Łowcy antymaterii

Łowcy antymaterii

Odkrycie antymaterii pozwoli odpowiedzieć na pytanie,  dlaczego powstał wszechświat

“To przełom, który otworzy nowe horyzonty, umożliwi naukowcom badanie symetrii w naturze oraz eksplorację fundamentalnych praw fizyki rządzących wszechświatem”, cieszy się profesor Michael Charlton z Uniwersytetu Walijskiego w Swansea. Dr Alan Kostelecky z Wydziału Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Stanu Indiana mówi o “fenomenalnym osiągnięciu technicznym”, porównywalnym do pierwszego lotu braci Wright. “Nikt nie jest w stanie przewidzieć, do czego doprowadzi ludzkość to odkrycie”, mówi Kostelecky. Entuzjazm ekspertów wywołało bezprecedensowe osiągnięcie zespołu naukowców pracującego w ramach programu ATHENA w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek (CERN) pod Genewą. Wytworzyli oni ponad

50 tys. atomów antywodoru,

które istniały, jak na antymaterię, niezwykle długo – nieco mniej niż jedna setna sekundy. Można to uznać za niemal produkcję masową. Przed siedmiu laty specjaliści z CERN wytworzyli dziewięć atomów antywodoru, które zanim uległy anihilacji w zetknięciu z materią, “żyły” zaledwie czterdzieści miliardowych części sekundy. Jak wyjaśnił dr Rolf Landua, rzecznik grupy badawczej ATHENA, najpierw protony, czyli “nagie” jądra atomowe wodoru, zostały rozpędzone w wielkim akceleratorze niemal do szybkości światła. Kiedy z taką prędkością uderzały w “tarczę” z irydu, tworzyły się antyprotony – podobne cząsteczki, jednak o ujemnym ładunku elektrycznym. Skierowano je do deceleratora, pierścienia o średnicy 60 m, gdzie za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych ograniczono ich prędkość do jednej dziesiątej szybkości światła. Następnie antyprotony zostały uwięzione w atomowej pułapce utworzonej z pól elektromagnetycznych. Tam obniżono ich energię do temperatury minus 258 stopni Celsjusza (zaledwie 15 stopni powyżej zera absolutnego!). W innej “pułapce” wytworzono pozytrony, czyli antyelektrony (z ładunkiem dodatnim), pochodzące z rozpadu radioaktywnego sodu. Dwie chmury cząsteczek zostały połączone. Niektóre pozytrony wiązały się z antyprotonami, tworząc atomy antywodoru. Te miały już ładunek neutralny, elektromagnetyczne więzienie nie mogło więc ich zatrzymać. Atomy antywodoru po zetknięciu ze ścianą cylindra zbudowaną ze “zwykłej” materii ulegały więc unicestwieniu. Podczas anihilacji wyzwoliło się promieniowanie gamma oraz osobliwe cząsteczki światła zwane pionami. Właśnie na podstawie analizy tych “błysków” naukowcy doszli do wniosku, że w ciągu trzech minut powstało 50 tys. atomów antywodoru.
W CERM pracują dwa konkurencyjne zespoły badawcze: ATHENA i ATRAP. Zazdrosny rzecznik ATRAP, fizyk z Harvardu Gerald Gabrielse, początkowo wyrażał wątpliwość, czy antymateria rzeczywiście została wyprodukowana. Potem przyznał, że konkurenci odnieśli sukces, zaznaczył wszakże, że jego zespół dokonał podobnego eksperymentu (aczkolwiek na większą skalę), już przed dwoma laty. Pytany o praktyczne skutki odkrycia duński fizyk Jeffrey Hangst z zespołu ATHENA powiedział, że nie doprowadzi ono do budowy lepszych telewizorów czy komputerów, lecz może

pozwoli wyjaśnić jedną z największych tajemnic kosmologii

– dlaczego powstał wszechświat, złożony niemal wyłącznie z materii. Oprócz tego badacze ATHENY zamierzają sprawdzić, czy prawdziwa jest ogólna teoria względności Einsteina i inne założenia dotyczące uniwersum. Zgodnie z obowiązującą obecnie w nauce teorią, cząsteczki materii powinny zachowywać się tak jak cząsteczki antymaterii. W następnym eksperymencie atomy antywodoru zostaną jeszcze bardziej schłodzone i potraktowane światłem lasera. Jeżeli “przeskakujące” na wyższą orbitę atomową pozytrony antywodoru zachowają się podobnie jak elektrony wodoru, świadczyć to będzie, że teoria jest w porządku. Jeśli nie, “podręczniki fizyki trzeba będzie napisać od nowa, bowiem pominięto w nich jakieś fundamentalne prawo natury”, wyjaśnia Jeffrey Hangst.
Antymateria stanowi lustrzane odbicie materii, różni się od niej tylko ładunkiem elektrycznym. “Normalne” elektrony mają ładunek ujemny, protony zaś dodatni. Cząsteczki antymaterii naładowane są odwrotnie – antyelektrony mają znak dodatni, antyprotony – ujemny. Oba rodzaje materii nie mogą współistnieć, przy zetknięciu ulegają anihilacji, zamieniając się w energię. Właśnie z tego procesu pochodzi energia, która ogrzewa cały wszechświat.
Przed 14 mld lat, tuż po Wielkim Wybuchu, który stał się początkiem uniwersum, powstały zarówno materia jak antymateria. Uległy one natychmiast anihilacji, w niewyobrażalnej eksplozji wyzwalając ogromne ilości energii. Według niektórych hipotez, materii było odrobinę więcej niż antymaterii i właśnie tyle jej ocalało z kosmicznego piekła. Jakimś niezwykłym zbiegiem okoliczności na miliard par kwarków i antykwarków jeden kwark nie znalazł antypartnera. Z tych niedobitków kosmicznej bitwy powstały galaktyki, gwiazdy, planety, rośliny, zwierzęta i ludzie.
Większość fizyków uważa, że zniknęła wtedy cała antymateria. Niektórzy uczeni przypuszczają jednak, że ta “pierwotna zupa” nie była dobrze “wymieszana” i w niektórych miejscach znajdowało się więcej cząsteczek antymaterii. Nadwyżka ta wyszła cało z powszechnej zagłady. Oznacza to, że w niektórych regionach wszechświata mogą istnieć galaktyki, układy planetarne i całe cywilizacje zbudowane z antymaterii. Na hipotetycznej Antyziemi prawa strona jest lewą, południe północą, być może, nawet czas płynie do tyłu.
Spotkanie świata z antyświatem jest jednak niemożliwe. Gdyby “materialny” chłopak próbował pocałować dziewczynę z antymaterii, doprowadziłby do eksplozji 50 tys. razy potężniejszej niż wybuch bomby atomowej nad Hiroszimą.
Jak pisze brytyjski dziennik “The Guardian”, w naszym świecie

antymateria jest najrzadszą i najdroższą substancją.

Specjaliści z CERN “wydali w ciągu dziesięciu lat kilkaset milionów franków szwajcarskich, aby uzyskać jedną miliardową część grama”. A jednak antymateria, kojarząca się większości z literaturą science fiction, ma już znaczenie praktyczne. W szpitalach i klinikach całego świata antyelektrony używane są w tomografach pozytronowych do uzyskiwania obrazów mózgu i innych organów ciała. Teoretycznie antymateria, pozwalająca na kompletne przetwarzanie materii w energię (zgodnie z tezą Einsteina, że materia jest skondensowaną energią), może stać się idealną bronią i paliwem. Obliczono, że wystarczyłoby 0,147 grama antyprotonów (taką masę ma kropla deszczu), aby wyzwolić energię, która umożliwi podróż na Marsa. Dzięki silnikowi na antymaterię można by dotrzeć na Marsa w miesiąc (przy obecnie stosowanych napędach lot trwa prawie rok). W latach 80. stratedzy administracji Ronalda Reagana planowali zastosowanie antymaterii do budowy ogromnej tarczy, która zatrzyma sowieckie rakiety. Szybko jednak uznano tę koncepcję za niewykonalną. I całkiem słusznie. Przy obecnej technologii wytwarzanie antyprotonów pochłania 10 mld razy więcej energii, niż dostarcza anihilacja tych cząsteczek. Antymateria produkowana przez rok w CERN wystarczy na zasilanie 100-watowej żarówki najwyżej przez 15 minut. Nie można jednak wykluczyć, że w przyszłości antymateria zrewolucjonizuje ludzkie życie jeszcze bardziej, niż sprawiła to elektryczność.


Jak niebo i piekło
Przeciwstawienie materii i antymaterii fascynuje naukowców i teologów, przypomina bowiem parę dobro i zło. Brytyjski fizyk Frank Close twierdzi, że dziwna asymetria w kosmosie może, zgodnie z biblijną historią o stworzeniu świata, zostać uznana za “testament Lucyfera”. Kosmos doskonale symetryczny byłby idealny, ale nudny. Dziwne zrządzenie losu (diabelskie knowania?), sprawiły, że materii było nieco więcej, dzięki czemu mógł powstać świat i ludzie ze wszystkimi swoimi zaletami i grzechami. Herwig Schopper, były dyrektor generalny CERN, opowiadał, że zwiedzający tę placówkę Jan Paweł II zastanawiał się, czy istnieje związek między przeciwieństwami: materia i antymateria, niebo i piekło, Chrystus i Antychryst.

Wydanie: 40/2002

Kategorie: Nauka

Napisz komentarz

Odpowiedz na treść artykułu lub innych komentarzy