Tajemnicza antymateria. Czy gdzieś w kosmosie istnieją antyświaty?

Dzięki antymaterii najsłynniejszy statek kosmiczny popkultury – Enterprise w serialu Star Trek – przekracza prędkość światła. Dan Brown w powieści “Anioły i demony” chce jej użyć do wysadzenia w powietrze Watykanu. Naukowcy jednak studzą rozpalone wybujałą wyobraźnią głowy pisarzy i filmowców – cała antymateria, jaką do tej pory wytworzyli, pozwoliłaby najwyżej zasilić żarówkę przez parę minut.

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.

 

Zrobić i zachować

W naszym zdominowanym przez materię świecie antymateria w naturze praktycznie nie występuje. Powstaje w maleńkich ilościach i w miejscach nieprzyjaznych naukowcom – przy zderzeniach cząstek promieniowania kosmicznego z cząstkami atmosfery ziemskiej oraz w wyniku niektórych rozpadów pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej i w jądrze Ziemi. W kosmosie tworzenie antymaterii prawdopodobnie towarzyszy gwałtownym wydarzeniom, takim jak wybuchy supernowych czy zderzenia gwiazd neutronowych.

W 2011 roku aparatura kosmicznego obserwatorium promieniowania gamma Fermi odkryła, że antymateria powstaje ponad burzami, a sonda Pamela wytropiła otaczający Ziemię pas antyprotonów uwięzionych przez pole magnetyczne Ziemi między pasami Van Allena (zdradził je fakt, że anihilacja zachodzi tam 1000 razy częściej niż w sąsiednich partiach przestrzeni kosmicznej). Zwłaszcza to ostatnie odkrycie rozbudziło apetyty naukowców marzących o naturalnym źródle antymaterii.

Tymczasem muszą jednak zadowolić się antymaterią, którą sami wytworzą w akceleratorach cząstek, co jest kosztowne i trudne. Żeby tego było mało, produkcja antycząstek, to zaledwie połowa sukcesu, ponieważ drugi ogromny problem stanowi ich przechowywanie. Ciasteczka możemy zamknąć w szczelnej puszce i trzymać je tam do Bożego Narodzenia, lecz co byśmy zrobili, gdyby zaraz po zetknięciu z metalem, znikało zarówno ciastko, jak i puszka? Gdy antycząstka spotyka się z cząstką, obie natychmiast przepadają, zamieniając się w lżejsze cząstki (elektron i pozyton – w fotony, proton i antyproton – w piony).

Za cząstkami nikt nie rozpacza, bo materii mamy pod dostatkiem, ale w pocie czoła wytworzonymi antycząstkami naukowcy chcieliby pobawić się dłużej niż przez maleńki ułamek sekundy. Pozwalają na to pułapki, w których za pomocą silnego pola magnetycznego utrzymuje się je z dala od ścianek komory.

Bać się czy nie bać?

Tymczasem w wyobraźni pisarzy i filmowców produkcja antymaterii idzie pełną parą! Istotnie, gdybyśmy mieli jej pod dostatkiem i gdybyśmy umieli ją przechowywać, byłaby świetnym źródłem energii, paliwem statków kosmicznych i potężną bronią (na bombę o sile tej, która zniszczyła Hiroszimę, wystarczyłoby pół grama antymaterii). Anihilacja kilograma materii i kilograma antymaterii dałaby 100 razy więcej energii niż fuzja termojądrowa 2 kilogramów wodoru i 10 miliardów razy więcej niż spalenie 2 litrów benzyny.

Wśród badań prowadzonych nad antymaterią są i próby praktycznego jej użycia, np. do napędu rakiet, lecz naukowcy nie obiecują, że kiedykolwiek ich projekty staną się rzeczywistością. Wytwarzanie antymaterii jest zbyt kosztowne, a także zbyt czasochłonne, ponieważ nie można tego zrobić hurtem, lecz antycząstka po antycząstce, antyatom po antyatomie. W Fermilabie w USA, który produkuje najwięcej antymaterii, 100 razy więcej niż rozsławiony książką Dana Browna „Anioły i demony” CERN, powstaje ok. 2 nanogramów antyprotonów rocznie. W takim tempie wyprodukowanie ćwierci grama antymaterii, wokół której kręci się akcja „Aniołów i demonów”, zajęłoby… 100 milionów lat. W CERN-ie można produkować kilkaset atomów antywodoru na sekundę. Wrażenie, że to dużo, jest złudne – napełnianie w tym tempie balonika antywodorem trwałoby dłużej niż wiek Wszechświata!

Nie znaczy to jednak, że z antymaterii nie ma żadnego pożytku – od lat jest wykorzystywana w medycynie, konkretnie: w pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Podczas badania PET pacjentowi wstrzykuje się substancję zawierającą izotop promieniotwórczy. Jądra izotopu, rozpadając się, emitują pozytony, które anihilują, gdy tylko zderzą się z którymś z elektronów ciała badanego, a promieniowanie powstałe w ten sposób rejestrowane jest przez zespół detektorów. Analiza informacji o miejscu powstania pozytonów pozwala na stworzenie dokładnego obrazu wnętrza ciała pacjenta i wykrycie zmian chorobowych.

 

Po której stronie lustra?

Wiedząc o tragicznych skutkach bliskich spotkań materii z antymaterią, oddychamy z ulgą i cieszymy się, że otacza nas niemal wyłącznie przytulna materia. Nie musimy bać się antycząstek czyhających za rogiem, gotowych w każdej chwili unicestwić cząstki, z których złożone jest nasze ciało czy choćby portfel. Fizycy zapewne też są temu radzi, lecz jednocześnie zadają sobie pytanie – skąd ta ogromna dysproporcja?

Kosmologowie zajmujący się początkami Wszechświata przekonują, że nie ma powodu, aby w Wielkim Wybuchu powstało więcej materii niż antymaterii. W gorącym tyglu, jakim był Wszechświat w pierwszych chwilach swego istnienia, cząstki i antycząstki pojawiały się nieustannie, anihilowały, zamieniając się w energię, aby pojawić się znowu. Nie minęła jednak sekunda, a – w ochładzającym się Wszechświecie – procesy kreacji cząstek i antycząstek zaczęły stawać się coraz rzadsze, aż w końcu – ustały zupełnie. Pozostałe pary cząstka-antycząstka powinny zanihilować, a we Wszechświecie nie powinno zostać nic poza nieskończonym oceanem promienistej zupy. Tymczasem co z tego wyszło – każdy widzi: świat złożony z materii, która doszczętnie wygryzła swoją konkurencję!

Gdzie się podziała antymateria? Może uciekła i schowała się w jakimś zacisznym zakątku Wszechświata? Może gdzieś są antygalaktyki, antyplanety, może nawet antyludzie wiodą spokojne antyżycie? Naukowcy nie wykluczają takiej możliwości (mówił o niej już Paul Dirac w swoim wykładzie noblowskim w 1933 roku), dlatego poszukują antyatomów w promieniowaniu kosmicznym – ich obecność sugerowałoby istnienie skupisk antymaterii schowanych gdzieś we Wszechświecie. Zajmuje się tym m.in. orbitalny eksperyment AMS-02. Jest on niezwykle czuły – jeśli na miliard atomów helu pojawi się choćby jedno jądro antyhelu – zarejestruje je i zmierzy.

Inne rozwiązanie zagadki nie wymaga przeszukiwania kosmosu. Być może materia i antymateria nie są do siebie aż tak podobne, jak się z początku wydawało. Jeśli fizyka antymaterii jest jednak odrobinę inna, na symetrii między materią a antymaterią mogły pojawić się rysy, które pozwoliły materii wygrać bójkę o zajęcie Wszechświata. W świecie o idealnej symetrii nie bylibyśmy w stanie odróżnić wspomnianej już bułki z masłem od antybułki z antymasłem, bo prawa fizyki traktowałyby je tak samo. Fizycy ukuli nawet na to określenie – symetria C.

Inną ważną symetrią jest ta związana z odbiciem lustrzanym, czyli symetria P. W skali makro łatwo odróżnić świat zwierciadlany od rzeczywistego, choćby sprawdzając z której strony mamy serca my, a z której – nasi lustrzani bracia. W świecie cząstek elementarnych jest jednak zupełnie inaczej – filmu z życia cząstek elementarnych nie sposób odróżnić od jego lustrzanego dobicia.

Tak przynajmniej wydawało się fizykom do lat 50. XX w., kiedy to okazało się, że jedno z czterech podstawowych oddziaływań w przyrodzie, tzw. oddziaływanie słabe (odpowiedzialne m.in. za rozpady jąder promieniotwórczych) nie zachowuje ani symetrii C, ani P! Co znaczy, że analizując rozpad promieniotwórczy, można by stwierdzić, po której stronie lustra się znajdujemy i czy nasz świat zbudowany jest z materii, czy antymaterii.

Przez pewien czas naukowcy łudzili się, że może istnieć głębsza symetria – CP, czyli świat, który po zamianie cząstek na antycząstki i odbiciu go w lustrze byłby nieodróżnialny od naszego. Jednak i na niej zaraz pojawiły się rysy – w 1964 roku Val Fitch i James Cronin z Princeton pokazali, że w rozpadach cząstek zwanych kaonami naruszana jest również ta symetria.

Efekt ten jest bardzo subtelny, widoczny zaledwie w jednym rozpadzie na 500, ale może właśnie dzięki tej złamanej symetrii istniejemy! Jeśli bowiem własności materii i antymaterii nie są dokładnie symetryczne, w procesach zachodzących w pierwszym ułamku sekundy istnienia Wszechświata mogło powstać nieco więcej cząstek niż antycząstek. I gdy cała antymateria zanihilowała, z nadwyżki materii uformował się świat, jaki znamy. Obecny stan wiedzy pozwala dać taką właśnie odpowiedź na stare pytanie filozofów: dlaczego istnieje raczej coś niż nic?


Co to jest anihilacja?

To proces fizyczny, w którym cząstki elementarne i odpowiadające im antycząstki, zderzając się ze sobą, ulegają unicestwieniu. Inaczej powiemy: unicestwienie lub dematerializacja.