Zece lucruri mai puţin știute despre antimaterie Understand article

Antimateria a inspirat multe povești ştiinţifico-fantastice, însă câteva aspecte fascinante ne arată că subiectul nu este rezervat exclusiv fanteziei.

În cartea Îngeri și Demoni, profesorul Langdon încearcă să salveze orașul Vatican de o bombă cu antimaterie. Iar în Star Trek, coliziunea controlată a materiei și a antimateriei furnizează energie pentru a propulsa nava Enterprise la viteză mai mare decât viteza luminii. Însă antimateria nu e doar o chestiune de science-fiction – deşi astfel de scenarii sunt îndepărtate, există încă multe realităţi despre antimaterie care vă vor excita celulele creierului.

1. Antimateria ar fi trebuit să anihileze toată materia în Univers

Particulele de antimaterie sunt aproape identice cu particulele de materie, cu excepția faptului că au sarcină electrică și rotaţie opuse. Particulele de materie și de antimaterie sunt produse în perechi, iar atunci când se întâlnesc ele imediat se anihilează reciproc, nelăsând în urmă decât energie.

Aceasta înseamnă că Big-Bang-ul ar fi trebuit să creeze și să distrugă cantități egale de particule. Atunci de ce mai existăm noi, într-un Univers constituit aproape integral din materie? În măsura în care fizicienii pot spune, aceasta se întâmplă pentru că, în final, a existat câte o particulă de materie în plus pentru fiecare miliard (10⁹) de perechi de materie-antimaterie. Fizicienii încă se mai străduiesc să explice această asimetrie.

2. Antimateria este mai aproape decât credeţi

Mici cantități de antimaterie continuă să cadă constant pe Pământ, sub formă de raze cosmice – particule energetice venite din spațiu. Aceste particule de antimaterie ating atmosfera noastră cu o rată pornind de la una pe kilometru pătrat pe secol şi ajungând la mai mult de 10000 de particule pe metru pătrat pe secundă. În plus, oamenii de ştiinţă au putut consemna şi dovezi ale producerii de antimaterie deasupra furtunilor.

Dar există surse de antimaterie chiar şi mai aproape de casă. De exemplu, bananele eliberează câte un pozitron – echivalentul în antimaterie al unui electron – aproximativ la fiecare 75 de minute. Aceasta se întâmplă deoarece bananele conțin o cantitate mică de potasiu-40, un izotop natural al potasiului, iar când potasiul-40 se descompune, acesta elimină un pozitron.

De asemenea, corpurile noastre conțin potasiu-40, ceea ce înseamnă că și din noi sunt emişi pozitroni. Antimateria este anihilată imediat la contactul cu materia, astfel încât aceste particule de antimaterie au viaţă foarte scurtă.

3. Oamenii au creat doar o cantitate mică de antimaterie

Annihilarea materie-antimaterie are potențialul de a elibera o cantitate imensă de energie. Un gram de antimaterie ar putea produce o explozie de mărimea celei a unei bombe nucleare.

Oamenii de ştiinţă creează antimaterie pentru a o studia în experimente, însă cantitatea produsă este infimă. Toţi antiprotonii creaţi la acceleratorul de particule Fermilab Tevatron (acum inactiv) cumulează doar 15 nanograme, iar la CERN de-abia s-a acumulat un nanogram de antimaterie până acum.

Problema constă în eficiența și în costul producerii și stocării antimateriei. Crearea unui gram de antimaterie ar necesita aproximativ 25 de milioane de miliarde (10¹⁵) kilowați-oră de energie și costuri de peste un milion de miliarde de dolari SUA.

4. Chiar există ceva ca o capcană de antimaterie

Pentru a studia antimateria, trebuie să nu o lăsăm să fie anihilată de materie. Oamenii de ştiinţă fac acest lucru prin punerea particulelor încărcate electric, precum pozitronii şi antiprotonii, în dispozitive numite ‘capcane Penning’. Aceste capcane sunt comparabile cu acceleratoarele mici. În interiorul lor particulele se învârtesc sub influenţa unor câmpuri magnetice și electrice care le împiedică să se ciocnească de pereții ciclotronului.

Dar capcanele Penning nu pot funcționa pentru particule neutre, cum ar fi antihidrogenul. Neavând sarcină electrică, aceste particule nu pot fi confiate cu ajutorul câmpurilor electrice. În schimb, ele pot fi ținute în ‘capcane Ioffe’, care profită de proprietățile magnetice ale particulelor. Capcana Ioffe funcționează prin crearea unei regiuni spațiale în care câmpul magnetic devine tot mai mare în toate direcțiile spre exterior. Particula este atrasă de zona cu cel mai slab câmp magnetic, asemănător cu modul în care o bilă de marmură ce se rotește într-un castron ajunge în final pe fundul acestuia.

5. Antimateria s-ar putea epuiza

Particulele de antimaterie și de materie au aceeași masă, dar diferă în privinţa proprietăților de sarcină electrică și de spin. Modelul standard – teoria care descrie cel mai bine particulele și interacțiunile lor – prezice că gravitaţia ar trebui să aibă același efect asupra materiei și antimateriei; totuși, aspectul încă nu a fost confirmat. Experimente derulate la CERN – precum AEGIS, ALPHA și GBAR – încearcă să lămurească acest lucru.

Observarea efectului gravitației asupra antimateriei nu este la fel de ușoară ca observarea căderii unui măr dintr-un copac. Aceste experimente trebuie să țină antimateria într-o capcană sau să o încetinească prin răcire la temperaturi apropiate de zero absolut. Și cum gravitaţia este cea mai slabă dintre forțele fundamentale, fizicienii trebuie să utilizeze particule de antimaterie fără sarcină electrică în aceste experimente, pentru a preveni interferențele cu forța electrică, mult mai puternică.

6. Antimateria este studiată în deceleratoare de particule

Ați auzit de acceleratoare de particule. Dar știaţi că există și deceleratoare de particule? CERN găzduiește o mașină numită decelerator de antiprotoni, un inel de stocare care poate capta și încetini antiprotonii pentru a le studia proprietățile și comportamentul.

În acceleratoarele circulare de particule precum Large Hadron Collider, particulele primesc un impuls de energie la fiecare rotație. Deceleratoarele funcționează invers: în loc de o creștere a energiei, particulele primesc un impuls opus, pentru a-și încetini viteza.

7. Neutrinii ar putea fi propriile lor antiparticule

O particulă de materie și partenerul său de antimaterie poartă sarcini opuse, făcându-le ușor de distins. Neutrinii – particule aproape fără masă, care rareori interacționează cu materia – nu au nici sarcină electrică. Oamenii de știință cred că ele ar putea fi ‘fermioni Majorana’, o clasă ipotetică de particule care constituie propriile lor antiparticule.

Pentru a determina dacă este cazul şi aici, oamenii de știință caută un comportament numit ‘dezintegrare dublu-beta fără neutrini’. Unele nuclee radioactive se descompun simultan, eliberând doi electroni și doi neutrini. Dacă neutrinii ar fi propriile lor antiparticule, atunci ei s-ar anihila unul pe altul după această dezintegrere dublă, iar oamenii de știință ar observa acolo numai electroni.

Găsirea neutrinilor Majorana ar putea ajuta la explicarea asimetriei materie-antimaterie. Fizicienii presupun că neutrinii Majorana pot să fie ori grei ori ușori. Cei ușori există astăzi, iar cei grei ar fi existat doar imediat după Big-Bang. Aceşti neutrini Majorana grei s-ar fi dezintegrat asimetric, ducând la acel mic exces de materie care a permis Universului nostru să existe.

8. Antimateria este folosită în medicină

Tomografia cu emisie de pozitroni foloseşte pozitronii pentru a produce imagini de înaltă rezoluție ale corpului. Izotopi radioactivi cu emisie de pozitroni (precum cei din banane) sunt atașaţi unor substanțe chimice similare celor utilizate în mod natural de către organism, precum glucoza. Acești compuși sunt injectați în fluxul sanguin, unde se descompun în mod natural, eliberând pozitroni care vor întâlni electroni din organism. Anihilarea reciprocă a celor două particule produce raze gama, iar acestea sunt receptate pentru a construi imagini interne.

Medicii pot astăzi ţinti tumori (neoplasme) cu fascicule de protoni care își eliberează energia numai după ce trec în siguranță de țesuturile sănătoase adiacente. Dar oamenii de ştiinţă care lucreaza la experimentul celular cu antiprotoni de la CERN (ACE) au studiat eficienţa şi adecvarea folosirii antiprotonilor în loc de protoni, metodă ce aduce un plus de energie pentru distrugerea tumorilor maligne. Tehnica a fost dovedită ca fiind eficientă pentru celulele de hamster, însă cercetătorii vor trebui să realizeze studii şi pentru celulele umane.

9. Antimateria rămasă în spațiu încă aşteaptă nedectată

Pentru a rezolva problema asimetriei materie-antimaterie, oamenii de știință caută eventuala antimaterie rămasă de la Big-Bang. Ei caută aceste particule folosind spectrometrul magnetic alfa (AMS), un detector de particule montat pe Stația Spațială Internațională.

AMS conține câmpuri magnetice capabile să devieze calea particulelor cosmice, pentru a separa materia de antimaterie. Detectoarele componente evaluează și identifică particulele pe măsură ce trec prin interior.

10. Antimateria ar putea alimenta nave spațiale

Doar cu o mână de antimaterie s-ar putea produce o cantitate imensă de energie, ceea ce face antimateria combustibilul favorit pentru vehiculele futuriste din domeniul science-fiction.

Propulsarea cu antimaterie a rachetelor ar fi posibilă ipotetic, dar în prezent nu există o tehnologie disponibilă pentru producerea în masă sau pentru colectarea de antimaterie în volumul necesar. Însă într-o bună zi, dacă vom găsi o modalitate de a crea sau de a colecta suficientă antiamaterie, călătoria interstelară propulsată astfel ar putea deveni realitate.

Recunoaşteri

Acest articol este reprodus cu permisiunea revistei Symmetry^w1, în care a fost publicat inițial.

Download

Download this article as a PDF