Antymateria

Antymateria – układ antycząstek. Antycząstki to cząstki elementarne podobne do występujących w „zwykłej” materii (koinomaterii), ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego oraz wszystkich addytywnych liczb kwantowych (np. izospinu, dziwności, liczby barionowej itp).

W momencie kontaktu antymaterii z materią (zwykłą) obie ulegają anihilacji. Energia związana z masą spoczynkową anihilujących cząstek ulega przy tym zamianie na energię promieniowania elektromagnetycznego lub energię kinetyczną lżejszych cząstek.

W 2013 roku wstępnie eksperymentalnie wykazano, że antymateria oddziałuje grawitacyjnie tak samo jak koinomateria.

W kwantowej teorii pola antycząstki mają przeciwne w stosunku do cząstek ładunki (symetria C) oraz parzystość (symetria P).

Historia

W 1928 roku Paul Dirac wprowadził relatywistyczne równanie elektronu, nazwane później równaniem Diraca. Z rozwiązania tego równania wynikało, że powinna istnieć cząstka przeciwna do elektronu. Cząstkę tę, zwaną obecnie pozytonem, zaobserwował w 1932 roku Carl David Anderson.

Obecnie model standardowy zakłada, że każda cząstka ma antycząstkę, która ma masę równą masie cząstki, a jej liczby kwantowe mają znak przeciwny do liczby kwantowej tej cząstki. Niektóre cząstki (np. foton) są swoimi własnymi antycząstkami.

Wytwarzanie antymaterii

Możliwe jest wytwarzanie śladowych ilości antymaterii poprzez zderzanie cząstek rozpędzonych w akceleratorach. W wyniku reakcji jądrowych mogą powstawać antycząstki. W ten sposób udało się otrzymać m.in. antyprotony, antyneutrony, pozytony (antyelektrony), a także atomy antywodoru (ściślej antyprotu, czyli pary antyproton – antyelektron) oraz jądra antydeuteru, antytrytu i antyhelu.

W CERN, w eksperymencie ALPHA urządzenie skonstruowane na wzór pułapki Penninga służy do przechowywania antyelektronów i antyprotonów i wytwarzania obojętnych atomów antywodoru.

Antymateria na Ziemi

Antycząstki powstają naturalnie również w warunkach ziemskich podczas wyładowań atmosferycznych, którym towarzyszyć mogą błyski gamma. Ślady po anihilacji pozytonów generowanych w trakcie burzy zaobserwowano za pomocą kosmicznego teleskopu Fermiego. Z kolei podczas huraganu Patricia w 2015, samolot Hurricane Hunter wyposażony w Airborne Detector for Energetic Lightning Emissions mk II (ADELE), przeleciał przez oko cyklonu i wykrył emisje kwantów gamma pochodzących z anihilacji pozytonów.

Antymateria we Wszechświecie

Interesującym zagadnieniem jest ewentualna obecność naturalnych skupisk antymaterii we Wszechświecie. Symetria pomiędzy zwykłą materią (koinomaterią) i antymaterią w naturalny sposób rodzi hipotezę, że Wszechświat powinien zawierać je w jednakowej ilości.

Poszukiwanie kosmicznej antymaterii jest utrudnione przez równość mas cząstek i antycząstek oraz symetrię oddziaływań elektromagnetycznych ze względu na transformację C (zamianę cząstek na antycząstki). Powodują one, że obserwacje promieniowania elektromagnetycznego i oddziaływania grawitacyjnego odległego obiektu nie pozwalają na określenie czy jest on zbudowany z koinomaterii, czy z antymaterii.

Z bezpośrednich obserwacji wiadomo, że cały Układ Słoneczny i jego najbliższe otoczenie zbudowane są ze zwykłej materii. Analiza pierwotnego promieniowania kosmicznego pokazuje, że jest to prawdą również dla odleglejszych obiektów. W zakresie energii pomiędzy 1 GeV a 50 GeV antyprotony stanowią mniej niż 0,01% docierających do Ziemi cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego, a ich liczba i rozkład energii są zgodne z obliczeniami przeprowadzonymi przy założeniu, że są one cząstkami wtórnymi, produktami zderzeń pierwotnego promieniowania z cząsteczkami gazu międzygwiazdowego. Wynika z tego, że całe pierwotne promieniowanie kosmiczne w zakresie średnich energii składa się z koinomaterii, co wskazuje, że obiekty je emitujące również są z koinomaterii zbudowane.

Dla promieni kosmicznych o bardzo wysokich energiach (pochodzących w większości spoza naszej galaktyki) identyfikacja antyprotonów jest znacznie trudniejsza. Dysponujemy jednak wynikami pomiarów wskazujących, że i w tym zakresie energii protony stanowią, jeżeli nie całość, to przynajmniej znaczną większość cząstek. Pokazuje to, że także w Grupie Lokalnej i innych pobliskich gromadach galaktyk koinomateria jest w przewadze.

Pośrednim argumentem za tym, że cały obserwowany Wszechświat jest zbudowany ze zwykłej materii, są negatywne próby zaobserwowania promieniowania powstającego podczas anihilacji koinomaterii i antymaterii. Gdyby we Wszechświecie istniały duże skupiska antymaterii, musiałyby też istnieć obszary graniczne, gdzie zwykła materia wyrzucona z galaktyk spotykałaby się z antymaterią wyrzuconą z „antygalaktyk” i dochodziłoby do anihilacji i uwolnienia znacznych energii w postaci promieniowania. Promieniowania takiego jednak nie obserwujemy, co świadczy, że obserwowany Wszechświat nie zawiera znaczących obszarów zbudowanych z antymaterii.

Według aktualnego stanu wiedzy, Wszechświat wydaje się niesymetryczny i zawiera więcej barionów niż antybarionów. Większość uczonych skłania się ku hipotezie, że asymetria ta została wytworzona na bardzo wczesnym etapie życia Wszechświata (krótko po Wielkim Wybuchu) w procesie zwanym bariogenezą. Przed spontanicznym złamaniem symetrii elektrosłabej antymateria również była odróżnialna od koinomaterii, np. na podstawie skrętności.

Linki zewnętrzne

• Krzysztof Turzyński, Ziomkowie i Wszechświat, miesięcznik „Delta”, grudzień 2010 [dostęp 2023-05-21].
• SzymonS. Charzyński SzymonS., Antyspadanie, „Delta”, czerwiec 2024, ISSN 0137-3005 [dostęp 2024-06-04] .

Nagrania na YouTube [dostęp 2024-08-30]:

• Karolina Głowacka i Jan Kisiel, Deficyt antymaterii – dlaczego istnieje raczej coś niż antycoś?, kanał „Radio Naukowe”, 25 maja 2023.
• Chloé Malbrunot, If matter falls down, does antimatter fall up? (ang.), kanał TED-Ed na YouTube, 29 września 2014.
• Sabine Hossenfelder, Where is the anti-matter? (ang.), kanał autorski na YouTube, 4 grudnia 2021.