Antimaterija i fizika elementarnih čestica
Antimaterija zvuči kao nešto iz znanstvene fantastike, ali ona zaista postoji i jedna je
od najfascinantnijih otkrića u modernoj fizici.
Riječ je o posebnom obliku tvari koji je poput zrcalne slike obične materije od koje
smo mi sastavljeni.
Za svaku česticu materije postoji njezina „antipar“.
Na primjer:
elektron (negativno nabijen) ima svoj par – pozitron (isti kao elektron, ali s pozitivnim
nabojem), proton ima antipar – antiproton, neutron ima antineutron.
Kada se čestica i antičestica susretnu, one se poništavaju (anihiliraju) – nastaje
velika količina energije. Upravo zato antimaterija je jako zanimljiva znanstvenicima,
jer u teoriji mala količina antimaterije može proizvesti ogromnu energiju.
Zanimljivo je i to da je u trenutku nastanka svemira (Velikog praska) moralo nastati
jednako materije i antimaterije. No, iz nekog razloga danas oko nas vidimo gotovo
samo materiju. Zašto je tako i gdje je nestala antimaterija – jedno je od velikih pitanja
na koja fizičari još traže odgovor.
Povijest otkrića antimaterije počinje s britanskim fizičarom Paulom Diracom koji je
teoretski predvidio postojanje antimaterije. Kombiniranjem kvantne mehanike i
Einstainove specijalne teorije relativnosti Dirac uspjeva opisati gibanje elektrona
jednadžbom – danas poznata kao Diracova jednadžba.
Rješenja Diracove jednadžbe predviđala su postojane čestice iste mase kao i
elektron, ali pozitivnog naboja. Ova teorijska čestica kasnije je nazvana pozitron
(antielektron), koja se danas koristi u medicinskoj dijagnostici (PET skener).
Interesantno je da je čisto teorijsko razmatranje pokazalo da uz čestice postoje i
antičestice. Američki fizičar Carl D. Anderson otkrio je pozitron dok je proučavao
kozmičke zrake u maglenoj komori. Pozitron je bila prva otkrivena čestica
antimaterije, a Anderson je za ovo otkriće dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1936.
godine. Danas svaka elementarna čestica ima i svoju antičesticu.
Kasnije su otkrivene i čestice materije koje nisu elementarne poput protona i
neutrona (oni su izgrađeni od kvarkova i antikvarkova). Antiproton (antimaterijski
pandan protonu) otkrili su Emilio Segrè i Owen Chamberlain 1955. godine u
Berkeleyjevu laboratoriju koristeći snažni akcelerator čestica. Za ovo otkriće dobili
su Nobelovu nagradu za fiziku 1959. godine. Antineutron otkrio je Bruce Cork 1956.
godine, potvrđujući postojanje antimaterijskog pandana neutronu.
S razvojem akceleratora čestica u laboratorijima poput CERN-a, znanstvenici su
počeli proizvoditi i proučavati antimateriju. Sredinom 1990-ih u CERN-u su
proizvedeni antivodikovi atomi, odnosno antiproton oko kojeg kuži antielektron –
pozitron, što je omogućilo dublje razumijevanje svojstava antimaterije.
Do sada je u laboratorijskim uvjetima proizvedeno vrlo malo antimaterije. Prema
dostupnim podacima, najveća je količina proizvedene antimaterije oko 10
nanograma. Materija i antimaterije anihiliraju se i pritom se oslobađa energija prema
najpoznatijoj relaciji iz fizike E=mc2. Jednostavni račun daje proces koji pretvara svu
materiju u energiju tj. oslobađa 9 x 10 14 J energije, odnosno 90 PJ, dok se u eksploziji
1 kg dinamita oslobađa energija od oko 4.2 MJ, što je 11 milijardi puta manje.
Proizvodnja antimaterije jako je skupa, procjena je da je cijena 1 g antimaterije
oko 60 tisuća milijardi eura – antimaterija je najskuplja tvar na Zemlji.
Iako se antimaterija može stvoriti u laboratoriju, ona je vrlo nestabilna i teško ju je
„spremiti“. Zato još nismo ni blizu tome da ju efikasno koristimo.
Proučavanje antimaterije pomaže u razumijevanju osnovnih zakona prirode,
nastanka svemira i asimetrije između materije i antimaterije. Otkrića u ovom području imaju potencijal za revolucionarne primjene, poput novih izvora energije i medicinskih
tehnologija.
Nastavnik fizike, Tibor Bali