskada cząstek materii. Jednak niewielką część produktów po zderzeniu stanowią właśnie cząstki antymaterii. Uzyskujemy w ten sposób antyprotony, antyneutrony, pozytony a nawet atomy antywodoru! Jednym z głównych problemów antymaterii jest to, że jest ona mało stabilna – po spotkaniu z materią natychmiast dochodzi do anihilacji i po cząstce antymaterii pozostaje nam tylko jej wspomnienie oraz foton. Ale naukowcy CERN mają na to radę. Wykorzystują konstrukcję na wzór pułapki Penninga. Zasada działania opiera się na tym, że cząstki antymaterii zostają uwięzione w próżni, otoczonej polem elektrycznym oraz magnetycznym, co pozwala antycząstki utrzymać w jednym miejscu. Takie rozwiązanie pozwala transportować je do naukowców, którzy potrzebują antymaterii do swoich badań , ale nie są w stanie ich otrzymywać. To z kolei pozwoli na to, że więcej ośrodków badawczych, które nie mają dostępu do CERN będzie mogło prowadzić badania z wykorzystaniem antymaterii.

Czy korzystamy na co dzień z technologii wykorzystującej antymaterię? Owszem. Już od wielu lat antycząstki, a konkretniej zjawisko anihilacji, jest wykorzystywane w medycynie. PET, czyli pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa pozwala nam niezwykle dokładnie zlokalizować miejsce zmian chorobowych w naszych ciałach. Wykorzystujemy w tym przypadku  różne tempo metabolizmu określonych związków chemicznych przez komórki organizmu w zależności od jednostki chorobowej. Jako źródło pozytonów wykorzystuje się substancje znakowane radioizotopami o krótkim czasie półrozpadu. Gdy pozyton po rozpadzie beta plus napotka na swojej drodze elektron, następuje proces anihilacji, w wyniku, którego powstają dwa fotony. I to właśnie fotony są rejestrowane w detektorach całego urządzenia, a obraz wysyłany do komputera. W ten sposób bardzo dokładnie jesteśmy w stanie zobaczyć gdzie znajduje się zmiana chorobowa, jakich jest rozmiarów i jak intensywny metabolizm przeprowadza.

Czy korzystamy na co dzień z technologii wykorzystującej antymaterię? Owszem.

A co możemy powiedzieć dziś o perspektywach antymaterii? Istnieje tak wiele ograniczeń związanych z produkcją i przechowywaniem antymaterii, że teoretycznie moglibyśmy odpuścić sobie dywagacje na ten temat. Jednak w dobie nieuchronnie zbliżającego się kryzysu energetycznego nie możemy sobie na to pozwolić. Paliwa kopalne się kończą, a ich spalanie negatywnie wpływa na kondycję naszej planety. Energia ze źródeł odnawialnych nie jest w stanie nam zapewnić tyle energii ile potrzebujemy, a warto wspomnieć, że potrzeby te stale rosną. Energia z rozszczepienia jąder atomowych też nie stanowi niewyczerpalnego źródła. Ponadto, wymienione źródła energii nie są wysokowydajne. Idealnym źródłem byłoby takie, które całą swoją masę przekształca w energię, zgodnie z równaniem Einsteina. Taką cechę ma proces anihilacji. Podczas tego procesu, po zderzeniu cząstki z antycząstką, niemal 100% masy jest przekształcana w energię. Nie jesteśmy w stanie wyobrazić sobie bardziej idealnego procesu fizycznego. Ale ma to swoje ograniczenia… Obecnie jesteśmy w stanie wygenerować 107 antyprotonów na sekundę, co sprawia, że aby wygenerować gram antymaterii potrzebowaliśmy wielu, wielu lat… Kolejną przeszkodą jest przechowywanie antymaterii. Jedyną technologią, która obecnie nam na to pozwala są wyżej wspomniane pułapki Penninga, działające jak silne pole elektromagnetyczne. Jeżeli umieścimy w takiej pułapce zbyt dużą ilość antyprotonów, których ładunek jest ujemny to w pewnym momencie siła odpychania się jednoimiennych ładunków będzie silniejsza niż wytworzone pole elektromagnetyczne, w wyniku czego antymateria zderzy się z budującą pułapkę materią i dojdzie do anihilacji. Ale nie powinniśmy się tym zniechęcać. Paliwo w formie antymaterii będzie nam potrzebne za kilka milionów lat, gdy Ziemia nie będzie już zdatną do życia planetą, a kolonizacja innych planet będzie naszym jedynym ratunkiem. Dlatego właśnie już dziś pracujemy nad technologiami umożliwiającymi nam jak najwydajniejsze wykorzystanie antymaterii.


Źródła: Nature 554, Nature 548, Science 19.2016