Nauka

Niezwykła antymateria

Numer 3/2018
Andrey VP / Shutterstock
Kiedyś antymateria napędzała tylko wyobraźnię pisarzy SF, dziś pomaga testować teorie fizyczne, stymuluje rozwój technologii kosmicznych, a także wspomaga diagnostykę medyczną.
Paul Dirac (1902–1984) prezentuje kwantowo-mechaniczny model cząsteczki wodoru.Wikipedia Paul Dirac (1902–1984) prezentuje kwantowo-mechaniczny model cząsteczki wodoru.
Modele atomu materii (góra) i antymaterii (dół).general-fmv/Shutterstock Modele atomu materii (góra) i antymaterii (dół).
Anihilacja pary elektron–pozyton.chromatos/Shutterstock Anihilacja pary elektron–pozyton.
PET – pozytonowa tomografia emisyjna.Wikipedia PET – pozytonowa tomografia emisyjna.
Kreacja par elektron–pozyton z fotonu. Foton (1) napotyka atom lub cząsteczkę, którym przekazuje część pędu. e– – elektron, e+ – pozyton, g2 – foton o niższej energii.Wikipedia Kreacja par elektron–pozyton z fotonu. Foton (1) napotyka atom lub cząsteczkę, którym przekazuje część pędu. e– – elektron, e+ – pozyton, g2 – foton o niższej energii.

Wielu czytelników spotkało się z pojęciem antymaterii w rozmaitych książkach fantastycznonaukowych, część zapewne pamięta też książkę Dana Browna oraz film „Anioły i demony”, w których antymateria skradziona z CERN-u służy do szantażu w Watykanie. To wszystko jest oczywiście fikcją literacką, ale realna antymateria jest bliżej nas, niż nam się wydaje. Jeśli mamy w domu np. banany, mamy też antymaterię. Wynika to z tego, że potas-40, będący naturalnym izotopem promieniotwórczym obecnym w tych owocach, czasami rozpada się, emitując dodatni elektron (pozyton), który jest właśnie antycząstką. Nie wyrządzi on nam jednak żadnej szkody, bo bardzo szybko spotyka się ze zwykłym ujemnym elektronem i ulega anihilacji (unicestwieniu).

Dirac, Wheeler, Feynman

Fizyk brytyjski Paul Adrien Maurice Dirac w wieku zaledwie 26 lat wyprowadził w 1928 r. znane każdemu specjaliście nauk ścisłych równanie opisujące zachowanie elektronu, znane dziś jako równanie Diraca. Rozwiązanie tego równania dawało dwa wyniki, ale jeden z nich był związany z ujemną energią, a więc z fizycznego punktu widzenia nie miał sensu. Młody uczony zauważył jednak, że wszystko będzie się zgadzać ze zdrowym rozsądkiem, jeśli opisywana cząstka będzie miała ładunek dodatni. W tamtym czasie koncepcję tę przyjęto jako zwykłą ciekawostkę matematyczną, ale już w 1932 r. amerykański fizyk Carl David Anderson wykonał doświadczenie, w którym – wykorzystując docierające do Ziemi promieniowanie kosmiczne – jednoznacznie wykazał istnienie takiej cząstki. Nazwano ją antyelektronem (pozytonem).

Warto wiedzieć, że ciekawą koncepcję teoretyczną w tamtym czasie wysunęli dwaj wybitni uczeni – John Wheeler i Richard P. Feynman. Uznali oni, że antycząstki mogą być zwykłymi cząstkami elementarnymi, które poruszają się wstecz w czasie. Pomysł ten wydaje się naprawdę szalony, ale okazuje się, że nie ma żadnych teoretycznych przeciwwskazań, aby tak właśnie było.

Antyświat

Odkrycie pozytonu było impulsem do poszukiwania następnych antycząstek, choć trochę to potrwało. W 1955 r. odkryto antyproton (o ładunku ujemnym), a rok później – antyneutron. Dziś znamy dziesiątki antycząstek. W zasadzie każda cząstka elementarna ma swój lustrzany odpowiednik. Jest tylko jeden znaczący wyjątek – foton. W jego przypadku fizycy uznają, że cząstka i antycząstka są identyczne. Wiemy już też, że cząstki, które kiedyś uważano za elementarne, składają się z jeszcze bardziej elementarnych kwarków. Zgodnie ze współczesnymi teoriami istnieją też antykwarki – i np. antyproton składa się z trzech antykwarków.

Skoro znamy antycząstki, to logiczny jest postulat istnienia antyatomów. Jeśli gdzieś spotka się antyproton z pozytonem, może powstać atom antywodoru. W warunkach ziemskich poszukiwanie go było przez lata bardzo skomplikowane. Dziś jednak dysponujemy aparaturą badawczą, która umożliwia niezwykłe eksperymenty. I tak pod koniec XX w. udało się wytworzyć pojedyncze atomy antywodoru. Były to jednak tzw. gorące atomy, których czas życia był na tyle krótki, że nie dało się przeprowadzić żadnych konkretnych badań. Dopiero na początku XXI w. wyprodukowano „zimny” antywodór dzięki tzw. pułapkom Penninga, służącym do przechwytywania i utrzymywania cząstek naładowanych. Laboratorium CERN w Genewie doniosło w latach 2002 i 2004 o otrzymaniu sporej liczby antyatomów – w najnowszych eksperymentach były to już miliony. Ulepszenie techniki pułapkowania pozwala teraz uzyskać po kilka atomów o czasie życia wynoszącym nawet kilkanaście minut. Umożliwiło to m.in. zbadanie ich widma. Ma ono identyczne parametry jak widmo zwykłego atomu wodoru. Fizycy mogli odetchnąć, ponieważ było to zgodne z teorią. Gdyby widmo okazało się inne, trzeba by przekonstruować sporą część teorii fizycznych. Antywodór uznaje się dziś za jedną z najdroższych substancji na świecie. Szacuje się, że 1 g tego pierwiastka kosztuje 90 bilionów dol. (dla porównania: PKB wszystkich krajów w 2016 wyniósł 75 bilionów dol.). W ostatnich latach udało się otrzymać antydeuter oraz antytryt (tryt i deuter to izotopy wodoru), a największym uzyskanym dotychczas antyatomem jest antyhel. Wydaje się, że otrzymanie większych antyatomów będzie ekstremalnie trudne.

Skoro istnieją antyatomy, to naturalne jest pytanie o antycząsteczki, a w końcu – o antyświat. Teoria oczywiście nie zabrania istnienia takiego lustrzanego świata. Kto wie, może on gdzieś tam istnieje, ale lepiej, by znajdował się w bezpiecznej odległości od naszego, bo ich spotkanie zakończyłoby istnienie obu. Mielibyśmy olbrzymią eksplozję z utworzeniem wielkiej ilości światła, ale na pewno nikt by już o tym nie mógł opowiedzieć ani napisać.

Anihilacja i kreacja

Tak jak wspomniałem wyżej, spotkanie cząstek z antycząstkami jest zjawiskiem bardzo gwałtownym. Naukowcy obserwują je od lat. Pierwsze były oczywiście zderzenia elektronu i pozytonu. W wyniku takiego spotkania cząstki przestają istnieć, a ich masa zostaje przekształcona w kwanty światła (fotony), które odlatują w przeciwnych kierunkach. Sumaryczna energia tych kwantów wynika ze znanego wzoru Einsteina E = mc2. Warto pamiętać, że w takiej reakcji powstają najczęściej dwa fotony. Wynika to z jednej z podstawowych zasad fizyki, a mianowicie z zasady zachowania pędu. Jest to najprostszy przypadek anihilacji. Inaczej przebiega zderzenie cięższych cząstek, np. protonów. Składają się one z kwarków (oraz antykwarków), które w momencie zderzenia zaczynają oddziaływać z sobą, wskutek czego powstaje szereg cząstek lżejszych niż proton (konkretnie: mezonów) oraz kwanty promieniowania.

Niesamowicie fascynujący jest z kolei proces odwrotny, nazywany kreacją par. Jeśli foton (przypominam, to cząstka nieposiadająca masy) ma wystarczająco dużo energii i na swojej drodze spotka dodatkową cząstkę, która przejmie nadmiar energii i pędu, możliwe jest przekształcenie go w parę cząstka–antycząstka, która rozbiegnie się w różnych kierunkach. Tu również kluczowy jest wzór Einsteina materia nie powstaje z niczego, uzyskujemy ją z energii fotonu. Jako ciekawostkę można dodać, że gdyby całą wytworzoną dotychczas przez człowieka antymaterię poddać anihilacji, uzyskana energia nie wystarczyłaby do zagotowania filiżanki wody na herbatę.

Co się stało z antymaterią z Wielkiego Wybuchu?

Zgodnie z aktualnymi poglądami na powstanie wszechświata w chwili Wielkiego Wybuchu powinno powstać dokładnie tyle samo materii i antymaterii. Tyle że w takim przypadku zaraz potem nastąpiłaby anihilacja i wszechświat składałby się wyłącznie z fotonów. Widać więc, że gdzieś musiała wystąpić drobna asymetria, która spowodowała, że nie ma tam gdzieś daleko antyświata składającego się wyłącznie z antymaterii. Według obliczeń teoretycznych wystarczy bardzo niewielka przewaga materii nad antymaterią (1 cząstka na miliard), by wszystko pasowało do obecnego modelu. Już od jakiegoś czasu fizycy wiedzą, że istnieją bardzo subtelne różnice w zachowaniu się antymaterii w stosunku do „zwykłej” materii, ale one nie przybliżają uczonych do wyjaśnienia tej wielkiej zagadki. Nadal więc trwają badania, co konkretnie spowodowało, że świat wygląda tak, jak wygląda.

Do czego może się przydać antymateria?

Pierwotnie antymateria była tylko koncepcją teoretyczną. Dziś jednak potrafimy ją badać zdalnie oraz wytwarzać. Okazuje się, że można ją także wykorzystać do bardzo praktycznych celów. W medycynie mamy już całkiem popularne urządzenia PET (patrz ramka).

Trwają badania nad wykorzystaniem antymaterii jako paliwa, szczególnie do napędu statków kosmicznych. Jedną z wersji jest tu napęd impulsowy katalizowany antyprotonami. Wstrzyknięcie niewielkiej ilości antyprotonów w podkrytyczną masę uranu czy plutonu może spowodować zainicjowanie reakcji rozpadu (takiego jak w bombie jądrowej). Szacuje się, że do wywołania pojedynczej eksplozji wystarczy 1 µg antyprotonów. Innym projektem jest klasyczna anihilacja, w której cała masa spoczynkowa materii i antymaterii przekształca się w energię kinetyczną. Niestety, w tym przypadku wielkim problemem technicznym pozostaje skierowanie tej energii w konkretną stronę, dlatego ten pomysł jest nadal bardzo daleki od realizacji.

Zapewne dla nikogo nie będzie zaskoczeniem, że również wojsko pracuje nad wykorzystaniem antymaterii do swoich celów. Na szczęście w tym przypadku trudności i przewidywane koszty są tak olbrzymie, że projekty te nie wyszły poza laboratoria, w których prowadzi się prace czysto teoretyczne.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

PET – pozytonowa tomografia emisyjna

Najmniejsze antycząstki – pozytony – z powodzeniem wykorzystuje się w diagnostyce medycznej. Zwykle organizm człowieka jest prześwietlany promieniami z zewnątrz. Tak dzieje się w klasycznym rentgenie, tomografii komputerowej czy magnetycznym rezonansie jądrowym. W przypadku PET sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Tutaj promieniowanie pochodzi wprost z wnętrza organizmu i jest generowane przez antymaterię, a konkretnie przez pozytony, które ulegają anihilacji ze wszechobecnymi elektronami. Pozytony pochodzą z rozpadu izotopu fluoru-18, który w postaci fludeoksyglukozy wprowadza się dożylnie przed badaniem. Związek ten wędruje w ciele takimi szlakami jak glukoza. Fluor-18 ulega rozpadowi beta plus, generując pozytony. Każda z tych cząstek dość szybko trafia na elektron, powodując anihilację. W jej wyniku powstaje para fotonów o identycznej energii, które poruszają się dokładnie w przeciwnym kierunku. I właśnie te pary fotonów są wykrywane przez tomograf. Pozwala to na wizualizację miejsc zmienionych chorobowo, ponieważ tkanki nowotworowe w inny sposób metabolizują pochodne glukozy. Technikę tę stosuje się głównie do wykrywania nowotworów mózgu, ale też w diagnostyce miażdżycy czy badaniach chorób zakaźnych.

01.03.2018 Numer 3/2018
Reklama

Czytaj także

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną