Antymateria potrzebna od zaraz. Fascynuje fizyków, pomaga lekarzom

W książkach czy filmach science-fiction jest źródłem energii albo superbronią. Dlaczego? Bo antymateria – lustrzane odbicie materii – w zetknięciu z tą drugą anihiluje, uwalniając ogromne ilości energii. Wybuchowa antysiostra rzeczywistości stanowi zagadkę dla fizyków i pomoc dla lekarzy.

Antycząstki zyskały wątpliwą sławę dzięki hitowi Dana Browna „Anioły i demony”. Przypomnijmy: w tej powieści Watykanowi zagrażał wykradziony z CERN-u – europejskiego ośrodka badań jądrowych – ładunek zawierający ćwierć grama antymaterii. Gdyby zetknęła się z materią, doszłoby do anihilacji, czyli wybuchu tylko o jedną trzecią słabszego od eksplozji bomby atomowej zrzuconej na Hiroszimę. Ile fikcja ma wspólnego z rzeczywistością? Teoretycznie sporo, praktycznie niewiele przekonuje prof. Sacha Kopp z University of Texas w Austin.

Prawdą jest, że w zetknięciu z materią antymateria anihiluje (cząstki i antycząstki zamieniają się w energię zgodnie ze słynnym wzorem E=mc2). Uczeni nie potrafią jednak wyprodukować dużych ilości antycząstek. I to mimo że bardzo by tego chcieli. W materialnym świecie nie należy się bowiem obawiać antymaterii. Wręcz przeciwnie – może być dla nas nadzwyczaj przydatna.

Siostra kontra antysiostra

Antymateria (podobnie jak materia) powstała w Wielkim Wybuchu 13,7 mld lat temu. Wówczas narodziły się bliźniacze cząstki, z których połowa była materialna, a połowa – antymaterialna. Wszystko działo się w tak dużym zagęszczeniu, że większość par materia-antymateria od razu po powstaniu łączyła się i znów zamieniała w energię. Gdyby stało się tak ze wszystkimi parami, jakie wtedy się pojawiły, dzisiejszy Wszechświat byłby wypełniony energią i nie byłoby w nim ani jednej cząstki. Ale, jak wiemy, historia wyglądała inaczej – część cząstek przetrwała i jest to materia, z której zbudowane jest wszystko, co nas otacza i my sami. Dlaczego jednak antycząstki spotkał inny los?

Materia i antymateria nie są identyczne. Dzisiaj uczeni uważają, że to raczej bliźniaczki dwujajowe, a nie jednojajowe. Wynika to z eksperymentów, w których pojawiły się różnice w szybkości rozpadu cząstek i antycząstek. I były to różnice znacznie większe, niż wcześniej sądzono. Niemiecki fizyk prof. Walter Oelert – szef zespołu naukowców, który w 1995 r. wytworzył w CERN-ie pierwsze atomy antymaterii – wyjaśnił mi to w ten sposób: „Kiedyś uważałem, że mój »antymaterialny« brat bliźniak mógłby mieć odrobinę mniejsze lewe ucho niż ja. Stopień asymetrii, jaki uzyskano w eksperymentach, świadczy jednak o tym, że moje lustrzane odbicie mogłoby być kobietą, a może miałbym ciemną skórę zamiast jasnej. Ja i mój bliźniak dalej bylibyśmy Homo sapiens, dalej mielibyśmy dwie ręce, nogi i głowę, ale nie bylibyśmy identyczni”.

Czy ta różnica między materią i antymaterią wystarczy, by wyjaśnić, gdzie zniknęła ta druga? To pytanie nadal czeka na ostateczną odpowiedź. Teoretycznie wystarczyłoby, aby na samym początku Wszechświata materia miała bardzo małą przewagę, by cała antymateria zniknęła. Ale może gdzieś przetrwały jej skupiska?

 

Gdzie te antygwiazdy?

Na razie nic na to nie wskazuje. Nigdzie w kosmosie nie udało się zobaczyć antyplanet czy antygwiazd. Z początku uczeni podejrzewali, że gwiazdy zbudowane z antymaterii mogą nie świecić tak jak te materialne. Jednak z obliczeń płynie inny wniosek: gwiazdy i anty- gwiazdy powinny świecić tak samo. Ale skoro tak, to jak odróżnić jedne od drugich? Na to pytanie astronomowie udzielają dość skomplikowanej odpowiedzi. W skrócie: gdyby istniały antyświaty, to co jakiś czas musiałoby dochodzić do ich kolizji ze zwykłą materią. A wówczas pojawiałoby się bardzo charakterystyczne promieniowanie, powstające podczas anihilacji. Tymczasem w kosmosie takiego promieniowania praktycznie się nie obserwuje. Tak samo jak nie rejestruje się swobodnych antyatomów.

Gdzie więc można dziś spotkać antymaterię? Choćby w pierwotnym promieniowaniu kosmicznym. Jego bardzo niewielki ułamek (rzędu setnych części procenta) stanowią swobodne antycząstki. To doskonale zgadza się z modelami fizycznymi, które zakładają, że w kosmosie po Wielkim Wybuchu nie przetrwały żadne skupiska antymaterii.

Anihilacja, czyli zamiana antymaterii i materii w promieniowanie, może być źródłem ogromnej energii. W naturze zachodzi jednak na bardzo małą skalę.

Antymateria powstaje też wokół nas w wyniku rozpadu niektórych pierwiastków promieniotwórczych. Także tych znajdujących się w nas samych czy w ziemi, po której stąpamy. Dobrym przykładem są… banany: zawierają dużo potasu, którego niewielka część występuje w postaci radioaktywnego izotopu (potasu-40). Jego atomy są niestabilne i rozpadają się, wskutek czego powstają m.in. antyelektrony (pozytony) – wyjaśnia prof. Knopp. Oczywiście wewnątrz owocu szybko spotykają się z elektronami i zamieniają w promieniowanie. Takie zdarzenie w przeciętnym bananie zachodzi raz na 75 minut i nikomu nie robi krzywdy.

Prześwietleni antyelektronami

Dzięki zjawisku anihilacji elektronu i pozytonu działa jedno z najdokładniejszych urządzeń stosowanych w diagnostyce obrazowej – tomograf pozytonowy, czyli PET (więcej s. 36). Pacjentowi dożylnie aplikuje się roztwór substancji, do której cząsteczek został dołączony promieniotwórczy izotop. Rozpadając się, „wyrzuca” on z siebie pozyton.

W naszych tkankach ta antycząstka trafia na zwykły elektron i dochodzi do anihilacji. Powstające wówczas promieniowanie – mało szkodliwe dla badanego – można bardzo precyzyjnie zarejestrować. Jeżeli radioaktywnym pierwiastkiem (konkretnie fluorem-18) oznaczy się cząsteczkę glukozy, czyli podstawowego „paliwa” dla komórek, na ekranie PET będzie można zobaczyć, które miejsca zużywają jej najwięcej. A tak robią np. guzy nowotworowe, znane ze swej żarłoczności. Tomografię pozytonową wykorzystuje się też do badania serca, stawów i mózgu.

PET to nie jedyny sposób na medyczne wykorzystanie antymaterii. Naukowcy pracują nad tym, by pomagała ona nie tylko wykrywać raka, ale również go niszczyć. Chodzi o nową odmianę radioterapii, czyli zwalczania nowotworów za pomocą promieniowania.

Bliźniacza układanka

Świat materialny zbudowany jest z trzech klocków: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony (ale już nie elektrony!) można podzielić na jeszcze mniejsze elementy, czyli kwarki. Trzy podstawowe elementy materii, które budują całą różnorodność świata wokół nas, to właśnie kwark górny, kwark dolny oraz elektron. Z nich składają się wszystkie atomy znanych nam pierwiastków.

Cząstek we Wszechświecie jest znacznie, znacznie więcej niż tylko te trzy – ale nie budują one „trwałej” materii.

Co jeszcze ciekawsze, każda z tych cząstek występuje w dwóch odmianach: materialnej i antymaterialnej. Gdy materia i antymateria zetkną się ze sobą, to – trochę tak, jak skłócone siostry bliźniaczki – wzajemnie się unicestwiają. Ten proces to anihilacja, a cała masa takich dwóch cząstek zamienia się wtedy na energię. Reakcja może też zajść w odwrotnym kierunku – z energii może powstać materia i antymateria. Taki proces nazywamy kreacją.

 

Antyprotonem w nowotwór

Dotychczas robiono to najczęściej falami elektromagnetycznymi: promieniowaniem rentgenowskim lub gamma. Ma ono jednak poważną wadę – niszczy nie tylko guz, ale i zdrowe tkanki, np. skórę. Lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie wiązki cząstek takich jak protony, a nawet jonów, czyli jąder atomowych (helu, tlenu czy węgla). Przechodząc przez tkankę, „pociski” takie najwięcej energii oddają w miejscu, w którym zostają zatrzymane. Zmieniając ich energię, można więc doprowadzić do sytuacji, w której niszczone są niemal wyłącznie komórki guza. Taka terapia, zwana hadronową, wchodzi już do użytku w szpitalach.

Czy można poprawić jej skuteczność? Można, jeśli zamiast jonami potraktujemy nowotwór antyprotonami. Gdy do niego dotrą, ulegną anihilacji – powstanie promieniowanie niszczące guz od środka. Skuteczność jest mniej więcej dwukrotnie większa niż w przypadku wiązki protonów. W teorii wygląda to więc świetnie, ale w praktyce na razie nie – dlatego że nie mamy pod ręką dobrych źródeł antymaterii.

Energia antyekonomiczna

Fizycy od wielu lat umieją produkować antymaterię w laboratoriach, ale w bardzo małych ilościach. Na świecie są tylko dwa ośrodki mogące wytworzyć wiązki antyprotonów, które można by wykorzystać w radioterapii: Fermilab w USA i szwajcarski CERN.

W 1995 r. drugi z tych ośrodków trafił na pierwsze strony gazet. Grupa kierowana przez prof. Waltera Oelerta przez kilka tygodni prób eksperymentów wyprodukowała tam wówczas dokładnie 10 atomów antywodoru. To była prawdziwa sensacja. Wytworzenie najprostszego nawet atomu antymaterii w naszym materialnym świecie jest rzeczą niezwykle trudną i wymagającą zastosowania potężnych energii. Dopiero w 2011 r. naukowcom udało się zmagazynować 300 atomów antywodoru przez 16 minut.

Warto o tym pamiętać, gdy pojawiają się wizje przyszłości, w których antycząstki odgrywają kluczową rolę. Wiele statków kosmicznych z książek czy filmów science fiction ma napęd zasilany antymaterią. Faktycznie, anihilacja mogłaby być źródłem ogromnej ilości energii. Mogłaby, ale raczej nie będzie, bo nie mamy naturalnych „kopalni” antymaterii. Antymaterialne paliwo trzeba by najpierw wyprodukować, aby potem „zatankować” nim statek kosmiczny. Tymczasem dziś w laboratoriach fizycy są w stanie uzyskać najwyżej kilkaset antyatomów. Gdyby zebrać całą dotychczasową produkcję antymaterii na świecie, byłaby ona znacznie mniejsza od główki szpilki. To za mało, by napędzić jakąś rakietę – wystarczyłoby najwyżej na kilka minut pracy żarówki.

Jest jeszcze jeden szkopuł wynikający z praw fizyki. Aby na Ziemi wyprodukować antymaterię, trzeba w ten proces włożyć więcej energii, niż można potem z niej uzyskać w wyniku anihilacji z materią. Innymi słowy, to się po prostu nie opłaca. „Gdyby zużyć wszystkie znajdujące się na naszej planecie kopalne źródła energii – węgiel, ropę, gaz – i wyprodukować z nich antymaterię, wystarczyłoby jej na pokonanie jednym samochodem dystansu 15 tys. km” – wylicza prof. Oelert. A do wyprodukowania ćwierćgramowego ładunku z „Aniołów i demonów” trzeba by użyć tyle energii, ile wystarczyłoby całej ludzkości na 30 lat! Rozwiązania naszych problemów energetycznych musimy więc szukać gdzie indziej.


DLA GŁODNYCH WIEDZY: