Šta je antimaterija?

Image:NASA

Prije izvjesnog broja postova nešto sam spominjala antimateriju, ali to je bilo vrlo konfuzno i zbrda-zdola, u kontekstu morph-shifting neutrina. 

Danas ide čitav post namijenjen samo antimateriji.

U udžbenicima obično piše kako postoje materija i energija. Materija je otprilike ono što nas može udariti, a da to možemo dotaći, a energija je je ono što nas može udariti, a ne možemo ga dotaći. Uglavnom, cijela fizika se vrti oko toga da spozna šta je to materija,  šta energija, a šta sila. Kada budemo znali šta je tačno sve od to troje, tada ćemo biti rahati.

Sada, sklonimo ovu energiju i silu malo sa strane i pokušajmo se baviti samo materijom. Biće to teško, s obzirom na Plankovu, Einsteinovu i Schrodingerovu relaciju i biće teško jer one 4 sile - gravitaciona, elektromagnetna, slaba i jaka nuklearna sila mnogo toga rade sa materijom, ali hajde da se pretvaramo, iz didaktičkih razloga, da možemo posmatrati materiju bez energije i sile.

Kada smo to uradili, dođemo do zaključka da nije sva materija materija, nego da ima još nekih tu čuda, poput tamne materije i antimaterije. Eh, sad zaboravimo na trenutak da postoji čudan tip materije koja čini da galaksije imaju veću gravitaciju,  i čini 26.8% svega u svemiru, a ne može se detektovati tek tako teleskopima jer ima slabu interakciju sa drugim stvarima u svemiru, pa tu materiju zovemo tamna materija i skoncentrišimo se samo na antimateriju.

Antimaterija i tamna materija NISU SINONIMI. 

Učesnici Pete konferencije o elektonima i fotonima u oktobru 1927. Obratite pažnju na imena.Image source: Benjamin Couprie/ Wikimedia Commons  

Eh, naučnici su još pradavne 1931. dokazali da antimaterija postoji ( za razliku od tamne materije, naučnici definitivno znaju šta je antimaterija, a još uvijek traže čestice koje bi činile tamnu materiju).

1928. Paul Dirac teoretski pokazao kako Einsteinova Specijalna  teorija relativiteta implicira da za svaku česticu postoji odgovarajuća antičestica tako što je došao do formule koja opisuje kretanje elektrona u električnom i magnetskom polju. Ta Diracova formula, proizašla iz STR predviđala je postojanje jedne čestica koja je iste masa kao elektron, samo različitog naboja. Ta formula glasi: 

Onda je 1931. Carl David Anderson, postdoktorant na Caltech potvrdio Diracova predviđanja.

U maglenoj komori (Wilsonova komora) - uređaju za detekciju subatomskih čestica pomoću jonizirajućeg zračenja - Carl D.Anderson je dobio slike jedne čestice koja je imala masu poput elektrona, ali sasvim drugi naboj. Anderson je dobio pozitron. Evo te slike:

 Photo Credit: Carl D. Anderson, Physical ReviewVol.43, p491 (1933)

Međutim, Diracova jednadžba ne predviđa samo antičesticu za elektron, nego i za sve druge fermione - kvarkovi imaju svoje antikvarkove, tako da proton ima svoj antiproton, a neutron svoj antineutron. Sad se sigurno pitate kako to da neutron, koji nema električni naboj može imati svoju antičesticu? Pa može, jer sada antineutron ima barionski broj sa suprotnog predznaka od barionskog broja neutrona.

Znači, imamo pozitrone, antiprotone i antineutrone:

Source: Wikimedia commons -particles and antiparticles by Anynobody

Nova otkrića su tražila i nove nazive te redefiniciju onoga što zovemo "materija". Prije otkrića pozitrona, materija je bila sve ono što zauzima prostor i ima masu. A sad se pojavilo još nešto što zauzima prostor i ima masu, a nije materija kakvu mi znamo - ona od koje je građen naš svijet. Zato su naučnici sklepali termin antimaterija. Sam pojam "materija" naučnici su suzili na "obične" čestice - one koje grade nama poznat svijet.

Jedan atom hidrogena ima 1 proton i 1 elektron koji oscilira oko njega. Čestica koja bi imala antiproton u nukleusu i pozitron koji osilira oko njega bio bi antihidrogen. Principi fizike kažu da bi mogli postojati i kompleksniji atomi sastavljeni od antičestica - antiatomi helija, litija...oksigena. Studije koje proučavaju kosmičke zrake su identifikovale i pozitrone i antiprotone, koji nastaju prilikom sudara čestica koje čine "običnu" nama blisku materiju. 

Međutim, kada se sretnu čestica i antičestica (tj. kada se one sudare) dolazi do anihilacije - jedna drugu ponište. Naravno, prema zakonu o održanju energije, energija se ne može uništiti i pri ovom sudaru se oslobađaju fotoni (dva fotona gama zračenja) ako se radi o sudarima niske energije.

Pri sudarima elektrona i pozitrona na mnogo višim energijama mogu nastati neke druge čestice, poput neutrina i W bozona. 

Između čestica i antičestica, sem razlika u predznaku, nema nekih dubokih unutrašnjih razlika te bi se poznati zakoni fizike odnosili i na antičestice. Ipak, u svemiru, barem ovom nama poznatom, ima više elektrona i kvarkova nego pozitrona i antikvakova tj. više materije od antimaterije. Zašto je to tako, jedno je od najintrigantnijih pitanja moderne fizike i naučnici koji ne rade na otkrivanje novih čestica (recimo kandidata  za tamnu materiju) ili teoriji supersimetrije, rade na pitanju antimaterije. U prvim trenucima nakon Velikog praska, postojala je samo energija. Zatim, kako se svemir hladio i širio (još jedna od zagonetki - jer obično se širi ono što se zagrijava) počele su se stvarati čestice materije i čestice antimaterije. Ipak neki naučnici smatraju da je čak i u tim prvim trenucima bilo više materije, tako da čak ni međusobne anihilacije nisu mogle poništiti materiju. 

Samo razumijevanje onog malog dijela fizike, prirode svemira koji pravi razliku između čestica i antičestica, može dati odgovor na pitanje zašto ima više čestica i zašto sve nije anihiliralo u prvim trenucima Svemira.

Danas je velika pažnja u ovoj oblasti okrenuta prema neutrinima - česticama koje mijenjaju svoj "flavour" u toku vremena.