Gwiazdy w świecie antycząstek

"Rzeczywistość okazuje się znacznie ciekawsza i bardziej różnorodna, niż przedstawia to Dan Brown" - komentuje wydarzenie prof. Helena Białkowska z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana w Świerku (IPJ). Jak wyjaśnia, wszystkie istniejące we Wszechświecie cząstki posiadają swoje antymaterialne odpowiedniki. Mają one taką samą masę i czas życia, różnią się natomiast niektórymi cechami kwantowymi. Na przykład - pozyton to odpowiednik elektronu, lecz z dodatnim ładunkiem elektrycznym. Także pozbawione ładunku elektrycznego neutrina mają swoje antycząstki o odmiennym znaku liczby leptonowej, a fotony, w zalewie których żyjemy, są swoimi własnymi antycząstkami.

"Antymateria to rzadkość - mówi prof. Białkowska - ale nie jest prawdą, że nie istnieje w naszym otoczeniu. Antycząstki powstają na przykład podczas ostrzału atmosfery przez promieniowanie kosmiczne, a nawet podczas rozpadów promieniotwórczych, także w głębi Ziemi".

Jedną z najbardziej znanych własności antymaterii, wykorzystaną przez Dana Browna w "Aniołach i Demonach", jest jej zdolność do anihilowania ze zwykłą materią. Gdy cząstka spotka antycząstkę, obie w całości zamieniają się w promieniowanie. Proces ten prowadzi do wyzwolenia ogromnych ilości energii - podczas anihilacji jednego elektronu i jednego pozytonu powstają dwa fotony gamma o energiach 511 keV (kiloelektronowoltów) każdy. Oznacza to, że aby w konwencjonalny sposób wyzwolić energię uwalnianą podczas anihilacji 1 kg elektronów z 1 kg pozytonów, należałoby spalić ponad sześć miliardów litrów benzyny.

Największą istniejącą obecnie na świecie fabryką antymaterii jest CERN - Europejska Organizacja Badań Jądrowych, mieszcząca się pod Genewą, na granicy Szwajcarii i Francji. To tu w ubiegłym roku uruchomiono olbrzymi akcelerator cząstek - Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Jednak, mimo ogromnego budżetu, w najlepszym przypadku produkuje się tu zaledwie 10 000 000 antyprotonów na sekundę.

Kiedy w 1995 roku w CERN-ie, w trwającym aż trzy tygodnie eksperymencie, po raz pierwszy wytworzono atomy antywodoru, udało się ich wyprodukować zaledwie dziewięć. Nieco większą dawkę chłodnego antywodoru udało się uzyskać naukowcom w roku 2002 - było to 50 tys. antyatomów. W sumie cała energia z anihilacji antymaterii wyprodukowanej kiedykolwiek w podgenewskim laboratorium wystarczyłaby zaledwie do tego, by pojedyncza żarówka świeciła się przez kilka minut.

"Antymateria to najpotężniejszy żywioł, nad którym człowiek kiedykolwiek próbował zapanować. Ale wytwarzamy jej miliony razy za mało, by móc jej użyć w celach wojskowych lub jako źródło energii" - komentuje ten fakt dyrektor IPJ doc. Grzegorz Wrochna.

W "Aniołach i demonach" antymateria jest źródłem zagłady. Jak komentują specjaliści, tkwi w tym ziarno prawdy. Tuż po Wielkim Wybuchu, 13,7 mld lat temu, Wszechświat wypełniały bowiem kwanty promieniowania, które zaczęły przekształcać się w pary cząstka- antycząstka. Tak narodziły się materia i antymateria. Jednak w ciągu następnych 15 sekund doszło do anihilacji na masową skalę. Gigantyczny kataklizm przetrwała zaledwie jedna na dziesięć miliardów cząstek materii i to z tych niedobitków składa się niemal cały nasz świat. "Z nieznanych przyczyn przebieg zjawiska nie był idealnie symetryczny. Tak naprawdę nie wiemy więc, dlaczego istniejemy" - wyjaśnia doc. Mariusz Witek z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

Dziś głównym zastosowaniem antymaterii są metody obrazowania medycznego. W emisyjnej tomografii pozytonowej PET (Positron Emission Tomography) pacjentowi podaje się aktywny metabolicznie znacznik, akumulujący się w wybranym przez lekarza organie. Cząsteczki znacznika zawierają izotop promieniotwórczy, który rozpada się emitując pozytony o krótkim czasie rozpadu (np. 11C, 13N, 15O, 18F).

Cząstki te anihilują następnie z elektronami ciała pacjenta, emitując w przeciwnych kierunkach dwa kwanty promieniowania, które są rejestrowane przez specjalne detektory. Zarejestrowane pary fotonów pozwalają zaś odtworzyć obszary koncentracji znacznika. Cały proces można śledzić w czasie rzeczywistym.

"W ten sposób otrzymujemy informację o tym, jak zmienia się funkcjonowanie narządu, co pozwala diagnozować schorzenia onkologiczne, neurologiczne czy kardiologiczne " - wyjaśnia dr hab. Zygmunt Szefliński z Wydziału Fizyki UW. Jak dodaje, PET znajduje zastosowanie nie tylko w badaniu nowotworów, neurologii, neuropsychologii i kardiologii, ale nawet w farmakologii, gdzie pozwala sprawdzać, w jakich tkankach gromadzi się lek.

Badania nad rozwikłaniem tajemnicy antymaterii oraz pochodzenia Wszechświata mają być jednym z zadań realizowanych przy użyciu Wielkiego Zderzacza Hadronów. W prowadzonych tam eksperymentach bierze udział prawie 700 naukowców z 14 państw, w tym 15 Polaków (z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, Akademii Górniczo- Hutniczej w Krakowie i Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku).

"Hollywood daje okazję do pokazania, jak ekscytujące są badania nad antymaterią" - podsumowuje wizytę gości ze świata filmu Sergio Bertolucci, dyrektor CERN do spraw badań i obliczeń komputerowych.

Zdjęcia ze spotkania twórców filmu z naukowcami dostępne są na stronach Sony Pictures:

http://www.sonypicturespublicity.com/gallery.php?movie=angelsanddemons&;type=&gid=239&p=2 (PAP)