Antimatter har længe været genstand for science fiction. I bogen og filmen Angels and Demons prøver professor Langdon at redde Vatikanet fra en antimateriebombe. Star Trek-rumfartøjet Enterprise bruger en ødelæggende antimattermotor til at køre hurtigere end lysets hastighed. Men antimaterie er også et objekt for vores virkelighed. Antimaterielle partikler er praktisk taget identiske med deres materialepartnere, bortset fra at de bærer modsat ladning og spin. Når antimaterie møder stof, udslettes de øjeblikkeligt til energi, og dette er ikke længere fiktion.
Selvom antimateriebomber og -skibe baseret på samme brændstof endnu ikke er mulig i praksis, er der mange fakta om antimaterie, der vil overraske dig eller give dig mulighed for at opdatere din hukommelse over det, du allerede vidste.
1. Antimatter skulle ødelægge al materie i universet efter Big Bang
Ifølge teorien fødte Big Bang materie og antimaterie i lige store mængder. Når de mødes, er der gensidig udslettelse, udslettelse og kun ren energi tilbage. Baseret på dette skulle vi ikke eksistere.
Men vi findes. Og så vidt fysikerne ved, skyldes det, at der for hver milliard stof-antimaterielle par var en ekstra partikel af stof. Fysikere prøver deres bedste for at forklare denne asymmetri.
Salgsfremmende video:
2. Antimaterie er tættere på dig, end du tror
Små mængder antimaterie regner konstant ned på Jorden i form af kosmiske stråler, energipartikler fra rummet. Disse antimaterielle partikler når vores atmosfære i niveauer fra en til over hundrede pr. Kvadratmeter. Forskere har også bevis for, at der dannes antimaterie under tordenvejr.
Der er andre kilder til antimaterie, der er tættere på os. Bananer producerer for eksempel antimateriale ved at udsende en positron - antimaterieækvivalent til et elektron - cirka en gang hvert 75 minut. Dette skyldes, at bananer indeholder små mængder kalium-40, en naturligt forekommende isotop af kalium. Når kalium-40 forfalder, fødes der undertiden en positron.
Vores kroppe indeholder også kalium-40, hvilket betyder, at du også udsender positroner. Antimaterie udslettes øjeblikkeligt ved kontakt med stof, så disse partikler af antimaterie holder ikke meget længe.
3. Mennesker formåede at skabe meget lidt antimaterie
Udslettelse af antimaterie og stof har potentialet til at frigive enorme mængder energi. Et gram antimaterie kan producere en eksplosion på størrelse med en atombombe. Imidlertid har mennesker ikke produceret meget antimaterie, så der er intet at frygte.
Alle antiprotoner, der er oprettet ved Tevatron-partikelacceleratoren på Fermi Laboratories, vejer knap 15 nanogram. CERN har hidtil kun produceret ca. 1 nanogram. Hos DESY i Tyskland - ikke mere end 2 nanogram positroner.
Hvis alt det antimateriale, der er skabt af mennesker, udslettes øjeblikkeligt, vil dets energi ikke engang være nok til at koge en kop te.
Problemet ligger i effektiviteten og omkostningerne ved produktion og opbevaring af antimateriale. Oprettelsen af 1 gram antimaterie kræver omkring 25 millioner milliarder kilowatt-timer energi og koster over en million milliarder dollars. Det er ikke overraskende, at antimaterie er undertiden opført som et af de ti dyreste stoffer i vores verden.
4. Der er sådan en ting som en antimateriel fælde
For at studere antimateriale skal du forhindre, at det ødelægges med stof. Forskere har fundet flere måder at gøre dette på.
Opladede antimaterielle partikler som positroner og antiprotoner kan opbevares i såkaldte Penning-fælder. De er som små partikelacceleratorer. Inde i dem bevæger partiklerne sig i en spiral, mens magnetiske og elektriske felter forhindrer dem i at kollidere med fældens vægge.
Penningfælder fungerer dog ikke for neutrale partikler som antihydrogen. Da de ikke har nogen ladning, kan disse partikler ikke begrænses til elektriske felter. De er fanget i Ioffes fælder, der fungerer ved at skabe et rumområde, hvor magnetfeltet bliver større i alle retninger. Partikler af antimateriale sidder fast i området med det svageste magnetfelt.
Jordens magnetfelt kan fungere som fælder til antimaterie. Antiprotoner blev fundet i bestemte zoner rundt om på Jorden - Van Allen strålingsbælter.
5. Antimaterie kan falde (i ordets bogstavelige forstand)
Stoffer af stof og antimaterie har samme masse, men adskiller sig i egenskaber som elektrisk ladning og spin. Standardmodellen forudsiger, at tyngdekraften skal fungere ens på materie og antimaterie, men dette er endnu ikke sikkert at se. Eksperimenter som AEGIS, ALPHA og GBAR arbejder på dette.
Det er ikke så let at se gravitationseffekten på eksemplet med antimateriale som at se på et æble, der falder ned fra et træ. Disse eksperimenter kræver fældning af antimaterie eller bremser det ved afkøling til temperaturer lige over absolut nul. Og da tyngdekraften er den svageste af de grundlæggende kræfter, skal fysikere bruge neutrale antimaterielle partikler i disse eksperimenter for at forhindre interaktion med den mere magtfulde elektricitetskraft.
6. Antimaterie studeres i partikelmoderatorer
Har du hørt om partikelacceleratorer og har du hørt om partikeloptagere? På CERN er der en maskine kaldet Antiproton Decelerator, hvor antiprotons fanges og bremses for at studere deres egenskaber og opførsel.
I ringpartikelacceleratorer som Large Hadron Collider får partikler et energisk løft hver gang de afslutter en cirkel. Retardere arbejder på den modsatte måde: I stedet for at accelerere partikler skubbes de i den modsatte retning.
7. Neutrino kan være deres egne antipartikler
En partikel af stof og dets antimaterielle partner har modsatte afgifter, hvilket gør det nemt at skelne mellem dem. Neutrino, næsten masseløse partikler, der sjældent interagerer med stof, har ingen opladning. Forskere mener, at de kan være Majorana-partikler, en hypotetisk klasse af partikler, der er deres egne modpartikler.
Projekter som Majorana-demonstratoren og EXO-200 har til formål at bestemme, om neutrinoer faktisk er Majorana-partikler ved at observere opførslen af det, der er kendt som neutrinoløst dobbelt beta-henfald.
Nogle radioaktive kerner henfalder samtidig og udsender to elektroner og to neutrinoer. Hvis neutrinoer var deres egne antipartikler, ville de udslette efter dobbelt forfald, og forskere ville kun være nødt til at observere elektroner.
Søgningen efter Majorana-neutrinoer kan hjælpe med at forklare, hvorfor asymmetrien med materie-antimaterie findes. Fysikere antyder, at Majorana-neutrinoer kan være tunge eller lette. Lungerne findes i vores tid, og de tunge eksisterede umiddelbart efter Big Bang. Tunge Majorana-neutrinoer forfaldt asymmetrisk, hvilket førte til udseendet af en lille mængde stof, der fyldte vores univers.
8. Antimatter bruges i medicin
PET, PET (Positron Emission Topography) bruger positroner til at fremstille kropsbilleder i høj opløsning. Positronemitterende radioaktive isotoper (som dem, vi fandt i bananer) fastgøres til kemikalier som glukose i kroppen. De injiceres i blodbanen, hvor de forfalder naturligt og udsender positroner. Disse mødes på sin side med kroppens elektroner og udslettes. Annihilation producerer gammastråler, der bruges til at konstruere et billede.
Forskere fra ACE-projektet ved CERN studerer antimaterie som en potentiel kandidat til kræftbehandling. Læger har allerede fundet ud af, at de kan sende partikelstråler til tumorer og kun udsende deres energi, når de sikkert passerer gennem sundt væv. Brug af antiprotoner tilføjer en ekstra burst af energi. Denne teknik har vist sig at være effektiv til behandling af hamstere, men er endnu ikke testet hos mennesker.
9. Antimaterie kan lure i rummet
En af måderne, som forskere forsøger at løse problemet med asymmetri af materie-antimaterie, er at søge efter antimaterie, der er tilbage fra Big Bang.
Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) er en partikeldetektor, der er placeret på den internationale rumstation og ser efter sådanne partikler. AMS indeholder magnetiske felter, der bøjer vejen for kosmiske partikler og adskiller stof fra antimaterie. Dets detektorer skal registrere og identificere sådanne partikler, som de passerer.
Kosmiske strålekollisioner producerer normalt positroner og antiprotoner, men chancerne for at skabe et antiheliumatom forbliver ekstremt små på grund af den enorme mængde energi, denne proces kræver. Dette betyder, at observation af mindst en nucleolus af antihelium ville være et kraftigt bevis på eksistensen af gigantiske mængder antimaterie andre steder i universet.
10. Folk lærer faktisk, hvordan man udstyrer rumfartøjs antimateriel brændstof er
Meget lidt antimaterie kan generere enorme mængder energi, hvilket gør det til et populært brændstof for futuristiske science fiction skibe.
Antimateriel raketfremdrift er hypotetisk mulig; den største begrænsning er at indsamle nok antimaterie til at få dette til.
Der er endnu ingen teknologier til masseproduktion eller opsamling af antimateriale i de mængder, der kræves til en sådan anvendelse. Forskere arbejder dog på at efterligne sådan bevægelse og opbevaring af dette meget antimateriale. En dag, hvis vi kan finde en måde at fremstille store mængder antimateriale på, kunne deres forskning hjælpe interstellar rejser til at blive virkelighed.
Baseret på materialer fra symmetrymagazine.org
ILYA KHEL
