Antimatter har lenge vært gjenstand for science fiction. I boken og filmen Angels and Demons prøver professor Langdon å redde Vatikanet fra en antimatterbombe. Star Trek romskip Enterprise bruker en ødeleggende antimateriellmotor for å reise raskere enn lysets hastighet. Men antimaterie er også et objekt for vår virkelighet. Antimateriepartikler er praktisk talt identiske med deres materialpartnere, bortsett fra at de har motsatt ladning og spinn. Når antimaterie møter materie, utslettes de øyeblikkelig til energi, og dette er ikke lenger fiksjon.
Selv om antimaterielle bomber og skip basert på samme drivstoff ennå ikke er mulig i praksis, er det mange fakta om antimaterie som vil overraske deg eller tillate deg å friske opp minnet om det du allerede visste.
1. Antimatter skulle ødelegge all materie i universet etter Big Bang
I følge teorien fødte Big Bang materie og antimaterie i like store mengder. Når de møtes er det gjensidig utslettelse, utslettelse, og det er bare ren energi som gjenstår. Basert på dette skal vi ikke eksistere.
Men vi eksisterer. Og så vidt fysikere vet, skyldes det at for hver milliard materie-antimaterielle par var det en ekstra partikkel av materie. Fysikere prøver sitt beste for å forklare denne asymmetrien.
Salgsfremmende video:
2. Antimaterie er nærmere deg enn du tror
Små mengder antimaterie regner stadig ned på jorden i form av kosmiske stråler, energipartikler fra verdensrommet. Disse antistoffpartiklene når atmosfæren vår i nivåer fra en til over hundre per kvadratmeter. Forskere har også bevis for at antimaterie genereres under tordenvær.
Det er andre kilder til antimaterie som er nærmere oss. Bananer produserer for eksempel antimateria ved å avgi en positron - antimateriellekvivalent til et elektron - omtrent hvert 75 minutt. Dette er fordi bananer inneholder små mengder kalium-40, en naturlig forekommende isotop av kalium. Når kalium-40 forfaller, blir det noen ganger født en positron.
Kroppene våre inneholder også kalium-40, noe som betyr at du også avgir positroner. Antimaterier utslettes øyeblikkelig ved kontakt med materie, så disse antistoffpartiklene varer ikke så lenge.
3. Mennesker klarte å lage veldig lite antimaterie
Ødeleggelsen av antimaterie og materie har potensial til å frigjøre enorme mengder energi. Et gram antimaterie kan gi en eksplosjon på størrelse med en atombombe. Imidlertid har mennesker ikke produsert mye antimaterie, så det er ingenting å frykte.
Alle antiprotoner laget på Tevatron-partikkelakseleratoren på Fermi Laboratories vil knapt veie 15 nanogram. CERN har foreløpig produsert omtrent 1 nanogram. Hos DESY i Tyskland - ikke mer enn 2 nanogram positrons.
Hvis alt antimateriet som er skapt av mennesker utslettes øyeblikkelig, vil energien ikke engang være nok til å koke en kopp te.
Problemet ligger i effektiviteten og kostnadene ved å produsere og lagre antimateria. Opprettelse av 1 gram antimaterie krever omtrent 25 millioner milliarder kilowattimer energi og koster over en million milliarder dollar. Overraskende nok antimaterie er noen ganger listet som et av de ti dyreste stoffene i vår verden.
4. Det er slikt som en antimateriell felle
For å studere antimaterie, må du forhindre at det ødelegger med materie. Forskere har funnet flere måter å gjøre dette på.
Ladede antimateriellpartikler som positroner og antiprotoner kan lagres i såkalte Penning-feller. De er som små partikkelakseleratorer. Inni i dem beveger partiklene seg i en spiral mens magnetiske og elektriske felt hindrer dem i å kollidere med veggene i fellen.
Penningfeller fungerer imidlertid ikke for nøytrale partikler som antihydrogen. Siden de ikke har noen ladning, kan ikke disse partiklene begrenses til elektriske felt. De er fanget i Ioffes feller, som fungerer ved å skape et romområde der magnetfeltet blir større i alle retninger. Partikler med antimaterie setter seg fast i området med det svakeste magnetfeltet.
Jordens magnetfelt kan fungere som feller for antimaterie. Antiprotoner ble funnet i visse soner rundt jorden - Van Allen-strålingsbeltene.
5. Antimaterie kan falle (i bokstavelig forstand av ordet)
Partikler av materie og antimaterie har samme masse, men avviker i egenskaper som elektrisk ladning og spinn. Standardmodellen spår at tyngdekraften skal fungere likt på materie og antimaterie, men dette gjenstår å se med sikkerhet. Eksperimenter som AEGIS, ALPHA og GBAR jobber med dette.
Å observere gravitasjonseffekten på eksemplet med antimaterie er ikke så lett som å se på et eple som faller fra et tre. Disse eksperimentene krever å fange opp antimaterie eller bremse det ved å avkjøle til temperaturer like over absolutt null. Og siden tyngdekraften er den svakeste av de grunnleggende kreftene, må fysikere bruke nøytrale antimateriellpartikler i disse eksperimentene for å forhindre samhandling med den kraftigere kraften i elektrisitet.
6. Antimatter studeres i partikkel moderatorer
Har du hørt om partikkelakseleratorer og har du hørt om partikkelsbremsere? På CERN er det en maskin som heter Antiproton Decelerator, der antiprotons blir fanget og bremset for å studere deres egenskaper og oppførsel.
I ringpartikkelakseleratorer som Large Hadron Collider får partikler et energisk løft hver gang de fullfører en sirkel. Retardere jobber på motsatt måte: i stedet for å akselerere partiklene, skyves de i motsatt retning.
7. Nøytrinoer kan være deres egne partikler
En partikkel av materie og dets antimaterielle partner har motsatte ladninger, noe som gjør det enkelt å skille mellom dem. Neutrino, nesten masseløse partikler som sjelden samvirker med materie, har ingen ladninger. Forskere tror de kan være Majorana-partikler, en hypotetisk klasse av partikler som er deres egne antipartikler.
Prosjekter som Majorana Demonstrator og EXO-200 tar sikte på å bestemme om nøytrinoer faktisk er Majorana-partikler ved å observere oppførselen til det som er kjent som neutrinoløst dobbelt beta-forfall.
Noen radioaktive kjerner forfaller samtidig og avgir to elektroner og to nøytrinoer. Hvis nøytrinoer var deres egne antipartikler, ville de utslettet etter dobbelt forfall, og forskere ville bare måtte observere elektroner.
Letingen etter neutrinoer fra Majorana kan bidra til å forklare hvorfor asymmetrien med materie-antimaterie eksisterer. Fysikere antyder at Majorana-nøytrinoer kan være tunge eller lette. Lungene eksisterer i vår tid, og de tunge fantes rett etter Big Bang. Tunge Majorana-nøytrinoer forfalt asymmetrisk, noe som førte til utseendet til en liten mengde materie som fylte universet vårt.
8. Antimatter brukes i medisin
PET, PET (Positron Emission Topography) bruker positroner for å produsere kroppsbilder med høy oppløsning. Positronemitterende radioaktive isotoper (som de vi fant i bananer) fester seg til kjemikalier som glukose i kroppen. De blir injisert i blodomløpet der de forfaller naturlig og sender ut positroner. Disse på sin side møtes med kroppens elektroner og ødelegger. Annihilation produserer gammastråler som brukes til å konstruere et bilde.
Forskere fra ACE-prosjektet ved CERN studerer antimatter som en potensiell kandidat for kreftbehandling. Leger har allerede funnet ut at de kan rette partikkelbjelker mot svulster, og avgir energien deres først etter at de trygt passerer gjennom sunt vev. Å bruke antiprotons vil tilføre en ekstra sprekker av energi. Denne teknikken har vist seg å være effektiv til behandling av hamstere, men er ennå ikke testet på mennesker.
9. Antimaterie kan lure i verdensrommet
En av måtene forskere prøver å løse problemet med asymmetri av materie-antimaterie er ved å lete etter antimateria som er til overs fra Big Bang.
Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) er en partikkeldetektor som ligger på den internasjonale romstasjonen og ser etter slike partikler. AMS inneholder magnetiske felt som bøyer banen til kosmiske partikler og skiller materie fra antimaterie. Detektorene må oppdage og identifisere slike partikler når de passerer.
Kosmiske strålekollisjoner produserer vanligvis positroner og antiprotoner, men sjansene for å skape et antiheliumatom er fortsatt ekstremt lave på grunn av den enorme mengden energi som kreves for denne prosessen. Dette betyr at observasjonen av minst en nucleolus av antihelium ville være et kraftig bevis på eksistensen av gigantiske mengder antimaterie andre steder i universet.
10. Folk lærer faktisk hvordan man utstyrer antimateriell drivstoff for romskip, Svært lite antimaterie kan generere enorme mengder energi, noe som gjør det til et populært drivstoff for futuristiske science fiction skip.
Antimateriell rakettframdrift er hypotetisk mulig; hovedbegrensningen er å samle inn nok antimaterie til å få dette til.
Det er ennå ingen teknologier for masseproduksjon eller innsamling av antimaterie i mengder som kreves for en slik applikasjon. Imidlertid jobber forskere med å etterligne slik bevegelse og lagring av dette veldig antimateriet. En dag, hvis vi kan finne en måte å produsere store mengder antimateria på, kan forskningen deres bidra til at interstellare reiser blir virkelighet.
Basert på materialer fra symmetrymagazine.org
ILYA KHEL
