Antymetria - jaka jest, nie wie nikt...

"Hollywood daje okazję do pokazania, jak ekscytujące są badania nad antymaterią" - dodaje Sergio Bertolucci, dyrektor CERN do spraw badań i obliczeń komputerowych.

ANTYMATERIA WOKÓŁ NAS

Świat, w którym żyjemy, jest zdominowany przez protony, neutrony, elektrony i fotony. Istnieją jednak cząstki im przeciwne - antycząstki. Proton ma swój antyproton, neutron - antyneutron, elektron - pozyton itp.

Cząstki te, czyli antymateria, obecne są w naszym środowisku przez cały czas. Powstają w wyniku naturalnych procesów zachodzących we Wszechświecie. Na przykład, pary kwarki-antykwarki oraz elektrony- pozytony tworzą się "nad naszymi głowami", w atmosferze, pod wpływem promieniowania kosmicznego. Natomiast pozytony i antyneutrina powstają w wyniku niektórych rozpadów pierwiastków promieniotwórczych znajdujących się w skorupie ziemskiej oraz w jądrze Ziemi. Ponieważ pierwiastków takich jest wokół nas całkiem sporo, antymateria w śladowych ilościach jest stałym, naturalnym składnikiem najbliższego otoczenia człowieka.

Przypuszcza się także, że pozytony mogą powstawać podczas wybuchów supernowych oraz zderzeń gwiazd neutronowych. Mogą też pochodzić z dżetów - strug materii wyrzucanych z biegunów czarnych dziur. Symulacje komputerowe sugerują, że - raz na 100 tysięcy do miliona lat - supermasywna czarna dziura w jądrze Drogi Mlecznej rozrywa jakąś gwiazdę. W wyniku tego materia zaczyna opadać, stając się źródłem protonów poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła, które zderzając się ze sobą, wytwarzają m.in. pozytony.

Od niedawna cząstki antymaterii mogą być także wytwarzane w warunkach laboratoryjnych. W 1995 roku, po trzech tygodniach pracy aparatury LEAR (Low Energy Antiproton Ring) fizykom z CERN udało się wyprodukować pierwsze "sztuczne" atomy gorącego antywodoru. Powstało ich wówczas niezwykle mało - zaledwie 10. Większą ilość, bo 50 tys. atomów antywodoru, uzyskano dopiero w 2002 roku, w ramach CERN-owskiego projektu ATHENA. Obecnie naukowcy spod Genewy potrafią produkować do 107 antyprotonów na sekundę.

ANTYMATERIA W FIZYCE

Według naukowców zajmujących się badaniem historii Wszechświata, początki wszelkiego istnienia sięgają 13,7 mld lat wstecz, kiedy to doszło do zjawiska zwanego Wielkim Wybuchem. W jego wyniku kwanty wypełniającego Wszechświat promieniowania przekształciły się w pary cząstka-antycząstka. Dało to początek materii i antymaterii.

Istnienie tej drugiej po raz pierwszy na świecie zaczął postulować angielski fizyk Paul Dirac. W 1928 roku, na podstawie rozwiązania wyprowadzonych przez siebie równań, stwierdził, iż w Kosmosie muszą istnieć cząstki nieznanego typu, przeciwne do dotychczas poznanych. Nazwał je antymaterią.

Cztery lata później, w roku 1932 roku, w California Institute of Technology, Carl David Anderson po raz pierwszy zaobserwował jedną z takich cząstek - pozyton. Kolejną - antyproton - udało się zidentyfikować w 1955 roku w akceleratorze Bevatron w Lawrence Berkeley Laboratory, gdzie 6 lat później odkryto także antyneutron. W roku 1965 w CERN naukowcy zaobserwowali natomiast antydeuteron.

Wszystkie antycząstki różnią się od swoich partnerskich cząstek znakiem ładunku elektrycznego. Na przykład pozyton, antymaterialny partner elektronu, ma tę co on samą masę, lecz niesie dodatni ładunek elektryczny. Tak samo jest w przypadku antyprotonów, antyneutronów czy atomów antywodoru.

"Dziś wiemy, że antymateria jest nieodłącznym partnerem materii. Gdy kwant promieniowania przekształca się w materię (zgodnie z najsłynniejszym wzorem szczególnej teorii względności: E=mc2), zawsze tworzy się cząstka i odpowiadająca jej antycząstka. Z kolei, gdy cząstka i antycząstka spotkają się, dochodzi do procesu odwrotnego: anihilacji, czyli przekształcenia materii w czyste promieniowanie. Procesy te mają doniosłe konsekwencje dla naszego istnienia" - wyjaśniają specjaliści ze Świerka.

ANIHILACJA - ŹRÓDŁO NIEZIEMSKIEJ ENERGII

Naukowcy uważają, że anihilacja jest najefektywniejszą formą przekształcania materii w energię. W wyniku anihilacji 1 kg materii z 1 kg antymaterii powstaje prawie 100 razy więcej energii, niż w wyniku fuzji termojądrowej dwóch kilogramów wodoru i aż 10 miliardów razy więcej, niż po spaleniu dwóch litrów benzyny.

"Gdy elektron napotyka pozyton (swojego antypartnera), obie cząstki przekształcają się w dwa kwanty promieniowania o energii 511 keV, czyli 511 000 eV (elektronowoltów) - tłumaczą fizycy z IPJ. - Jak duża to wartość? Ogromna, bo każde zwiększenie energii elektronu o 1 eV oznacza wzrost temperatury o 11 605 stopni (1 eV to energia, jaką elektron zyskuje w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 V)".

Potęgę procesu anihilacji najlepiej obrazuje model powstania Wszechświata. Około 15 sekund po Wielkim Wybuchu materia i antymateria zaczęły ze sobą anihilować. Jednak, ponieważ symetria tego procesu z nieznanych nam przyczyn uległa zaburzeniu, tylko jedna na dziesięć miliardów cząstek antymaterii przetrwała. Ale już ta niewielka ilość wystarczyła do uformowania całego obserwowalnego Wszechświata!

ANTYMATERIA W "ANIOŁACH I DEMONACH" - FILMOWA FIKCJA

W "Aniołach i Demonach" pada stwierdzenie, że "antymateria jest identyczna z materią z wyjątkiem faktu, że składa się z cząstek, których ładunki elektryczne są przeciwne do tych w normalnej materii". Jest to - zdaniem naukowców - teoria prawdziwa, lecz niekompletna. W rzeczywistości antycząstki muszą bowiem spełniać kilka dodatkowych warunków. "Granica między światami materii i antymaterii nie jest więc wcale tak ostra, jak pokazano to w Aniołach i demonach. Tym bardziej, że Dan Brown (reżyser filmu - przyp. PAP) myli się również twierdząc, że antymateria nie występuje na Ziemi. W rzeczywistości antycząstki powstają co chwilę, wskutek niektórych rozpadów pierwiastków promieniotwórczych w skorupie i jądrze naszej planety oraz podczas ostrzału atmosfery przez promieniowanie kosmiczne" - tłumaczą specjaliści.

W "Aniołach i demonach" antymateria jest też niezwykle groźną siłą, substancją wyjątkowo dla nas niebezpieczną. I znowu jest to pewne zafałszowanie rzeczywistości. Naukowcy z IPJ tłumaczą, że Dan Brown ma rację w jednym: gdy dana cząstka spotyka swą antycząstkę, obie anihilują - przekształcają się w czyste promieniowanie. Anihilacja kilograma antymaterii z kilogramem materii wytwarza kilkadziesiąt razy więcej energii od wyzwolonej podczas fuzji termojądrowej dwóch kilogramów wodoru - jest więc potężną siłą. Jednak, aby wykorzystać ją np. w celach militarnych, potrzebowalibyśmy przynajmniej kilkudziesięciu, a nawet kilkuset, gramów antymaterii. Tymczasem jest to praktycznie nieosiągalne. "Nawet zakładając, że udałoby się przechować każdą wyprodukowaną antycząstkę i że użylibyśmy najnowszych urządzeń do jej wytwarzania, zgromadzenie antyprotonów na jeden ładunek o mocy bomby atomowej musiałoby trwać miliardy lat, a cena jednej bomby - według obecnych szacunków - przekraczałaby tysiące trylionów dolarów" - tłumaczą eksperci.

Jak dodają, poza tym faktem istotne jest też, że w realnym świecie anihilacją w kontakcie z nami grozi tylko określony rodzaj antymaterii, składający się z antypartnerów cząstek tworzących nasz świat i nasze ciała, a więc z pozytonów oraz antykwarków dolnych i górnych. Pozostałe antycząstki zachowywałyby się w kontakcie z materią naszego świata podobnie jak inne, zwykłe substancje.

Ważnym rekwizytem w filmie są pojemniki służące do przechowywania gramowych ilości antymaterii. W rzeczywistości uzyskanie podobnego efektu jest - na obecnym poziomie wiedzy - niemożliwe. Co prawda istnieją specjalne pułapki, tzw. pułapki Penninga, zbudowane z odpowiednio ukształtowanych pól elektrycznego i magnetycznego, służące do wyłapywania antymaterii. Jednak, gdy chcemy w takiej pułapce umieścić dużą liczbę antycząstek o tym samym ładunku elektrycznym (czyli albo pozytonów, albo antyprotonów), pojawiają się problemy. Im będzie antycząstek, tym mocniejsze odpychanie między nimi, które w pewnym momencie przezwycięży siły pól w pułapce. Wskutek tego ograniczenia obecnie potrafimy przez kilka godzin przechować zaledwie do 1012 antycząstek. Aby uzyskać efekt jak w filmie - pojemnik na gramowe ilości antymaterii - trzeba byłoby zbudować 10 miliardów takich pułapek.

ANTYMATERIA NA ZDROWIE

W realnym świecie najszersze zastosowanie antymateria znalazła w medycynie, np. w emisyjnej tomografii pozytonowej (PET) - ważnej metodzie obrazowania medycznego, która wykorzystuje anihilację pozytonów do odtworzenia wyglądu wnętrza organizmu pacjenta (całego ciała, fragmentu lub organu). W trakcie badania PET do ciała pacjenta wprowadza się aktywny metabolicznie znacznik, który gromadzi się w wybranym przez lekarza organie. Cząsteczki znacznika zawierają izotop promieniotwórczy, który rozpada się emitując pozytony. Cząstki te anihilują następnie w ciele pacjenta, w skutek czego powstają dwa kwanty promieniowania gamma, emitowane w przeciwnych kierunkach. Kwanty takie rejestrowane są przez detektory tomografu, co pozwala znaleźć miejsca koncentracji znacznika i stworzyć obraz wnętrza organizmu. Co ważne, dawka promieniowania pochłonięta przez pacjenta nie przekracza dawki otrzymywanej podczas zwykłego prześwietlenia rentgenowskiego.

Warto zaznaczyć, że jednym z naukowców, który brał udział w projekcie budowy pierwszego tomografu pozytonowego, wykorzystującego do obrazowania wnętrza ciała pacjenta czasy przelotów kwantów anihilacyjnych, był Polak - prof. Marek Moszyński z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku.

Jest prawdopodobne, że w przyszłości antymateria będzie wykorzystywana w medycynie jeszcze efektywniej. Naukowcy pracują nad zastosowaniem jej w terapii przeciwnowotworowej. W 2003 roku w CERN-ie przeprowadzono wstępne badania, których celem było sprawdzenie efektywności odpowiednio zogniskowanej wiązki antyprotonów w likwidowaniu tkanek nowotworowych. Eksperymenty te wykazały, że 1010 antyprotonów może efektywnie zniszczyć nowotwór objętości 1 cm3, co oznacza czterokrotnie wyższą efektywność w stosunku do stosowanych obecnie technik. Większa efektywność przekłada się z kolei na potrzebę użycia mniejszej ilości cząstek, co znacząco redukuje ryzyko uszkodzenia zdrowych komórek. Na razie jednak na przeszkodzie w upowszechnieniu tej metody stoi wysoka cena wytwarzania antyprotonów.

NIEWYJAŚNIONA ZAGADKA

Antymateria wciąż pozostaje dla fizyków zagadką. Naukowcy mają nadzieję, że do jej rozwiązania przyczyni się akcelerator LHC, czyli Wielki Zderzacz Hadronów. Jeden z prowadzonych w nim eksperymentów - LHCb - został zaprojektowany właśnie w taki sposób, aby rejestrować różnice między materią a antymaterią.

"Badania nad antymaterią mają kluczowe znaczenie dla naszej najdokładniejszej teorii budowy materii - Modelu Standardowego. Teoria ta przewiduje pewne drobne różnice w symetrii między materią a antymaterią, które mogą ujawnić się w określonych warunkach. Różnice te są jednak niewystarczające do wytłumaczenia obserwowanej we Wszechświecie dysproporcji między światami materii i antymaterii. Oznacza to, że Model Standardowy jest teorią niekompletną lub ma ograniczony zakres stosowalności, a my dotarliśmy do jego granicy. Badania nad antymaterią mogą więc doprowadzić do sformułowania nowej, bardziej fundamentalnej teorii budowy materii" - podkreślają pracownicy ze Świerka.

"Stworzenie w pierwszej połowie XX wieku mechaniki kwantowej, pierwszej teorii fizycznej opisującej świat kwantów, w ramach której powstał Model Standardowy, stało się podstawą współczesnej rewolucji technologicznej i cywilizacyjnej. Możemy więc przypuszczać, że zbudowanie nowej, pełniejszej teorii będzie miało równie doniosłe znaczenie dla jakości życia naszych dzieci" - dodają.(PAP)