Paaiškinimai: kas yra antimedžiaga?

Antimaterija yra medžiaga, sudaryta iš vadinamųjų antidalelių. Manoma, kad kiekviena žinoma dalelė turi antimedžiaginį kompanioną, kuris praktiškai identiškas, tačiau jo elektrinis krūvis priešingas. Pavyzdžiui, elektrono krūvis, kaip žinia, neigiamas. Jo antidalelės – pozitrono – masė tokia pati, bet krūvis teigiamas. Kai dalelė susitinka savo antidalelę, jos viena kitą panaikina, anihiliuoja – išnyksta kaip blyksnis šviesos.

Tokių dalelių egzistavimą pirmą kartą numatė britų fizikas Paulis Diracas, bandydamas apjungti dvi didingas moderniosios fizikos pradžios idėjas: reliatyvumą ir kvantų mechaniką. Lig tol mokslininkus glumino faktas, jog šios teorijos rodė, kad dalelės gali turėti energijas, mažesnes už „rimties“ (t.y., kai nieko nedaro). Tuo metu tai atrodė neįmanoma, nes tai reiškė, kad energija gali būti neigiama.

Tuo tarpu Diracas, suprato, jog lygtys rodo, kad dalelės užpildo visą tokių mažesnių energijų „jūrą“ – kuri iki tol buvo nematoma fizikams, nes jie žiūrėjo tik „virš paviršiaus”. Jis įsivaizdavo, kad visi egzistuojantys „normalios” energijos lygiai atstovauja „normalias“ daleles. Tačiau, kai dalelė iššoka iš žemesniosios energijos būsenos, ji atrodo kaip normali dalelė, tačiau palieka „skylę”, kuri mums atrodo kaip keista veidrodinė dalelė – antimedžiaga.

Nežiūrint pradinio skepsio, greitai buvo rasti šių dalelių–antidalelių porų pavyzdžiai. Pavyzdžiui, jos sukuriamos, kai kosminiai spinduliai susiduria su Žemės atmosfera. Netgi yra duomenų, kad žaibų energija sukuria antielektronus, vadinamus pozitronus. Antimedžiaga kuriama ir vykstant kai kuriems radioaktyviems skilimams, šis procesas naudojamas daugelyje ligoninių, Pozitronų emisijos tomografijos (PET) skeneriuose, kuriais galima kurti tikslius žmogaus vidaus atvaizdus. Didžiajame hadronų greitintuve (LHC) vykstančiuose tyrimuose irgi gali susidaryti materija ir antimaterija.

Medžiagos ir antimedžiagos mįslė

Fizikai numato, kad materijos ir antimaterijos turi būti sukuriama praktiškai po lygiai, ir kad taip turėjo nutikti ir Didžiojo sprogimo metu. Be to, manoma, kad daleles pakeitus jų antidalelėmis, fizikos dėsniai turėtų veikti taip pat – šis santykis vadinamas CP simetrija. Tačiau mūsų matoma visata, panašu, šių dėsnių nepaiso. Ji sudaryta praktiškai vien iš materijos, tad kur dingo visa antimaterija? Tai kol kas viena iš didžiausių fizikos mįslių.

Eksperimentai parodė, kad vykstant kai kuriems radioaktyviojo skilimo procesams antidalelių ir dalelių susidaro ne po lygiai. Bet to nepakanka paaiškinti materijos ir antimaterijos neatitikimą visatoje. Taigi, fizikai, įskaitant ir mane, LHC, ATLAS, CMS ir LHCb, ir kiti, atlikdami eksperimentus su neutrinais, tokius, kaip T2K Japonijoje, ieško kitų šią mįslę galinčių išspręsti procesų.

Kitos mokslininkų grupės, pavyzdžiui, Alpha Collaboration CERN tiria daug mažesnes energijas, aiškindamosi, ar antimaterijos savybės išties tokios pat, kaip materijos. Naujausi jų rezultatai rodo, kad antivandenilio atomas (sudarytas iš antiprotono ir antielektrono, kitaip, pozitrono) yra elektriškai neutralus bent vienos milijardosios elektrono krūvio dalies tikslumu. Drauge su kitais matavimais, tai implikuoja, kad pozitrono krūvis yra lygus ir priešingas elektrono krūviui didesniu nei vienos milijardosios dalies tikslumu – tai patvirtina spėjimus apie antimedžiagą.

Tačiau daug paslapčių dar lieka. Eksperimentais taip pat tiriama, ar gravitacija veikia antimateriją taip pat, kaip ir materiją. Jei pasirodys, kad simetrija čia netiksli, reikės iš esmės peržiūrėti visas fizikos žinias, nes tai paveiktų ne tik dalelių fiziką, bet ir mūsų supratimą apie gravitaciją ir reliatyvumą.

Taip eksperimentais su antimedžiaga naujai ir jaudinamai išbandome savo supratimą apie visatą. Kas žino, ką aptiksime?

Roger Jones
theconversation.com

Už temos pasiūlymą dėkojame skaitytojui Giedriui