Kaj je antimaterija?


    Kaj je antimaterija?

    Preprosto – kot že ime samo pove, je to snov, ki ima natanko nasprotne lastnosti kot običajna snov. Vsak osnovni delec, ki sestavlja snov, ima tudi svoj antidelec, od katerega se loči po vseh kvantnih številih. Kadar delec in antidelec trčita, reagirata in sprosti se energija, ki je enaka masi obeh skupaj (temu pravimo anihilacija).

    Najpreprostejši (in prvi odkriti) primer sta elektron in antielektron oz. pozitron, kot mu pravimo. Kot zanimivost naj omenim, da je znani Angleški fizik P. A. M. Dirac napovedal obstoj antidelcev še preden so odkrili prvega predstavnika. Pozitron ima enako maso kot elektron, le da nosi pozitiven naboj namesto negativnega. V vseh ostalih lastnostih pa sta si identična. Prav tako kot antielektron obstaja tudi antiproton, ki je antidelec protonu. Pred nekaj leti so v CERNu prvič uspeli narediti antiatom, t.j. antivodik. Antivodik je v vseh lastnostih enak vodiku, le da je sestavljen iz negativnega jedra (antiproton namesto protona) in pozitivnega delca, ki “kroži” okoli (pozitron namesto elektrona; kroženja seveda ne smemo jemati dobesedno, saj v kvantni mehaniki pozicija delca ni natanko določena).

    Še pred dobrimi 40 leti bi bil to celoten odgovor. Do pedtesetih let je namreč veljalo, da so delci in antidelci popolnoma zamenljivi. Če bi v naravi vse delce nadomestili z antidelci, tega ne bi opazili. Z drugimi besedami, če nadomestimo delce v poljubnem procesu z antidelci, so novi procesi enako mogoči in verjetni (če opazujemo trk elektrona in protona, vidimo isto, kot če opazujemo trk pozitrona in antiprotona). Kaj je snov in kaj je antisnov, je potemtakem le stvar dogovora. Da temu ni tako, je leta 1957 odkrila gospa Wu s sodelavci. Opazovali so radioaktivni beta razpad 60 Co. Pri tem nastaneta elektron in antinevtrino. Opazili so, da pri tem procesu vedno nastane le antinevtrino, ki ima spin usmerjen v isto smer, kot svojo gibalno količino (takemu delcu pravimo, da je desnosučen). Pri poskusu, kjer opazujemo antimaterijo, bi morali opaziti desnosučen nevtrino. V naravi pa takih nevtrinov NI! Spoznanje, da je pojav drugačen, če namesto delcev opazujemo antidelce je dodobra pretreslo dotedanje pojmovanje sveta. Temu pravimo, da je pri radioaktivnem razpadu beta (povzroča ga šibka interakcija) kršena simetrija C (Charge conjugation – zamenjava delca z antidelcem). Šibka interakcija potemtakem krši C simetrijo. Omenimo še, da vse ostale interakcije (močna, elektromagnetna in gravitacijska) spoštujejo C simetrijo. To pomeni, da antivodik pada z enakim gravitacijskim pospeškom kot običajen vodik.

    Kmalu po odkritju kršitve C simetrije se je vzpostavilo prepričanje, da je proces mogoč, če hkrati zamenjamo delce z antidelci in proces opazujemo v ogledalu. Tako iz desnosučnega antinevtrina nastane levosučni nevtrino, ki obstaja in reakcija je možna. Torej: pri opazovanju šibkih procesov (to so procesi, ki jih povzroča šibka interakcija), dobimo mogoč proces, če zamenjamo delce z antidelci in HKRATI opazujemo proces v ogledalu. Krajše rečemo, da je ohranjena CP simetrija (P – zrcaljenje prostora). Kvantna teorija polja je teorija, ki opisuje procese v fiziki osnovnih delcev. Če ta teorija velja (na kar zaenkrat kažejo še vsi eksperimenti), potem velja simetrija CPT. To pomeni, da iz opaženega procesa dobimo nov možen proces, če HKRATI zamenjamo delce z antidelci, proces opazujemo v zrcalu (t. j. zamenjamo levo in desno) in obrnemo smer časa. Če torej velja ohranitev CP simetrije, potem velja tudi ohranitev T simetrije, kar pomeni, da so naravni zakoni v mikrosvetu neodvisni od tega, v katero smer teče čas. Za osnovne delce pojma prej in kasneje ne obstajata.

    Vse to se je spremenilo leta 1964, ko so fiziki odkrili, da je pri razpadu nevtralnih kaonov kršena tudi simetrija CP! Kršitev je resda neznatna, vendar od nič različna. Če torej zamenjamo delce z antidelci in reakcijo opazujemo v ogledalu, ne dobimo ekvivalentnega stanja. Če CPT simetrija ni kršena, to pomeni, da mora biti poleg CP simetrije kršena tudi simetrija T. Če pa simetrija T velja, je kršena simetrija CPT. Obe možnosti so do tedaj imeli za nemogoči. CPT preprosto “mora” veljati, drugače je z našim razumevanjem sveta nekaj hudo narobe. Boljše teorije od kvantne teorije polja pač ne znamo sestaviti. Po drugi strani pa je bilo prav tako nepredstavljivo, da bi bili v mikrosvetu zakoni narave odvisni od smeri časa. Vsi eksperimenti do sedaj (npr. CPLEAR) so pokazali, da je CPT simetrija v okviru (izredno natančnih) eksperimentalno določljivih okvirov simetrija, ki jo interakcije ohranjajo. Iz tega po zgornjem sklepanju sledi, da nekateri šibki procesi kažejo asimetrijo glede obrata časa. Rečeno drugače, izbira, kaj je snov in kaj antisnov ni odvisna le od naših muh. Če bo nekdo na drugem koncu vesolja opravil poskus z razpadi, ki kršijo simetrijo T, bo lahko določil ali ga obdaja snov ali antisnov, pač glede na izid eksperimenta. Verjamemo namreč, da sta ob velikem poku nastali enaki količini snovi in antisnovi. Če bi se to razmerje ohranilo, bi se snov in antisnov prej ali slej zopet anihilirali. Ker pa se snov in antisnov različno obnašata, je antisnov reagirala nekoliko drugače kot snov, ki je sčasoma prevladala. Snov, ki je ostala, in so iz nje zgrajene galaksije, Zemlja in nenazadnje mi, je torej le “droben ostanek” snovi, ki se ni anihilirala z antisnovjo.

    Leta 1999 so znanstveniki v CERNu in Fermilabu tudi z neposrednimi meritvami uspeli pokazati, da je T simetrija dejansko kršena. To tudi pomeni, da je antisnov tista, ki nekoliko hitreje razpada v šibkih procesih. V vseh ostalih procesih (gravitacija, elektromagnetizem), pa med snovjo in antisnovjo ni razlik.

    (Tadej Mali)

    VNOS KOMENTARJA

    Vpiši svoj komentar!
    Prosimo vpišite svoje ime