Antymateria – Wikipedia, wolna encyklopedia
Antymateria – układ antycząstek. Antycząstki to cząstki elementarne podobne do występujących w „zwykłej” materii (koinomaterii), ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego oraz wszystkich addytywnych liczb kwantowych (np. izospinu, dziwności, liczby barionowej itp).
W momencie kontaktu antymaterii z materią (zwykłą) obie ulegają anihilacji. Energia związana z masą spoczynkową anihilujących cząstek ulega przy tym zamianie na energię promieniowania elektromagnetycznego lub energię kinetyczną lżejszych cząstek.
W 2013 roku wstępnie eksperymentalnie wykazano, że antymateria oddziałuje grawitacyjnie tak samo jak koinomateria[1].
W kwantowej teorii pola antycząstki mają przeciwne w stosunku do cząstek ładunki (symetria C) oraz parzystość (symetria P)[2].
Historia
[edytuj | edytuj kod]W 1928 roku Paul Dirac wprowadził relatywistyczne równanie elektronu, nazwane później równaniem Diraca. Z rozwiązania tego równania wynikało, że powinna istnieć cząstka przeciwna do elektronu. Cząstkę tę, zwaną obecnie pozytonem, zaobserwował w 1932 roku Carl David Anderson.
Obecnie model standardowy zakłada, że każda cząstka ma antycząstkę, która ma masę równą masie cząstki, a jej liczby kwantowe mają znak przeciwny do liczby kwantowej tej cząstki. Niektóre cząstki (np. foton) są swoimi własnymi antycząstkami.
Wytwarzanie antymaterii
[edytuj | edytuj kod]Możliwe jest wytwarzanie śladowych ilości antymaterii poprzez zderzanie cząstek rozpędzonych w akceleratorach. W wyniku reakcji jądrowych mogą powstawać antycząstki. W ten sposób udało się otrzymać m.in. antyprotony, antyneutrony, pozytony (antyelektrony), a także atomy antywodoru (ściślej antyprotu, czyli pary antyproton – antyelektron) oraz jądra antydeuteru, antytrytu i antyhelu.
W CERN, w eksperymencie ALPHA urządzenie skonstruowane na wzór pułapki Penninga służy do przechowywania antyelektronów i antyprotonów i wytwarzania obojętnych atomów antywodoru[3].
Antymateria na Ziemi
[edytuj | edytuj kod]Antycząstki powstają naturalnie również w warunkach ziemskich podczas wyładowań atmosferycznych, którym towarzyszyć mogą błyski gamma. Ślady po anihilacji pozytonów generowanych w trakcie burzy zaobserwowano za pomocą kosmicznego teleskopu Fermiego[4]. Z kolei podczas huraganu Patricia w 2015, samolot Hurricane Hunter wyposażony w Airborne Detector for Energetic Lightning Emissions mk II (ADELE), przeleciał przez oko cyklonu i wykrył emisje kwantów gamma pochodzących z anihilacji pozytonów[5][6].
Antymateria we Wszechświecie
[edytuj | edytuj kod]Interesującym zagadnieniem jest ewentualna obecność naturalnych skupisk antymaterii we Wszechświecie. Symetria pomiędzy zwykłą materią (koinomaterią) i antymaterią w naturalny sposób rodzi hipotezę, że Wszechświat powinien zawierać je w jednakowej ilości.
Poszukiwanie kosmicznej antymaterii jest utrudnione przez równość mas cząstek i antycząstek oraz symetrię oddziaływań elektromagnetycznych ze względu na transformację C (zamianę cząstek na antycząstki). Powodują one, że obserwacje promieniowania elektromagnetycznego i oddziaływania grawitacyjnego odległego obiektu nie pozwalają na określenie czy jest on zbudowany z koinomaterii, czy z antymaterii.
Z bezpośrednich obserwacji wiadomo, że cały Układ Słoneczny i jego najbliższe otoczenie zbudowane są ze zwykłej materii. Analiza pierwotnego promieniowania kosmicznego pokazuje, że jest to prawdą również dla odleglejszych obiektów. W zakresie energii pomiędzy 1 GeV a 50 GeV antyprotony stanowią mniej niż 0,01% docierających do Ziemi cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego, a ich liczba i rozkład energii są zgodne z obliczeniami przeprowadzonymi przy założeniu, że są one cząstkami wtórnymi, produktami zderzeń pierwotnego promieniowania z cząsteczkami gazu międzygwiazdowego[7]. Wynika z tego, że całe pierwotne promieniowanie kosmiczne w zakresie średnich energii składa się z koinomaterii, co wskazuje, że obiekty je emitujące również są z koinomaterii zbudowane.
Dla promieni kosmicznych o bardzo wysokich energiach (pochodzących w większości spoza naszej galaktyki) identyfikacja antyprotonów jest znacznie trudniejsza. Dysponujemy jednak wynikami pomiarów wskazujących, że i w tym zakresie energii protony stanowią, jeżeli nie całość, to przynajmniej znaczną większość cząstek[8]. Pokazuje to, że także w Grupie Lokalnej i innych pobliskich gromadach galaktyk koinomateria jest w przewadze.
Pośrednim argumentem za tym, że cały obserwowany Wszechświat jest zbudowany ze zwykłej materii, są negatywne próby zaobserwowania promieniowania powstającego podczas anihilacji koinomaterii i antymaterii. Gdyby we Wszechświecie istniały duże skupiska antymaterii, musiałyby też istnieć obszary graniczne, gdzie zwykła materia wyrzucona z galaktyk spotykałaby się z antymaterią wyrzuconą z „antygalaktyk” i dochodziłoby do anihilacji i uwolnienia znacznych energii w postaci promieniowania. Promieniowania takiego jednak nie obserwujemy, co świadczy, że obserwowany Wszechświat nie zawiera znaczących obszarów zbudowanych z antymaterii[9].
Według aktualnego stanu wiedzy, Wszechświat wydaje się niesymetryczny i zawiera więcej barionów niż antybarionów. Większość uczonych skłania się ku hipotezie, że asymetria ta została wytworzona na bardzo wczesnym etapie życia Wszechświata (krótko po Wielkim Wybuchu) w procesie zwanym bariogenezą. Przed spontanicznym złamaniem symetrii elektrosłabej antymateria również była odróżnialna od koinomaterii, np. na podstawie skrętności[10].
Przypisy
[edytuj | edytuj kod]- ↑ The ALPHA Collaboration , A.E. Charman , Description and first application of a new technique to measure the gravitational mass of antihydrogen, „Nature Communications”, 4 (1), 2013, DOI: 10.1038/ncomms2787, ISSN 2041-1723, PMID: 23653197, PMCID: PMC3644108 [dostęp 2019-03-06] (ang.).
- ↑ Gordon. McCabe , The structure and interpretation of the standard model, Amsterdam: Elsevier, 2007, s. 58-59, ISBN 978-0-444-53112-4, OCLC 162131565 [dostęp 2020-08-09] .
- ↑ ALPHA Experiment. [dostęp 2015-07-25].
- ↑ Pioruny wytwarzają antymaterię [online], wyborcza.pl, 13 stycznia 2011 [dostęp 2018-05-27] .
- ↑ Arkadiusz Stando , Na Ziemi wytworzyła się antymateria. Nie było to dzieło człowieka [online], tech.wp.pl, 23 maja 2018 [dostęp 2018-05-27] .
- ↑ G.S. Bowers i inni, A Terrestrial Gamma-Ray Flash inside the Eyewall of Hurricane Patricia, „Journal of Geophysical Research: Atmospheres”, 2018, DOI: 10.1029/2017jd027771 (ang.).
- ↑ A.S. Beach i inni, Measurement of the Cosmic-Ray Antiproton to Proton Abundance Ratio between 4 and 50 GeV, „Physical Review Letters”, 87 (27), 2001, s. 271101, DOI: 10.1103/PhysRevLett.87.271101, arXiv:astro-ph/0111094 .
- ↑ M. Amenomoria i inni, Moon shadow by cosmic rays under the influence of geomagnetic field and search for antiprotons at multi-TeV energies, „Astroparticle Physics”, 28 (1), 2007, s. 137, DOI: 10.1016/j.astropartphys.2007.05.002, arXiv:0707.3326v1 .
- ↑ A.G. Cohen , A de Rújula , S.L. Glashow , A Matter-Antimatter Universe?, „The Astrophysical Journal”, 495 (2), 1998, s. 539, DOI: 10.1086/305328, arXiv:astro-ph/9707087 .
- ↑ quantum field theory – Is a Weyl fermion its own antiparticle? [online], Physics Stack Exchange [dostęp 2019-02-25] .
Linki zewnętrzne
[edytuj | edytuj kod]Krzysztof Turzyński, Ziomkowie i Wszechświat, miesięcznik „Delta”, grudzień 2010 [dostęp 2023-05-21].
- Szymon Charzyński , Antyspadanie, [w:] pismo „Delta”, deltami.edu.pl, czerwiec 2024, ISSN 0137-3005 [dostęp 2024-06-04] (pol.).
Karolina Głowacka i Jan Kisiel, Deficyt antymaterii – dlaczego istnieje raczej coś niż antycoś?, kanał „Radio Naukowe” na YouTube, 25 maja 2023 [dostęp 2023-09-06].
Sabine Hossenfelder, Where is the anti-matter? (ang.), kanał autorski na YouTube, 4 grudnia 2021 [dostęp 2023-06-26].