szukaj
Przełom w badaniach antymaterii
Antyświat w pułapce
Jedno z najdziwniejszych zjawisk fizycznych, którego uczeni do dzisiaj nie umieją całkowicie wyjaśnić – a więc istnienie antymaterii – powoli odsłania się.
Elektrody zastosowanej w eksperymencie ALPHA pułapki Penninga - komory, w której  doszło do wymieszania pozytonów i antyprotonów. Z nich powstały atomy antywodoru.
Niels Madsen/ALPHA/Swansea

Elektrody zastosowanej w eksperymencie ALPHA pułapki Penninga - komory, w której doszło do wymieszania pozytonów i antyprotonów. Z nich powstały atomy antywodoru.

Wizualizacja wnętrza tzw. pułapki Penninga. Falujące niebieskie linie pokazują atomy antywodoru utrzymywane w polu magnetycznym. Biały ślad to efekt anihilacji atomów po zetknięciu się z materią ścian pułapki.
CERN/ALPHA/mat. pr.

Wizualizacja wnętrza tzw. pułapki Penninga. Falujące niebieskie linie pokazują atomy antywodoru utrzymywane w polu magnetycznym. Biały ślad to efekt anihilacji atomów po zetknięciu się z materią ścian pułapki.

Laboratorium, w którym przeprowadzono eksperyment ALPHA. Na pierwszym planie zbiorniki z ciekłym helem, który służy do schładzania magnesów nadprzewodzących.
CERN/ALPHA/mat. pr.

Laboratorium, w którym przeprowadzono eksperyment ALPHA. Na pierwszym planie zbiorniki z ciekłym helem, który służy do schładzania magnesów nadprzewodzących.

Szczególy instalacji eksperymentu APLPHA. Można się zgubić w tym gąszczu aparatów i czujników.
CERN/ALPHA

Szczególy instalacji eksperymentu APLPHA. Można się zgubić w tym gąszczu aparatów i czujników.

Profesor Jeffrey Hangst - rzecznik programu APLHA.
CERN/ALPHA

Profesor Jeffrey Hangst - rzecznik programu APLHA.

Laboratorium ALPHA - widok z góry.
CERN/ALPHA

Laboratorium ALPHA - widok z góry.

Przypomnijmy, jak to było w bestsellerze „Anioły i demony” Dana Browna. Akcja powieści koncentrowała się wokół wątku poszukiwania pojemnika z kilkoma gramami antymaterii, skradzionego ze słynnego ośrodka badań jądrowych CERN pod Genewą. Pojemnik ten miał być następnie ukryty gdzieś w Watykanie. Gdyby nie został w porę odnaleziony, a więc przed rozładowaniem się zasilających go baterii, nastąpiłby wyciek antymaterii. I w kontakcie z materią doszłoby do eksplozji, niszczącej cały Watykan.

To oczywiście tylko wysokonakładowa fikcja literacka. I choć dla większego realizmu niektóre sceny filmu „Anioły i demony” z Tomem Hanksem w głównej roli rzeczywiście kręcono w CERN-ie, sam ośrodek podkreślał, że proza Browna nie ma wiele wspólnego z nauką. Badacze przekonywali, że istnienie pojemnika, w którym można by przechowywać antymaterię, to czyste science-fiction. Zaś sama antymateria jest niezwykle nietrwała. Po jej uzyskaniu można ją obserwować zaledwie przez ułamkowe części sekundy, co ogromnie utrudnia eksperymenty.

Ale od zeszłego tygodnia ten ostatni argument jest już nieaktualny.

Od 1928 do dzisiaj

W końcu lat 20. XX wieku wielki angielski fizyk, współtwórca mechaniki kwantowej Paul Dirac, usiłował podać równanie fizyczne opisujące elektron. Po wielu wysiłkach odkrył jednak, że jego równanie ma – zamiast jednego – dwa prawidłowe rozwiązania. Jedno z tych rozwiązań dotyczyło elektronu. A drugie? W ten sposób uczony doszedł do wniosku, że w świecie musi istnieć jeszcze jakaś, nie odkryta dotąd cząstka elementarna. Dokładnie taka jak elektron, ale o przeciwnym ładunku. Dirac tą teoretyczną antycząstkę nazwał pozytonem i opublikował swoje słynne dziś tzw. relatywistyczne równanie elektronu, zwane równaniem Diraca. W ten sposób ludzkość po raz pierwszy spotkała się z antymaterią.

W cztery lata później pozyton (czyli antyelektron) rzeczywiście został odkryty w trakcie eksperymentu w komorze mgłowej przez Carla Andersona z California Institute od Technology.

Wkrótce okazało się, że wszystkie znane nam cząstki materii mają swoje odpowiedniki antymaterialne, a więc bardzo podobne  do zwykłej materii tyle, że o odwrotnym ładunku elektrycznym.  Antyproton zidentyfikowano w 1955 roku, antyneutron w 1961. A potem w akceleratorach cząstek zaczęto „łapać” całe atomy antywodoru oraz jądra antydeuteru, antytrytu i antyhelu.

Uczeni zaobserwowali, że antymateria towarzyszy nam od zawsze, ponieważ tworzy się np. przy zderzeniach cząstek promieniowania kosmicznego z cząstkami atmosfery ziemskiej, oraz powstaje w rozpadach promieniotwórczych niektórych skał oraz w jądrze ziemskim. Cząstek antymaterii jest jednak zdecydowanie mniej niż cząstek materii. Poza tym są one niebywale nietrwałe. A to dlatego, że spotkanie antymaterii z materią zawsze kończy się anihilacją. Obie gwałtownie  przestają istnieć, a pozostałością po nich jest emisja wysokoenergetycznych fotonów. Istnienie materialnego pojemnika z antymaterią, w takim znaczeniu, jak to rozumiał Dan Brown, jest więc dziś niemożliwe.

W 1995 roku międzynarodowej grupie uczonych z CERN, pracujących pod Genewą w instalacji zwanej Low Energy Antiproton Ring, udało się doprowadzić do przełomu – stworzyli – w wyniku silnego zderzania cząstek materii – pierwsze sztuczne cząstki antymaterii. A dokładnie: atomy antywodoru.

Wprawdzie zaledwie 10 tych antyatomów, które istniały niezwykle krótko – ułamki sekund – ale powszechnie uznano to w świecie fizyków za wielki sukces. W 2002 roku w CERN-ie udało się tworzyć już dziesiątki tysięcy atomów antywodoru, wciąż jednak były one niezwykle krótkotrwałe, a więc niemożliwe do dokładniejszego zbadania.

16-minutowe antyżycie

Obecnie nastąpił kolejny przełom. Na początku czerwca badacze z CERN, pracujący w ramach antymaterialnego eksperymentu ALPHA donieśli, że udało im się stworzyć i utrzymać przy życiu atomy antywodoru przez 16 minut i 40 sekund. W pułapce magnetycznej, zbudowanej  z magnesów nadprzewodzących, dokonali wymieszania chmury antyelektronów (pozytonów) z chmurą antyprotonów i po obniżeniu ich energii powstało kilka tys. atomów antywodoru, czyli antymaterialnego odpowiednika pierwiastka najbardziej rozpowszechnionego w świecie. Niektóre z nich  trwały aż 16 minut i dzięki temu mogły przejść do stanu podstawowego, a więc znacznie obniżyć swoją energię. To z kolei pozwoli fizykom – być może już wkrótce –zbadać je dokładniej, a więc skrupulatnie porównać z atomami wodoru lub na przykład zobaczyć, jak zachowują się w polu grawitacyjnym.

Atomy antywodoru w udanym eksperymencie ALPHA długo nie anihilowały z materią ścian komory eksperymentalnej, ponieważ w ogóle się z nią nie stykały. Były utrzymywane niejako w zawieszeniu, dzięki bardzo silnemu polu magnetycznemu, które na nie wpływało. Wystarczyło jednak na chwilę pole osłabić, by cząstki anty materii zetknęły się z atomami materii i .... już po nich.

Źródło boskiej energii

Badania te mają wielkie znaczenie. Przede wszystkim pozwolą uczonym zrozumieć, jak w ogóle powstał materialny świat. Tuż po Wielkim Wybuchu było bowiem tyle samo materii, co antymaterii. Obie zaczęły anihilować, a więc unicestwiać się. Jednak w wyniku istnienia niezrozumiałej jeszcze asymetrii, po wielkiej anihilacji pozostało więcej materii aniżeli antymaterii. I właśnie z tej pozostałej nadwyżki powstały galaktyki, planety i my. Do dzisiaj wielu fizyków uważa, że w dalszym kosmosie wciąż pozostały ślady istnienia antymaterii i to w postaci dużych skupisk, na przykład galaktyk. Twierdził tak m.in. szwedzki noblista, astrofizyk Hannes Alfven, który sugerował nawet, że równowaga antymaterii i materii w skali kosmicznej utrzymała się, dlatego wiele gwiazd i galaktyk, które dzisiaj możemy obserwować ma budowę antymaterialną. Być może więc – sugerował Alfven – nawet  najbliższa nam gwiazda, Alfa Centauri, ma taką budowę.

Antymaterialne rozważania fizyków mają jednak nie tylko walor teoretyczny. Anihilacja materii-antymaterii jest najbardziej efektywnym znanym procesem uzyskiwania energii. Proces ten setki razy przewyższa efektywność fuzji jądrowej i miliony razy tradycyjne spalanie najbardziej wydajnych paliw. Gdyby ludzkość kiedyś nauczyła się wytwarzać duże ilości antymaterii i potrafiła je utrzymywać w sposób trwały, a następnie doprowadzać do kontrolowanej anihilacji z materią, byłoby to źródło energii mogące pokryć nasze zapotrzebowania na zawsze. Z pewnością też, śladem pomysłów Dana Browna, antymateria mogłaby się stać, niestety, potężną bronią. Miejmy jednak nadzieję, że nie zdarzy się w bliższej ani dalszej przyszłości.

Dzisiaj natomiast antymateria jest wykorzystywana niemal na co dzień, m.in. w medycynie, w nowoczesnych urządzeniach typu PET, czyli emisyjnej tomografii pozytonowej. Służą one do wczesnego wykrywania nowotworów. To właśnie anihilacja pozytonów (antyelektronów) w ciele pacjenta wywołuje emisję fotonów, które odczytane przez aparaturę umożliwiają tworzenie dokładnych obrazów wnętrza naszego ciała.

Czytaj także

W nowej POLITYCE

Zobacz pełny spis treści »

Poleć stronę

Zamknij
Facebook Twitter Google+ Wykop Poleć Skomentuj