Antimateria                                                                                                   Miika Pojanluoma

 

1. Johdanto

Lukiostamme neljä oppilasta osallistuu Cern-projektiin. Olemme lähdössä vuoden 2005 toukokuussa Cern:in tutkimuskeskukseen yhdessä tamperelais lukion oppilaiden kanssa. Tämä tutkielma on yksi etukäteistöistä joita teemme ennen matkaa.

2.    Antimaterian historiasta

Antimateria tuli ensimmäisen kerran fyysikkojen tietoisuuteen viime vuosisadan alkupuolella,  vuonna 1928. Antimaterian löytäjänä pidetään brittiläistä fyysikkoa Paul Diracia. Dirac oli matemaattisesti hyvin lahjakas,  ja kun hän vuonna 1925 luki Heisenbergin ensimmäisen kvanttimekaniikka-artikkelin, hän huomasi, että Heisenberg oli käyttänyt tietämättään ns. ei-kommutoivia muuttujia, jotka olivat matemaatikoille, kuten myös Diracille, hyvin tunnettuja. Hän alkoi muovailemaan Heisenbergin teoriaa matemaattisia keinoja hyväksi käyttäen. Tämän johdosta Dirac nousi kvanttiteorian kehittäjien Heisenbergin ja Schrödingerin rinnalle.

Vuonna 1928 muotoillessaan elektronin liikettä sähkö- ja magneettikentissä kuvaavia yhtälöitä siten, että hän otti mukaan myös Albert Einsteinin suhteellisuusteorian ennustamat vaikutukset, hän sai valmiiksi elektroniteoriansa. Tämä teoria perustuu ns. Diracin yhtälöön, joka on neljän elektronia kuvaavan yhtälön ryhmä. Tällä yhtälöllä on kummallisia ratkaisuja; sen mukaan on olemassa elektroneja, joilla on negatiivinen energia. Siihen aikaan luultiin, että elektroneilla ja muilla hiukkasilla voi olla vain positiivisiä energioita, joten Diracin yhtälöä pidettiin järjettömänä. Dirac kuitenkin piti yhtälöään paikkansapitävänä ja alkoi miettiä selitystä negatiiviselle energialle. Lopulta Dirac ennusti antielektronin olemassaolon. Hän päätteli myös, että kaikilla hiukkasilla on oma antihiukkanen, vaikka sitä ei pystyttykään kokeellisesti todistamaan.  Jokainen teoria, joka sisältää sekä kvanttimekaniikan, että Einsteinin suppeamman suhteellisuusteorian, edellyttää, että jokaisella hiukkasella on partneri. Dirac sai löydöstään Nobelin palkinnon vuonna 1933.

Jo vuonna 1932 amerikkalainen Carl Anderson onnistui löytämään ensimmäisen antihiukkasen tietämättä Diracin ennusteista. Kun hän tutki kosmisia hiukkasia sumukammiolla, hän havaitsi sumukammiossa jälkiä, jotka olivat positiivisesti varautuneen hiukkasen tekemiä. Ne olisivat voineet olla negatiivisesti varautuneen hiukkasen tekemiä jälkiä vain, jos hiukkanen olisi tullut alhaalta ylöspäin eli maapallon läpi. Anderson varmisti ettei niin ollut panemalla lyijylevyn kammionsa keskelle. Positiivisesti varautuneet kosmiset hiukkaset olivat massaltaan yhtä suuria kuin elektronit. Hän nimesi hiukkasen positroniksi ja sen ominaisuudet olivat juuri sellaisia kuin Dirac oli ne teoriassaan osoittanut. Sen massa oli sama kuin elektronilla, mutta negatiivisen sähkövarauksen sijaan sillä oli positiivinen sähkövaraus. Positronit olivat peräisin maapallon ilmakehään törmänneiden protonien aiheuttamasta hiukkassäteilystä. Andersonkin sai löydöstään Nobelin palkinnon neljä vuotta myöhemmin eli 1936.

Positronin löytymisen jälkeen oli selvää, että antihiukkasia täytyi olla muitakin, protonilla täytyi olla oma antihiukkasensa ja jopa neutronilla, joka on sähkövaraukseton, antineutroninsa. Tämän johdosta kosmisen hiukkassäteilyn tutkimista jatkettiin ahkerasti, mutta seuraava antihiukkanen, antiprotoni, löydettiin vasta vuonna 1955 Berkeleyn yliopiston bevatroni-hiukkaskiihdyttimessä. Samana vuonna, 1995, CERNin ydinhiukkasten tutkimuslaboratoriossa onnistuttiin tuottamaan ensimmäinen antivedyn atomi. Se muodostui antiprotonista ja positronista ja se oli olemassa vain muutamia kymmeniä nanosekunteja.

 

3.    Antimaterian luonne

Hiukkaset ja niiden antihiukkaset ovat muuten samanlaisia, vain niiden kaikkien varauksien merkit ovat vastakkaiset. Jos on olemassa elektroni e, jonka varaus on negatiivinen, on myös oltava olemassa antielektroni ē, jonka varaus on positiivinen. Anderson nimesi tälläisen positroniksi ja siksi sitä kutsutaan nykyäänkin. Jokaisella hiukkasella on siis olemassa atihiukkasensa; on olemassa mm. antikvarkkeja . Sähköisesti varautumattomien hiukkasten, kuten fotonien, antihiukkanen on hiukkanen itse. Sen taki sen olemassaolon voi jättää huomioimatta. Luonnonlait ovat samat sekä hiukkasilla että antihiukkasilla. Niiden kemiat ovat myös samanlaiset, joten on mahdollista muodostaa antihiukkasista antiainetta kuten antivettä.

On myös ajateltu, että on olemassa kokonaisia antimaailmoja antimateriasta muodostuneine galakseineen ja galaksiryhmineen. Tämä ei kuitenkaan ole totta, sillä hiukkasen ja antihiukkasen yhteen joutuessa tapahtuu annihilaatio, jolloin hiukkanen ja antihiukkanen tuhoutuvat ja muuttuvat energiaksi. Jos antimaailmoja olisi, olisimme havainneet huomattavia energiapurkauksia johtuen annihilaatiosta. On kuitenkin olemassa myös teoria, jonka mukaan annihilaatio ei tapahtuisi erittäin alhaisissa lämpötiloissa, vaan  olisi huomattavasti epätodennäköisempi. Näin ollen maailmankaikkeudessa voisi olla suhteellisen eristäytyneitä antimaterian alueita. Nämä alueet voisivat pysyä huomaamattomina, jos materian ja antimaterian välinen rajapinta olisi lämpötilaltaan tarpeeksi matala. CERNissä on parhaillaan käynnissä ASACUSA -projekti, jonka tarkoituksena on nimenomaan testata antimaterian ja materian käyttäytymistä alhaisissa lämpötiloissa.

 

4.    Antimaterian ja antihiukkasten valmistaminen

Antielektroneja eli positroneja syntyy kaiken aikaa ympäristössämme radioaktiivisten jakaantumisprosessien johdosta, tarkemmin sanoen b+ hajoamisesta. Siitä syntyneet positronit vain kerätään talteen. Antiprotoneiden valmistus ei ole niin yksinkertaista. Cerniin 1970-luvun lopussa rakennettu laite, Antiproton Accumulatorin eli AC, tuottaa ja kerää talteen korkeaenergisiä antiprotoneita. Niiden valmistusprosessi on lyhyesti ilmaistuna seuraavanlainen: Sopivanlainen kohtio asetetaan magneettikenttään, protonisuihkun annetaan iskeytyä siihen ja silloin syntyy tavallisten hiukkasten lisäksi myös antiprotoneita, joiden rata kaarentuu magneettikentän takia. Taivutusmagneettien avulla antiprotonit voidaan ohjata varastorenkaaseen.

Antimaterian, eli antihiukkasista rakentuvien atomien, valmistaminen on huomattavasti hankalampaa kuin pelkkien antihiukkasten. Jotta antiprotoni pystyisi sieppaamaan positronin kiertoradalleen, niiden nopeudet eivät saa olla liian suuret. Hiukkasreaktiossa syntyneiden antihiukkasten nopeudet ovat kuitenkin tavallisesti niin suuret, että niitä joudutaan hidastamaan useasti, ennenkun ne voidaan yhdistää atomeiksi. CERNissä antiprotonit siirrettiin ensin  hidastettavaksi PS:ään, eli Protonisynkrotroniin, josta ne sitten ne syötettiin LEAR:iin, joka jatkoi hidastamista. Nykyään CERNissä on laite, Antiproton Decelerator eli AD, jossa kaikki vaiheet; tuotanto, keräys, jäähdytys, hidastus ja lopulta keräys tutkimusta varten tehdään.

Vuoden 1995 lopussa CERNissä onnistuttiin tuottamaan ensimmäisen kerran positronista ja antiprotonista antivetyatomi, tarkalleen ottaen 9 antivetyatomia. Ne kuitenkin elivät vain sekunnin kahdeskymmenesmiljoonasosan. Teknologin kehityttyä CERNissä onnistuttiin valmistamaan kerrallaan jopa yli 50 000 antivetytomia.

 

5.    Antimaterian hyödyntäminen

 

Lääketieteessä hyödynnetään positronien annihiloitumista positroniemissiotomografiassa (PET). Tällä tekniikalla saadaan tarkkoja kuvia ihmisen elimistön kudoksista. Sitä käytetään erityisesti aivojen tutkimisessa.

 

 

 

 

Antimateriaa voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää myös avaruusaluksissa. Niiden moottorit voisivat käyttää antimateriaa polttoaineena. Antimateriaa tarvittaisiin pieni määrä nykyiseen polttoaineeseen verrattuna, koska antimateriasta vapautuu energiaa Einsteinin kaavan E=mc2 mukaisesti. Moottorissa olevan heijastimen eteen johdettaisiin yhtä aikaa sekä antimateriaa että materiaa. Annihilaation seurauksena syntyisi sähkömagneettista säteilyä, joka tietyllä aallonpituudella on valoa. Oikean muotoisella peilillä valo voitaisiin ohjata raketista poispäin ja valon paine kehittäisi sopivan reaktiovoiman avaruusaluksen kuljettamiseen. Järkevintä sekä edullisinta olisi käyttää antivetyä sekä vetyä raketin polttoaineena. Vetyä on runsaasti saatavilla maapallollamme,  ja antivety on helpoiten tuotettavissa.

Toinen, käyttökelpoisempi, vaihtoehto olisi saada annihilaatiosta syntyvä energia muodostumaan laservaloksi. Tällöin moottorissa syntyvät häviöt olisivat pienemmät.

Ongelmina tälläisissä konsepteissa ovat antimaterian saatavuus ja varastoiminen. Nykyään antimaterian tuottamiseen vaaditaan valtava määrä energiaa, ja vuotuinen valmistusmäärä on alle 10 nanogrammaa. Myös laitteistot ovat niin suuria ettei niitä voisi sijoittaa aluksiin. Vuotuinen valmistusmäärä on niin pieni ettei antimateriarakettimoottoria päästä vielä valmistamaan. Antimaterian varastoimiseenkaan ei ole vielä edes löydetty keinoa. Se tulisi säilyttää eristyksessä aineen kanssa ettei annihilaatiota synny.

 

6.    Lähdeluettelo

Gordon, Kane: Kvarkkitarha        , Art House

Hawking, Stephen: Ajan Lyhyt Historia, Wsoy

Hawking, Stephen: Maailmankaikkeus Pähkinänkuoressa, Wsoy

 

http://www.physics.helsinki.fi/~enqvist/artikkeli.dir/antimateria.html

http://gamma.nic.fi/~avaruus1/artikkelit/antimateria/antimateria.html

http://www.ilmajoki.fi/KOULUT/LUKIO/antimateria.htm

http://www.nurmonlukio.fi/cern/Antimateria.doc

 

Kuvat:

http://www.ngi.gov/apps/nih/nihpet.gif

http://fcf.grc.nasa.gov/pics/antimatter.jpg

http://www.uv.es/~jaguilar/historias/dirac.jpg

http://hepweb.rl.ac.uk/ppukpics/images/POW/2000/000816.jpg