Antymateria. Po drugiej stronie lustra

Na czym polega odwrotność materii?

Samo słowo antymateria chyba zwykle kojarzy się nam z fantastyką naukową, ale nie tylko. Możemy ją spotkać w wielu dziełach popkultury: od reaktorów wykorzystujących antymaterię w „Star Treku”, po tykającą bombę w „Aniołach i Demonach”. Antymateria często pojawia się tam, gdzie trzeba jakoś wyjaśnić, skąd się bierze dużo energii. A w szczególności, dlaczego coś jest w stanie wybuchnąć dużo mocniej, niż jakakolwiek inna bomba. No i faktycznie, w naszym Wszechświecie, a przynajmniej w tej jego części, którą znamy, nie znajdziemy bardziej skoncentrowanego źródła energii niż antymateria. Ale czym ona tak właściwie jest?

Antymateria to materia składająca się z antycząsteczek, czyli cząsteczek zasadniczo podobnych do „zwykłych”. Różnią się one jedynie tym, że kilka ich właściwości fizycznych ma odwrotny znak. Z rzeczy powszechnie znanych to np. ładunek elektryczny. Elektron ma więc ładunek ujemny, a pozyton¹Tak, poprawna nazwa to „pozyton”, podczas gdy „pozytron” jest kalką z języka angielskiego. (antyelektron) – dodatni. I odwrotnie, proton ma ładunek dodatni, a antyproton ładunek ujemny. Oznacza to, że w przeciwieństwie do wodoru, w którym mamy dodatnio naładowane jądro i krążący wokół niego ujemnie naładowany elektron, anty-wodór²Owszem, naukowcom udało się stworzyć i przez jakiś czas przechować coś takiego! ma ujemnie naładowane jądro i krążący wokół niego dodatnio naładowany pozyton. Tych właściwości fizycznych jest oczywiście nieco więcej, ale poza ładunkiem elektrycznym nie mają przełożenia na zauważalne przez nas właściwości.

Materia i energia

No więc wiemy już, czym jest antymateria. Ale przedrostek „anty” nie bierze się tylko z faktu, że w pewnych kwestiach antymateria jest odwrotnością materii. Antymateria jest wręcz dosłownie „anty”. Gdy cząstka i jej antycząstka się spotkają, następuje ich anihilacja. Oznacza to, że obydwie zamieniają się całkowicie w energię, zgodnie ze słynnym wzorem opracowanym przez Einsteina³E=mc². Dla przypomnienia: wzór ten mówi, że gdy masa zmienia się w energię, to ilość energii odpowiada masie pomnożonej przez prędkość światła do kwadratu.

I teraz dla porównania: gdy spalamy węgiel, zamianie w energię ulegają miliardowe części procenta jego masy⁴Tak, dobrze czytacie. Gdy produkujemy energię w reakcjach chemicznych, również odbywa się to kosztem masy. A co na to prawo zachowania masy, które mówi nam, że masa substratów jest równa masie produktów? Jest ono świetnym przybliżeniem sprawdzającym się w niemal wszystkich zastosowaniach właśnie dlatego, że utrata masy jest tak mała, że aż niemierzalna bez dokładnie zaprojektowanych i ściśle kontrolowanych eksperymentów z wykorzystaniem ultraczułej i dokładnej aparatury pomiarowej.. Rozszczepienie jądra uranu zamienia w energię około 0.1% jego masy. Fuzja jądrowa prowadzi do przemiany w energię około 0.7% masy. Anihilacja materii i antymaterii… 100% masy. Wszystko, w stu procentach ulega przemianie w energię. Więcej energii nie da się uzyskać z danej jednostki masy. I nie otrzymujemy dodatkowo żadnych zanieczyszczeń. Czyli mamy idealne źródło energii?

Antymateria – zbyt piękne, żeby było prawdziwe

Niestety, nie. Żeby można było antymaterię zastosować jako źródło energii, musiałyby najpierw być spełnione dwa warunki. Po pierwsze, musielibyśmy mieć do dyspozycji jakąś w miarę sensowną jej ilość. Po drugie, musielibyśmy się nauczyć kontrolować reakcję anihilacji, czyli ogólnie kontrolować antymaterię. A tymczasem obydwa te warunki mieszczą się bardziej w realiach „fiction” niż „science”.

Zacznijmy od problemu uzyskania antymaterii. Otrzymujemy ją na przykład w akceleratorach cząstek, takich, jak ten w europejskim CERN-ie czy amerykańskim Fermilabie. Wymaga ona olbrzymiego nakładu kosztów (rzędu od kilkudziesięciu miliardów do kilkudziesięciu bilionów dolarów za gram⁵Choć są prognozy mówiące o obniżeniu tych kosztów do „marnych” pięciu miliardów za gram w perspektywie kilkunastu lat.) i – tak, zgadliście – energii. A to przecież żaden interes, jeśli na produkcję antymaterii musimy zużyć więcej energii, niż uzyskamy później z jej anihilacji. Warto tutaj dodać, że w sumie jak dotąd wszystkie akceleratory wyprodukowały kilkadziesiąt nanogramów antymaterii. Innymi słowy, ta droga nie ma przyszłości.

Pewnie już się domyśliliście, że antymateria nie występuje w większych ilościach ani nigdzie na Ziemi, ani nawet w naszej okolicy w kosmosie. Ale może występuje gdzieś dalej i kiedyś potencjalnie moglibyśmy ją tutaj sprowadzić? Niestety, nic na to nie wskazuje. A skąd to wiemy, skoro antymateria ma niemal takie same właściwości jak materia?

Odpowiedź jest w sumie dość prosta, wracamy do tematu anihilacji. Pomimo tego, że przestrzeń kosmiczna wydaje się pusta, nie jest to całkowita pustka. To oznacza, że gdyby gdzieś w obserwowalnym kosmosie było większe zgromadzenie antymaterii, to w którymś miejscu byłaby granica pomiędzy „strefami” składającymi się z materii i antymaterii. A granica taka emitowałaby tyle energii, że bylibyśmy to w stanie spokojnie wykryć. UPDATE: według ostatnich doniesień – mogłem się tu pomylić. Po więcej szczegółów zapraszam tutaj.

Fizyczne zagadki Wszechświata i antymateria

A skoro już mowa o tym, że nasz Wszechświat zdaje się być zbudowany niemal wyłącznie z materii, a antymateria jest rzadkością – chcielibyście wiedzieć dlaczego? Ja też. I wielu naukowców również. To jest jedna ze wciąż nierozwiązanych zagadek współczesnej fizyki. Według aktualnie przyjętych teorii, w Wielkim Wybuchu powstała taka sama ilość materii i antymaterii⁶Według naszej wiedzy, materia i antymateria zawsze powstaje w parach.. Zdecydowana ich większość uległa anihilacji, wydzielając olbrzymie ilości energii. Energia ta wydzielała się albo w postaci fotonów, albo tworząc od razu inne cząstki elementarne. Cząstki te szły zawsze w parach: cząstka-antycząstka.

Warto też wiedzieć, że ta sama zasada dotyczy tworzenia się fotonów, ponieważ foton jest… swoją własną antycząstką! Oznacza to, że dwa fotony, zderzając się, mogą ulec anihilacji i spowodować powstanie nowych cząstek elementarnych. Gdyby materii i antymaterii było tyle samo, to nie powinno zostać zupełnie nic poza energią. A jednak około jedna cząstka materii na miliard przetrwała anihilację i z nich właśnie zbudowane jest wszystko, co znamy⁷Co się działo w i bezpośrednio po nim jest samo z siebie fascynujące i pewnie to opiszę w innym wpisie. A przynajmniej to, co wiemy, bo w tym obszarze wciąż jest wiele niejasności.. Dlaczego? Tego nie wiemy. W każdym razie aktualnie nie mamy jak uzyskać większej ilości antymaterii w sposób umożliwiający wykorzystanie jej do produkcji energii. I niestety nic nie wskazuje na to, żeby to się miało zmienić…

Klatka Dana Browna

Ale wróćmy do tematu kontrolowania czy choćby składowania antymaterii. Pamiętajcie: jeśli chcemy przechować jakąkolwiek antycząstkę, musimy się upewnić, że nie zetknie się z odpowiadającą jej cząstką! Potrzebny jest więc sposób składowania bazujący na czymś innym niż materialne bariery, jeżeli zamierzamy przechowywać antycokolwiek.

I tu od razu wyjaśnienie dla czytających Anioły i Demony Dana Browna. Nie, antymaterii nie da się przechowywać między krzyżującymi się liniami pola magnetycznego! Otóż… linie pola magnetycznego nie krzyżują się z definicji. Ale faktycznie, pułapki magnetyczne bądź elektromagnetyczne, bazujące na odpowiednio ułożonych elektrodach i zastosowaniu odpowiedniej kombinacji prądów stałych i przemiennych, mogą być zastosowane do przechowywania antycząstek.

Antymateria w pułapce

I tak odpowiednio pułapki elektromagnetyczne służą do przechowywania antyprotonów i antyelektronów. Z kolei całe, elektrycznie obojętne antyatomy przechowujemy w pułapkach magnetycznych. Antyneutrin nie przechowujemy wcale, zaś antyneutrony⁸Ładunkiem się od normalnych neutronów nie różnią, bo i tu, i tu ładunek wynosi zero, ale różnią się tzw. liczbą barionową oraz rozkładem ładunków cząstkowych w tworzących je kwarkach bądź antykwarkach. Więcej na ten temat przy innej okazji. są (tak jak i zwykłe neutrony) niestabilne i rozpadają się do antyelektronów i antyprotonów⁹Neutrony w jądrach atomowych się nie rozpadają, ponieważ działają na nie silne oddziaływania jądrowe. A jeśli już się rozpadają, to nazywamy to rozpadem beta.. Przy czym samo pole elektromagnetyczne nie wystarczy, niezbędne jest jeszcze utrzymanie wysokiej próżni, żeby wydłużyć średnią drogę swobodną antycząstek.

Cóż to takiego? Jest to wielkość fizyczna mówiąca nam o tym, jak daleko „coś” (jon, foton, atom, cokolwiek tej wielkości) jest w stanie przelecieć, nie zderzając się z niczym innym. Chodzi tu przede wszystkim o zderzenia z cząsteczkami gazu w atmosferze. Przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym są to odległości rzędu kilkudziesięciu nanometrów. W ultrawysokiej próżni¹⁰Ciśnienie rzędu jednej bilionowej ciśnienia atmosferycznego – a jak się taką próżnię wytwarza to temat na zupełnie inny wpis. dochodzimy do tysięcy, a nawet dziesiątek tysięcy kilometrów. I tak, stosując naprawdę wyszukane i kosztowne sposoby, udaje nam się przechowywać antymaterię. Kilka lat temu CERN we współpracy z uniwersytetem w Århus pobił rekord: udało się przechować antywodór przez niecałe 17 minut! Dość długo, żeby przeprowadzić na nim jakieś badania, ale jak na przechowywanie potencjalnego paliwa – nie bardzo.

Niebrzydka rzecz, ale czy ma jakieś zastosowanie praktyczne?

Czyli tak: nie mamy sensownych zasobów antymaterii. A nawet jakbyśmy mieli, to kontrolowanie jej jest niepraktyczne. Innymi słowy, antymateria nie ma żadnych praktycznych zastosowań, badania nad nią to tylko sztuka dla sztuki, zgadza się? Otóż nie.

Nie będziemy teraz dyskutować o pewnych egzotycznych i futurystycznych pomysłach na napęd dla statków kosmicznych (tam przynajmniej próżnia jest za darmo). Szerzej napiszę o nich w przyszłym cyklu poświęconym podbojowi kosmosu. Antymateria jest rutynowo wykorzystywana bardziej przyziemnie, w diagnostyce medycznej, a konkretniej w tomografii.

Ale jak to? Przecież spędziłem tyle czasu na przekonywaniu Was, że nie potrafimy ani wyprodukować, ani przechowywać antymaterii, więc gdzie jest haczyk? W rozpadach radioaktywnych. W wyniku rozpadu beta plus z jądra emitowane jest neutrino i pozyton. Jeśli więc znajdziemy jądra ulegające takiemu rozpadowi, możemy je wykorzystać, żeby wyprodukować antymaterię wewnątrz pacjenta.

Dwunożna fabryka antymaterii

Takim jądrem jest na przykład fluor-18. Ma on czas półtrwania w przybliżeniu 109 minut. Stosunkowo łatwo też jest go wprowadzić do fluorodeoksyglukozy (FDG), czyli związku, który kształtem zbliżony jest do glukozy. Oznacza to, że jest przez organizm traktowany podobnie jak glukoza, a co za tym idzie, absorbowany jest przez komórki potrzebujące energii. A że komórki nowotworowe są na ogół bardzo „żarłoczne”, to właśnie one pochłaniają dużą część FDG podanego pacjentowi. Następnie umieszczamy pacjenta w skanerze i szukamy fotonów o energii 511 keV powstających w wyniku anihilacji elektronu i pozytonu.

Ponieważ pozyton wyemitowany przy rozpadzie jądra fluoru powinien przelecieć nie więcej niż pół milimetra, źródło tych fotonów będzie bardzo blisko miejsca, w którym znajdował się FDG. A do tego przy anihilacji fotony zawsze emitowane są parami i poruszają się po tej samej prostej, ale w przeciwnych kierunkach. Ułatwia to odsianie szumu. Otóż za „sygnał” uważamy tylko te sytuacje, gdy detektor wykryje jednocześnie dwa fotony po przeciwnych stronach pacjenta. W ten sposób uzyskujemy coś na kształt „rzutów” wnętrza pacjenta na różne płaszczyzny. Potem wystarczy zaprząc do pracy komputer, żeby wykonał tzw. transformatę Radona¹¹Przeszło sto lat temu pan Radon wykazał, że „Obraz obiektu dwuwymiarowego można zrekonstruować na podstawie nieskończone ilości rzutów jednowymiarowych” – okazuje się, działa to też dla obiektu trójwymiarowego i rzutów dwuwymiarowych.. I tym samym już możemy podziwiać wnętrze pacjenta w całej okazałości, ze szczególnym uwzględnieniem tych jego części, które zużywają najwięcej glukozy.

Pamiętaj więc: jeśli kiedyś będziesz miał wątpliwą przyjemność poddać się tomografii (badaniu PET), na kilka godzin staniesz się chodzącą fabryką antymaterii!

Źródła:

http://large.stanford.edu/courses/2017/ph240/payzer1/

https://www.nature.com/articles/nature09610

https://www.hopkinsmedicine.org/health/treatment-tests-and-therapies/positron-emission-tomography-pet

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!