Dacă în Big Bang au fost produse materie şi antimaterie în cantităţi egale, dar Universul nostru este format doar din materie, unde a dispărut antimateria? Experimentul Belle de la laboratorul japonez de fizica particulelor KEK a descoperit o nouă asimetrie între materie şi antimaterie.
Unul din cele mai mari mistere despre Univers este urmatărorul: dacă în Big Bang au fost produse cantităţi egale de materie şi antimaterie, cum se face că în totalul de materie şi antimaterie din Univers noi observăm peste 99.99% doar materie? Din anii 50 încoace, oamenii de ştiinţă au observat că există diferenţe de principiu între legile fizicii aplicate la materie şi cele aplicate la antimaterie, ceea ce ar putea în principiu să ducă cu timpul, de la Big Bang încolo, la o dispariţiei a antimaterie din Univers. Totuşi, diferenţele descoperite până acum ar explica dispariţia a doar 0.2% din antimateria ce a dispărut. Suntem încă departe de a rezolva misterul. Dar un nou pas mic a fost realizat, fizicienii au descoperit încă un caz de asimetrie între materie şi antimaterie, care ar putea ridica procentul explicat.
Descoperirea vine de la acceleratorul de particule de la laboratorul japonez KEK, de la detectorul de particule Belle, unde în ciocniri de electroni (materie) şi pozitroni (antimaterie) se produc perechi de mezoni B (materie şi antimaterie), dar aceştia se dezintegrează în particule mai puţin masive în mod diferit, spune PhysOrg. Rezultatul a fost publicat în cea mai recentă ediţie a prestigioasei revistei Nature. Dar pentru a aprecia rezultatul lor, haideţi să revedem câteva noţiuni de bază despre antimaterie.
Noţiuni de bază despre antimaterie
Antimateria nu este subiect de science-fiction, ci este fundamentată experimental şi teoretic. Unei particule de materie încarcată electric îi corespunde o particulă de antimaterie cu aceeaşi masă, dar de sarcină electrică de semn opus.
Particula de materie corespunzătoare electronului este pozitronul, adică o particulă de masa electronului, dar pozitivă din punct de vedere electric.
Particula de antimaterie corespunzătoare protonului este antiprotonul, care are o masă egală cu cea a protonului, dar este negativ din punct de vedere electric.
Neutronul este neutru din punct de vedere electric. Este atunci neutronul propria sa particulă de antimaterie? Nu chiar, căci neutronul nu este o particulă elementară, ci este formată din trei particule încă şi mai mici, toate trei încărcate electric. Un neutron este format din un cuarc \”top\” (sarcină electrică +2/3) şi doi cuarci \”down\” (sarcină electrică -1/3). Particula de antimaterie ce corespunde astfel neutronului se numeşte antineutron şi este formată din un anticuarc \”top\” (sarcină electrică -2/3) şi doi anticuarci \”down\” (sarcină electrică +1/3).
Un atom este format din protoni, neutroni şi electroni. Un antiatom este format din antiprotoni, antineutroni şi antielectroni.
Dar dacă atomii emit lumină, antiatomii ce fel de lumină emit? Dacă particula elemantară corespunzătoare luminii se numeşte foton, care este corespondentul de antimaterie al fotonului? Ei bine, fotonul este neutru din punct de vedere electric, este o particulă elementară, fotonul este chiar propria lui antiparticulă! Aşadar, atât atomii cât şi antiatomii emit acelaşi fel de lumină. Materia şi antimateria nu poate fi deosebită prin lumina ce o emit!
Universul e format doar din materie
Oamenii de ştiinţă cred că Universul nostru este format doar din materie. Dar cum noi studiem universul mai ales prin lumina ce o primim din diferite părţi ale Universului şi cum acelaşi tip de lumă este emisă şi de materie şi de antimaterie, cum de ştim că Universul nu este jumate format din materie şi jumate din antimaterie? Ei bine, dacă ar fi aşa, atunci ar exista o graniţă între cele două zone unde materia şi antimateria s-ar întâlni şi atunci s-ar anihila în explozii violente cu emisie de lumină de o anumită lungime de undă foarte precisă. De exemplu, în cazul anihilării unui electron şi a unui pozitron sunt emişi doi fotoni, fiecare având o energie egală cu energia corespunzătoare masei electronului. Astfel, dacă am observa această lumină cu o semnătură precisă, am putea identifica zone de graniţă între materie şi antimaterie. Însă în ciuda unor căutări amănunţite cu foarte multe telescoape, oamenii de ştiinţă nu au observat aceasta. Desigur, experimentele continuă, poate că există zone mai mici de antimaterie, ce nu ar produce lumină aşa de intensă. Însă din ce s-a observat până acum se pare că mai mult de 99.9% din totalul de materie şi antimaterie din Univers este format doar din materie.
Totuşi, în Big Bang au fost produse cantităţi egale de materie şi antimaterie
Într-adevăr, în laboratoarele de fizica particulelor, zi de zi, milioane de perechi de materie-antimaterie sunt produse în coliziuni de particule, pentru a conserva sarcina electrică şi alte mărimi denumite numere cuantice. Dar în Big Bang ceva foarte asemanător a avut loc. Exista energie pură concentrată în un volum ofarte mic şi la un moment dat au fost create perechi de materie şi antimaterie. Universul s-a existins apoi foarte rapid în un timp foarte scurt, materia şi antimateria existentă s-au anihilat mai mult sau mai puţin. Dacă aşa ar fi fost, atunci Universul nostru ar fi trebuit să nu aibă nici materie, nici antimaterie (deci noi să nu existăm!), sau ar fi trebuit ca materia să fie în unele zone de Univers şi antimateria în alte zone de Univers (şi atunci să detectăm lumină cu semnătura specifică!). Unde a dispărut aşadar antimateria? Fără exagerare, acesta este unul din cele mai mari mistere despre Univers. Subiectul este studiat de fizica particulelor elementare împreună cu cosmologia şi astrofizica. Un premiu Nobel va fi rezervat automat celor ce vor deslega acest mister.
Mici diferenţe între materie şi antimaterie
Ce ar fi dacă ar exista o usoară diferenţă în legile fizicii între materie şi antimaterie? Cum ar fi dacă se produce mereu materie şi antimaterie în cantităţi egale, dar când se dezintegrează în particule mai mici, antimateria dispare puţin mai multă decât materie, lăsând un excedent mic de materie, dar care proces repetându-se de foarte multe ori la începutul Universului, ar fi dus la Universul nostru format din materie? Ei bine, aceasta ar avea sens, deşi tot nu am înţelege de ce ar avea loc aceste diferenţe …
Ei bine, exact aceasta au descoperit fizicienii din anii 50 încoace. Problema este că diferenţa ce au observat-o între materie şi antimaterie este atât de mică încât ar putea explica prezenţa de doar 0.2% din materia din Univers. Diferenţa aceasta era observată în cadrul unor particule subatomice numite mezoni K, apoi în cadrul unor alte particule subatomice numite mezoni B. Speranţa lor este ca dacă aceste diferenţe între materie şi antimaterie se descoperă şi la alte particule, procentul de materie din Univers ce ar fi explicată ar creşte.
Există modele teoretice încă neverificate experimental care presupun prezenţa de noi particule elementare, încă şi mai masivă, denumită materie întunecată. Dacă s-ar descoperi particulele subatomice ce ar forma această materie întunecată, dacă s-ar observa că ele prezintă o diferenţă între materie şi antimaterie, cum aceste particule sunt masive, ar creşte şi mai mult procentul de materie explicat din Univers. Şi cine ştie, poate se va explica cu întreaga cantitate de materie din Univers. Cercetarea continuă aşadar în studiul asimetriei între materie şi antimaterie.
Progres recent în acest sens
Iar progresele nu întârzie să apară. Când e vorba de acceleratoare de particule, aţi auzit desigur de Large Hadron Collider, care va intra în funcţiune la laboratorul european de fizica particulelor, CERN, la Geneva, Elveţia, vara aceasta. Aţi auzit poate şi de Tevatron, acceleratorul care a fost timp de 20 de ani, şi încă mai este până intră în funcţiune Large Hadron Collider, cel mai puternic accelerator de particule din lume. La Tevatron a fost descoperit în 1995 cuarcul top, cea mai masivă din particlele elementare. Dar există şi multe alte acceleratoare de particule în jurul lumii, la fel de importante în studiul Universului.
De exemplu, în Japonia, există un oraşel creat în anii 1970 special pentru a fi un oraş ştiinţific. Numit Tsukuba, se situează la două ore nord de capitala ţării, Tokyo. Acolo se găseşte laboratorul naţional japonez de fizica particulelor, KEK. KEK găzduieşte un accelerator de particule ce accelerează electroni şi antimateria lor, pozitroni, la viteze foarte foarte apropiate de cea a luminii. Aceştia sunt lăsaţi apoi să se ciocnească, iar din energia lor de mişcare se crează masă, adică particule noi. Ştim de la formula lui Einstein E=mc2 că masa şi energia sunt echilvalente şi se pot transforma unele în altele. Ei bine, acest accelerator este proiectat în aşa fel pentru a produce mari cantităţi de mezoni B de materie şi de mezoni B de antimaterie.
Studiindu-i atent, fizicienii au descoperit o diferenţă în modul în care cele două tipuri de particule se descopum în alte particule mai puţin masive, sugerând o diferenţă între materie şi antimaterie, spune PhysOrg. Aceasta este un pas înainte spre rezolvarea misterului unde a dispărut antimateria din Univers. Rezultatul a apărut recent în prestigioasa revistă Nature.
Sursa antimateriei din galaxia noastră a fost descoperită
S-a înţeles care este mecanismul prin care se producea antimateria observată deja de trei decenii în centrul galaxiei noastre. Rezultatele acestea au fost publicate în numărul din 10 ianuarie al revistei Nature. Dar să le luam pe rând …
Ce este antimateria?
Fiecărei particule de materie îi corespunde o particulă de antimaterie, de aceeaşi masă, dar de sarcină electrică de semn opus. De exemplu, electronului, care este negativ din punct de vedere electric, îi corespunde antielectronul, care are masa electronului, dar este încărcat electric pozitiv. I se mai spune şi pozitron. Protonului, care este pozitiv din punct de vedere electric, îi corespunde antiprotonul, care are masa protonului şi este negativ din punct de vedere electric.
În vreme ce un atom de hidrogen este format din un proton pozitiv în jurul căruia se roteşte un electron negativ, un antiatom de hidrogen este format din un antiproton negativ în jurul căruia se roteşte un pozitron pozitiv. Un atom emite lumină atunci când un electron trece de pe un nivel de energie mai mare la un nivel de energie mai mică. Un antiatom emite lumina în acelaşi fel. Dar emite lumină, sau antilumină? Ei bine, lumina şi antilumina sunt unul şi acelaşi lucru. Fotonul, particula de lumină, este propria sa particulă de antimaterie.
Există antimaterie în Cosmos?
Dar atunci, cum noi detectăm lumina de la o stea îndepărtată, cum putem noi şti dacă steaua este formată din materie sau din antimaterie? Ei bine, dacă acea stea ar fi singură în Univers, nu ne-am putea da seama. Dar ea nu este singură în Univers. Şi atunci, dacă ar exista o zonă din Univers în care nu ar exista materie, ci doar antimaterie, această zonă de antimaterie s-ar învecina neaparat cu o zonă de materie. Şi la graniţa dintre cele două zone, materie şi antimaterie neapărat s-ar întâlni. Când aceasta se întâmpla, are loc o mică explozie. Materia şi antimateria dispar (se anihilează), lâsând în urma lor lumină de o anumită lungime de undă.
Când materie şi materie se întâlnesc, se anihilează, cu eliberare de energie sub formă de particule. Când un electron şi un pozitron aproape în repaus se întâlnesc, se emit doi fotoni de lumină, fiecare având o energie egală cu energia corespunzătoare unui electron în repaus, anume .511 MeV.
Dacă pe Terra am detecta lumină cu aceste lungimi de undă, atunci am putea identifica zone de graniţă între un tărâm de materie şi unul de antimaterie. Dar cum încă nu s-a descoperit această lumină în intensităţi mari, încă nu s-au descoperit zone din Univers formate majoritar din antimaterie. Experimente însă caută în continuare.
Antimaterie în centrul galaxiei noastre
S-a detectat totuşi ceva în acest sens. S-au detectat mici cantităţi de antimaterie în o zonă de Univers dominată de departe de materie. De aceea, antimateria se întâlneşte foarte uşor cu materia ce o înconjoară, cu care se anihilează, rezultănd lumină de lungime de unde specifică. Această lumină a fost detectată încă din 1978 provenind de undeva din centrul galaxiei noastre. Da, chiar în galaxia noastră există antimaterie. Era o veste intrigantă. Cercetările au continuat şi acum fizicienii propun în sfârşit un mecanism al apariţiei acestei antimaterii. Acest mecanism a fost publicat în ediţia din 10 ianuarie a revistei Nature. Despre ce este vorba?
Sursa antimateriei din galaxia noastră a fost descoperită
Atunci când o stea de neutroni, care de felul ei este foarte masivă, atrage materie de la o stea vecină şi accelerează această materie foarte puternic spre ele, materia, dacă este încărcată electric, păţeşte ceva foarte interesant. Anume, ea emite lumină. Această lumină este foarte energetică şi când trece prin materie, suferă şi ea ceva interesant. Anume, lumina dispare şi lasă în locul ei perechi de materie şi antimaterie.
Aceasta antimaterie însă trăieşte foarte puţin, căci fiind în minoritate, se loveşte repede de materie şi se anihilează cu materie, producând lumină de lungime de undă precisă (cum am explicat mai sus). Observarea acestei lumi a permis astronomilor să detecteze prezenţa antimateriei. Tocmai acest mecanism de producere a antimateriei a fost publicat în ediţia din 10 ianuarie a revistei Nature.
Unde se întâlneşte antimaterie pe Terra?
Antimaterie este produsă mereu pe Terra în acceleratoare de particule, prin ciocnirea unor fascicule de particule subatomice de viteză mare cu ţinte fixe, sau cu alte fascicule de particule. Există chiar acceleratoare ce ciocnesc materie şi antimaterie, precum acceleratorul (protoni cu antiprotoni sau electroni cu pozitroni). Antimaterie este produsă şi prin descopuneri radioactive de nuclee atomice ce au mai mulţi protoni de cât ar trebui. Un astfel de nucleu este folosit pentru tehnica de imagistică medicală denumită scanări PET, sau tomografie cu emisie de pozitroni. Antimaterie este produsă şi atunci când particule cosmice de mare energie (cele provenind de la Soare se numesc vânt solar) se lovesc de nuclee din atmosfera Pământului. Aceste particule de antimaterie sunt precum niste picături de apă dulce în o mare de apă sărată. Ele se anihilează foarte repede cu particulele de materie din jurul lor, rezultând noi particule sau lumină.
Concluzie
Antimateria nu este doar o idee SF, este reală, bine-mersi, fără nimic paranormal, dar cu un mare mister: dacă în Big Bang au fost produse cantităţi egale de materie şi antimaterie, unde a dispărut antimateria?
Sursa informatiei : Stiinta.info