Angielski fizyk Frank Close w swojej książce o antymaterii używa kilku ładnych, obrazowych metafor – nazywa materię i antymaterię yin i yang rzeczywistości, porównuje je do zamku z piasku wzniesionego na plaży i dziury po piasku wykopanym, by go wybudować. Materia i antymateria są do siebie podobne jak dwie siostry bliźniaczki, lecz jak to u bliźniąt bywa, nie są identyczne – odpowiedniki cząstek materii w świecie antymaterii mają odwrotny ładunek elektryczny. Ich spotkanie nieuchronnie kończy się tragicznie – obie ulegają unicestwieniu w procesie zwanym anihilacją. Antybułka z antymasłem byłaby nie do odróżnienia od bułki z masłem dopóki nie zetknęłaby się z materią, np. porcelanowym talerzykiem. Talerzyk i antybułka zniknęłyby, a na śniadanie zostałaby nam wytworzona w ich miejsce porcja energii.

Pożytki z królowej nauk

Antymateria jest stara jak wszechświat, lecz jeszcze 85 lat temu naukowcy nie podejrzewali nawet jej istnienia. Nie odkryli jej w laboratorium, nie znaleźli na innej planecie... Odkrycie antymaterii zawdzięczamy matematyce i przenikliwości umysłu genialnego angielskiego fizyka Paula Diraca. Dirac pracował akurat nad teorią opisującą zachowanie elektronów w polu magnetycznym i elektrycznym przy prędkościach bliskich prędkości światła, w której próbował połączyć mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności Einsteina. Udało mu się wyprowadzić zgrabne równanie, które miało jednak pewien feler – dwa rozwiązania, dla elektronu o ładunku ujemnym i analogicznej cząstki o ładunku dodatnim. W matematyce to nic dziwnego, np. równość x*x=4, dopuszcza dwa rozwiązania: 2 i -2, ale w tym wypadku to drugie rozwiązanie wyglądało niepokojąco – Dirac wiedział, że elektron nie może być naładowany dodatnio.

Zdezorientowany, początkowo uznał, że tajemniczą cząstką jest proton, który ma taki sam ładunek elektryczny jak elektron, lecz o przeciwnym znaku. Niebawem jednak niemiecki matematyk Herman Weyl zauważył, że symetria matematyczna równania Diraca wymaga, by oba jego rozwiązania opisywały cząstki o takiej samej masie. W żadnym wypadku nie mogły to więc być protony, blisko 2000 razy cięższe od elektronów. Dirac uznał argumenty Weyla i wysunął odważne przypuszczenie – muszą w takim razie istnieć „antyelektrony" – cząstki, których jeszcze nie znamy, o takiej samej masie jak elektrony, lecz naładowane dodatnio!

Fizycy natrafiają na ślad

Na potwierdzenie hipotezy Diraca nie trzeba było długo czekać – pierwszą fotografię antyelektronu wykonał w 1932 roku Carl D. Anderson, przebywający w owym czasie na stażu podoktoranckim w Caltechu. Za radą Roberta A. Millikana zainteresował się odkrytym niewiele wcześniej promieniowaniem kosmicznym, które badało się wówczas w komorze mgłowej – hermetycznym pojemniku wypełnionym przesyconą parą. Przelatująca przez taką komorę cząstka jonizująca zostawia za sobą ślad z drobnych kropelek, który można sfotografować. Anderson wprowadził do konstrukcji komory kilka ulepszeń, co pozwoliło mu otrzymywać lepsze zdjęcia niż koledzy. Wśród śladów cząstek promieniowania kosmicznego zauważył ujemnie naładowane elektrony i towarzyszące im cząstki o identycznej masie, lecz naładowane dodatnio. Te dodatnie nie mogłyby być ciężkimi protonami, ponieważ zostawiały zbyt długi ślad. Anderson był ostrożny i przez niemal rok powtarzał eksperymenty i drobiazgowo sprawdzał dane. Gdy nabrał pewności – ogłosił odkrycie antycząstki, którą nazwał pozytonem.

Zarówno Dirac, jak i Anderson, nie czekali długo na Nagrody Nobla – otrzymali je odpowiednio w 1933 i 1936 roku, obaj w wieku 31 lat (do dziś utrzymują mocne miejsca w pierwszej piątce najmłodszych noblistów). Co ciekawe, fizycy badający promieniowanie kosmiczne widywali ślady pozytonów już wcześniej, nawet jeszcze przed rewelacjami Diraca, ale żaden nie poświęcił im należytej uwagi, biorąc je za błędy w doświadczeniu. „Eksperymentatorzy nie zaobserwowali pozytonów, bo po prostu nie chcieli ich zaobserwować!” – skomentował Dirac.

Pozyton to nie jedyny przedstawiciel antymaterii – wkrótce stało się jasne, że nie tylko elektron, ale wszystkie cząstki materii mają swoje anty-sobowtóry. Jednak na doświadczalne znalezienie kolejnej antycząstki – antyprotonu – trzeba było poczekać ponad dwadzieścia lat.

Odkryto je wreszcie za pomocą najpotężniejszego na owe czasy akceleratora cząstek – zbudowanego w 1954 roku w Berkeley Bevatronu. Z energii wydzielonej przy bombardowaniu miedzianej tarczy wiązką rozpędzonych protonów, niczym Feniks z popiołów powstawały pary cząstka-antycząstka. W ten właśnie sposób fizykom udało się doświadczalne potwierdzić istnienie nie tylko antyprotonu ale i antyneutronu. W 1965 roku po raz pierwszy wytworzono antydeuteron, czyli odpowiednik jądra deuteru, złożony z antyprotonu i antyneutronu. Dziś w akceleratorach powstaje cała menażeria antycząstek, a fizycy nauczyli się składać z nich antyatomy. W 1995 roku trzy tygodnie bombardowania atomów ksenonu antyprotonami zaowocowało powstaniem pierwszych dziewięciu sztuk antywodoru, ale fizycy cieszyli się nimi tylko przez 40 nanosekund (40 miliardowych sekundy). To znaczy cieszyli się oczywiście zdecydowanie dłużej, zapewne opijając sukces szampanem, lecz same antyatomy anihilowały w mgnieniu oka. W 2011 roku CERN-owski eksperyment ALPHA pozwalał utrzymać antywodór aż przez 16 minut, co pozwoliło naukowcom nareszcie go zbadać.