Antimateria – mitä se on? Määritelmä, ominaisuudet ja annihilaatio
Tutustu antimateriaan: määritelmä, ominaisuudet ja annihilaatio — miten antihiukkaset kohtaavat ja tuottavat gammasäteitä, neutriinoja sekä merkitys tutkimukselle ja teknologialle.
Antimateria on hiukkasfysiikan termi. Antiaine on antihiukkasista koostuvaa ainetta. Niillä on sama massa kuin tavallisen aineen hiukkasilla, mutta niillä on vastakkainen varaus ja vastakkaiset ominaisuudet, kuten leptonien ja baryonien lukumäärä.
Hiukkasen ja antihiukkasen kohtaaminen johtaa molempien tuhoutumiseen. Näin syntyy suurienergisiä fotoneja (gammasäteitä), neutriinoja ja pienemmän massan hiukkas-antihiukkaspareja.
Mikä on antihiukkanen?
Jokaisella perushiukkasella on vastinpari eli antihiukkanen. Antihiukkasella on sama lepomassa ja samanlaiset kvanttiluvut, mutta käänteinen sähkövaraus ja muut sisäiset "merkit" (esimerkiksi leptoninumero tai baryoniluku). Esimerkiksi elektronin antihiukkanen on positroni, jolla on +1 alkeisvaraus, kun elektronilla on −1.
Antimaterian ominaisuuksia — lyhyt lista
- Sama massa kuin vastaavalla hiukkasella.
- Vastakkainen varaus ja useimmiten vastakkaiset kvanttiluvut.
- Annihilaatio: hiukkasen ja antihiukkasen törmätessä vapautuu massaenergiana säteilyä ja muita hiukkasia.
- CPT-teoreema takaa, että hiukkasen ja antihiukkasen perusominaisuudet ovat tiukasti yhteydessä toisiinsa (käänteisyyksiä koskevat symmetriat).
Annihilaatio ja vapautuva energia
Annihilaatiossa lepomassa muuttuu säteilyksi ja muiksi hiukkasiksi siten, että kaikkia säilymislakeja (energia, liikemäärä, varaus, kvanttiluvut) noudatetaan. Yleinen esimerkki on elektroni–positroni-annihilaatio, jossa syntyy tyypillisesti kaksi vastakkaissuunnassa etenevää gammasäteilyfotonia, kummankin energia on elektronin lepomassa vastaava 511 keV (eli fotonin energia vastaa mc2). Raskaammissa annihilaatioissa, kuten protoni–antiprotoni-törmäyksissä, syntyy usein pionsarjoja (π0, π±), joista π0 hajoaa nopeasti gammasäteiksi ja π± hajoavat edelleen muihin hiukkasiin ja neutriinoihin.
Antimaterian valmistus ja säilytys
Antimateriaa tuotetaan hiukkaskiihdyttimissä törmäyttämällä korkeaenergisiä hiukkasia kohteisiin; syntyneistä antihiukkasista erotellaan ja jäädytetään halutut tyypit. Tuotanto on erittäin energiaintensiivistä ja kallista: massan ja energian vastaavuuden mukaan yhden gramman massa vastaa noin 9×1013 joulea, joten merkittävien määrien tuottaminen on käytännössä mahdotonta nykyteknologialla.
Säilytys perustuu sähkömagneettisiin ansaan, kuten Penning-ansoihin, jotka estävät varautuneita antihiukkasia osumasta materiaaliin. Neutraalit antihiukkasparit (esim. antihydrogen) voidaan jäädyttää ja ansailla erityisissä magneettisissa minimoissa, mutta tämä vaatii hyvin alhaisia lämpötiloja ja kehittyneitä laitteistoja.
Missä antimateriaa esiintyy ja mitä sillä tehdään?
- Luonnossa: kosmisissa säteilyn törmäyksissä ja avaruuden korkeissa energiatapahtumissa syntyy satunnaisesti antihiukkasia.
- Kokeellisesti: CERN:n kaltaiset tutkimuskeskukset tuottavat ja tutkivat antihiukkasia (esim. antihydrogenin tutkimus).
- Käytännön sovelluksia: lääketiede — PET-kuvantaminen hyödyntää positroneja, jotka annihiloituessaan lähettävät kaksi 511 keV fotonia ja mahdollistavat tarkat kuvausmenetelmät.
- Tutkimus: antimaterian ominaisuuksien, CPT-symmetrioiden ja aine–antiaine-epätasapainon tutkinta (baryogeneesi) ovat keskeisiä kosmologian ja hiukkasfysiikan kysymyksiä.
Miksi maailmassa näyttää olevan enemmän ainetta kuin antimateriaa?
Havaittu universumi koostuu pääosin tavallisesta aineesta. Standardimallin ja kosmologian mukaan alkuräjähdyksen jälkeen pitäisi alun perin syntyä lähes yhtä paljon ainetta ja antimateriaa, mutta havainto näyttää toista. Tämä epätasapaino edellyttää prosesseja (baryogeneesi), jotka rikkovat CP-symmetriaa ja luovat pienen yliotteen aineelle. Tutkimuksessa pyritään selvittämään, mikä mekanismi aiheutti tämän epätasapainon.
Yhteenveto
Antimateria on hiukkasten vastinpareja, joilla on sama massa mutta vastakkainen varaus ja muut kvanttiluvut. Kun hiukkanen kohtaa antihiukkasen, tapahtuu annihilaatio ja vapautuu merkittävästi energiaa gammasäteilyn ja muiden hiukkasten muodossa. Antimateria on tärkeä tutkimuskohde ja sillä on käytännön sovelluksia, mutta sen tuottaminen ja varastointi ovat teknisesti haastavia ja kalliita. Antimaterian tutkimus auttaa ymmärtämään universumin alkuperää, symmetrioita ja perusvuorovaikutuksia.
Mistä se on tehty?
Fysiikassa kaikki alkeishiukkaset eli kosketeltavien asioiden perusrakenneosat ovat pareittain. Jokaisella hiukkasella on niin sanottu antihiukkanen. Se voi näyttää ja toimia aivan kuten tavallinen hiukkanen, mutta siinä on yksi merkittävä ero. Esimerkkinä elektroni ja positroni.
Muut antiainehiukkaset ovat samanlaisia: niillä on sama paino, ja ne näyttävät ja käyttäytyvät samoin kuin tavalliset hiukkaset, mutta niiden sähkövaraus on päinvastainen kuin tavallisilla hiukkasilla. Antivety esimerkiksi on positiivisesti varautunut positroni, joka kiertää negatiivisesti varautuneen antiprotonin ympärillä, mikä on päinvastainen kuin tavallinen vety, jossa elektroni (negatiivinen varaus) kiertää protonin ympärillä (positiivinen varaus).
Annihilation
Albert Einstein löysi kaavan, jolla voidaan osoittaa, kuinka paljon energiaa tietyllä määrällä jotain on, olipa kyseessä sitten aine tai antiaine. Tämä kaava on E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} 
ja se on yksi tunnetuimmista yhtälöistä. Yksinkertaisesti sanottuna, jos otat jonkin asian massan, kerrot sen valonnopeudella ja sen jälkeen vielä kerran valonnopeudella, saat selville, kuinka paljon puhdasta energiaa tietyllä palasella on. Koska valonnopeus on niin suuri luku, tämä tarkoittaa, että pienelläkin määrällä ainetta voi olla paljon energiaa (sen on ennustettu olevan neljä kertaa tehokkaampi massaa kohti kuin ydinfission).
Vuonna 1928 fyysikko Paul Dirac etsi yhtälöä, joka ennustaisi, miten hyvin nopeiden hiukkasten pitäisi käyttäytyä. Oli jo olemassa toinenkin yhtälö, Schrödingerin yhtälö, joka kuvaisi hitaasti liikkuvia hiukkasia, mutta Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian mukaan nopeat hiukkaset voisivat olla hyvin erilaisia kuin hitaat hiukkaset. Dirac tiesi, että elektronien kaltaiset hiukkaset liikkuvat yleensä hyvin nopeasti. Hän tajusi, että vanha yhtälö ei antaisi hyviä ennusteita nopeille hiukkasille. Niinpä hän keksi uuden yhtälön, jolla voitaisiin kuvata hiukkasia, jotka liikkuvat lähellä valon nopeutta.
Nopeille hiukkasille ei enää päde, että energia on E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} . Sen sijaan Diracin uusi yhtälö toimi hiukkasille, joiden energia oli E 2 = m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}} 
. Uudessa energiayhtälössä symboli p → {\displaystyle {\vec {p}}}
on nimeltään impulssi, ja se mittaa sitä, kuinka nopeasti hiukkanen kulkee ja kuinka vaikea sen on pysähtyä. Tämä yhtälö kertoo, että hyvin nopeilla hiukkasilla on enemmän energiaa, joten ne eroavat hitaista hiukkasista. Voit ottaa neliöjuuren tämän yhtälön kummastakin sivusta, koska molemmat sivut ovat yhtä suuret. Millä tahansa todellisella neliöjuurella on kuitenkin kaksi vastausta, E = + m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=+{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}}
ja E = - m 2 c 4 + p → 2 c 2 {\displaystyle E=-{\sqrt {m^{2}c^{4}+{\vec {p}}^{2}c^{2}}}}
. Voit ajatella vastauksen negatiivisen energian olevan antimateriaa.
Tämä on tärkeää antiaineen ymmärtämisen kannalta, koska tutkijat havaitsivat, että kun aine ja antiaine koskettavat toisiaan, vapautuvan energian määrä on hyvin lähellä sitä energiamäärää, jonka E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} mukaan pitäisi olla kahdessa kappaleessa. Syynä on se, että kun kukin aineen hiukkanen koskettaa antihiukkastaan antimateriamaailmassa, molemmat muuttuvat puhtaaksi energiaksi eli annihiloituvat. Tämä suuren energiamäärän vapautuminen on syy siihen, miksi monet tieteiskirjailijat käyttävät antiainetta tarinoissaan polttoaineena. Esimerkiksi kirjailija Dan Brown käyttää antimateriaa kirjassaan "Enkelit ja demonit" erittäin voimakkaana aseena. Sitä tarkastellaan myös polttoainelähteenä tulevaisuuden avaruuslentoja varten.
Missä kaikki antimateria on?
Monet tiedemiehet uskovat, että ensimmäisinä hetkinä alkuräjähdyksen jälkeen, jolloin maailmankaikkeus syntyi hyvin kauan sitten, aine ja antiaine sekoittuivat keskenään. Jos alkuräjähdyksessä syntyi yhtä paljon ainetta ja antiainetta, ne tuhoutuivat ja muuttuivat energiaksi. Pitkän ajan kuluttua ei olisi enää ainetta eikä antiainetta, vain energiaa. Nykyinen maailmankaikkeutemme näyttää kuitenkin koostuvan lähes pelkästään aineesta ja tuskin lainkaan antiainesta. Fyysikot eivät vielä tiedä varmasti, että ainetta ja antiainetta syntyi yhtä paljon, ja siksi he myös pohtivat, minne antiaine meni ja jäikö sitä yli maailmankaikkeuden alusta.
Yksi selitys on, että alussa oli vain hieman enemmän ainetta kuin antiainetta, joten se, mikä jäi jäljelle sen jälkeen, kun suurin osa aineesta ja antiaineksesta oli tuhoutunut energiaksi, muodosti nykyisin näkymämme enimmäkseen aineesta koostuvan maailmankaikkeuden. Toisen teorian mukaan maailmankaikkeuden toisella puolella on paljon antimateriaa, joka on piilossa kaukana näkymiemme ulkopuolella. Myös ne ovat voineet muodostaa omia galaksejaan ja aurinkokuntiaan.
Käyttää
Koska antimateriasta voidaan tuottaa niin paljon energiaa, sitä voidaan käyttää moniin asioihin, kuten polttoaineena avaruuteen menossa tai autoissa. Ongelmana on se, että antimaterian valmistaminen on hyvin kallista ja lähes yhtä kallista varastoida, koska se ei voi koskettaa tavallista ainetta. Alle gramman miljoonasosan antimaterian valmistamiseen tarvitaan useita satoja miljoonia dollareita. Itse asiassa se on maapallon kallein ja harvinaisin aine. Koska antimateria on niin kallista, sitä ei ole käytännöllistä käyttää aseena tai energianlähteenä, koska sitä on niin vähän saatavilla.
Hiljattain tutkijat ovat kuitenkin vanginneet antiainetta yli 16 minuutiksi (yhteensä 1000 sekuntia).
Sillä on käyttöä lääketieteessä, sillä erityinen PET-skanneri, joka on lyhenne sanoista positroniemissiotomografia, käyttää positroneja ihmiskehon tutkimiseen. Lääkärit voivat katsoa, miten positroni muuttuu energiaksi ihmisen kehossa, ja pystyvät näin havaitsemaan, onko ihmisessä jotain vialla. Tällainen laite toimii eri tavalla kuin röntgen- tai magneettikuvauslaite, ja sen avulla lääkärit voivat nähdä asioita, joita nämä muut laitteet eivät näe.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on antimateria?
A: Antimateria on aine, joka koostuu antihiukkasista, joilla on sama massa kuin tavallisen aineen hiukkasilla mutta vastakkaiset varaukset ja ominaisuudet.
K: Mikä on hiukkasten ja antihiukkasten välinen suhde?
V: Hiukkasilla ja antihiukkasilla on vastakkaiset varaukset ja ominaisuudet, ja niiden väliset kohtaamiset johtavat molempien tuhoutumiseen.
K: Minkälaisia hiukkasia ja energiaa syntyy, kun hiukkanen ja antihiukkanen tuhoutuvat?
V: Hiukkasen ja antihiukkasen tuhoutuessa syntyy suurienergisiä fotoneja (gammasäteitä), neutriinoja ja pienemmän massan hiukkas-antihiukkaspareja.
K: Mitä tarkoitetaan termillä leptoniluku?
V: Leptoniluvulla tarkoitetaan hiukkasen tai antihiukkasen sisältämien leptonien lukumäärää.
K: Mitä tarkoitetaan termillä baryoniluku?
V: Baryoniluvulla tarkoitetaan hiukkasen tai antihiukkasen sisältämien baryonien lukumäärää.
K: Miten antiaine eroaa tavallisesta aineesta?
V: Antiaine koostuu antihiukkasista, joilla on sama massa kuin tavallisen aineen hiukkasilla mutta vastakkaiset varaukset ja ominaisuudet.
K: Mikä merkitys on hiukkasten ja antihiukkasten välisillä kohtaamisilla?
V: Hiukkasten ja antihiukkasten väliset kohtaamiset johtavat niiden keskinäiseen tuhoutumiseen ja suurienergisten fotonien, neutriinojen ja pienemmän massan hiukkas-antihiukkasparien syntymiseen.
Etsiä