Antycząstki, antyplanety, antygalaktyki… O antymaterii

Śladowe ilości antymaterii powstają w procesach naturalnych, a od pewnego czasu również w naszych laboratoriach. Czy możemy jednak wykluczyć, że gdzieś w odległych zakątkach kosmosu, funkcjonują całe galaktyki, mgławice, gwiazdy i układy planetarne – złożone z antycząstek i antyatomów?

Wielka wojna anihilacyjna

Nigdy nie istniał powód, dla którego z błysku wielkiego wybuchu musiałyby wyłonić się jedynie elektrony, protony, neutrony i reszta “standardowej” menażerii cząstek elementarnych. Natura wręcz wymaga, aby w akcie przekształcania energii w materię, każdej nowo narodzonej cząstce towarzyszyła jej antycząstka. Potężna porcja promieniowania gamma, daje zawsze jednoczesny początek ujemnie naładowanemu elektronowi jak i pozytonowi o ładunku dodatnim. To naturalna kolej rzeczy, wynikająca z zasady zachowania ładunku.

Proton i antyproton

W tym miejscu mamy pełne prawo zapytać: dlaczego więc wszystko co znamy składa się akurat z elektronów, protonów i neutronów, a nie z pozytonów, antyprotonów i antyneutronów? (Na marginesie, neutrony jak i antyneutrony co prawda posiadają neutralny ładunek elektryczny, jednak ich wewnętrzna struktura się różni). Dlaczego widniejące na nieboskłonie gwiazdy to kule wodoru, a nie antywodoru, zbudowanego z antyprotonów okrążanych przez pozytony? Notabene, w CERN już dawno udało nam się wytworzyć takie antyatomy i dowieść, iż są elektrycznie obojętne – nie inaczej od atomów zwykłego wodoru. Teoretycznie nie powinno być więc kłopotów z powstaniem związków chemicznych antywodoru z innymi antypierwiastkami. Można by zatem skonstruować antyplanetę zamieszkałą przez antyorganizmy oddychające antypowietrzem i pijące antywodę.

Najbardziej rozpowszechniona jest teza, jakoby w pierwszych sekundach po wielkim wybuchu, niemowlęcy wszechświat rzeczywiście wypełniały cząstki i antycząstki. W idealnym scenariuszu – tj. gdyby materii i antymaterii było absolutnie tyle samo – wszystkie drobiny uległyby anihilacji wracając do postaci promieniowania gamma. Ku chwale symetrii. Wiemy jednak, że do tego nie doszło, czego najlepszym dowodem jest fakt, że siedzicie teraz przed monitorem i czytacie te słowa. Oznacza to, iż łut szczęścia lub któraś z cech fizyki mikroświata, pozwoliła zachować minimalną przewagę materii i wyjść jej z tej batalii z tarczą. Owa resztka cząstek, które przetrwały, składa się na wszystko co obserwujemy obecnie w kosmosie.

Czy antymateria się schowała?

Przyjmijmy jednak inny scenariusz, nieco straszniejszy, ale i ciekawszy. Wyobraźmy sobie, że młody wszechświat ekspandował tak gwałtownie, iż nie wystarczyło czasu aby każda drobina mogła trafić na swe lustrzane odbicie i ulec zniszczeniu. W takim wypadku, współczesny kosmos mogłyby wypełniać w równym stopniu gromady galaktyk zbudowane z klasycznej materii, jak i grupy antygalaktyk – oddzielone od siebie gigantycznymi obszarami pustki. Rozkoszując się cudownymi fotografiami wykonywanymi przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a widzielibyśmy zarówno jedne jak i drugie. Co by je odróżniało? Właśnie w tym problem. Nic.

Dzięki spektroskopii astronomowie potrafią bez większych kłopotów podać skład chemiczny dowolnego ciała niebieskiego. Potrzebują do tego jedynie analizy docierającego do Ziemi światła, charakterystycznego dla poszczególnych pierwiastków. Dlatego nie musimy odwiedzać egzoplanety ani nawet jej zbyt dobrze widzieć, aby stwierdzić obecność na jej powierzchni tlenu czy węgla. Ta sama metoda nie rozwiąże jednak naszej zagwozdki. Światło składa się z fotonów, a foton de facto pozostaje antycząstką sam dla siebie.

Anihilacja oraz kreacja par z udziałem materii i antymaterii
Anihilacja i kreacja

Wszelkie przejawy promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez antygwiazdy, nie będą się więc różniły niczym, od światła naszych gwiazd. Oczywiście nie możemy być tu zupełnie pewni czy hipotetyczne antyciało niebieskie wyglądałoby dokładnie tak samo jak każde inne – ponieważ sami nie zgromadziliśmy dotąd antymaterii w ilościach pozwalających na zaobserwowanie takiej grudki nieuzbrojonym okiem (z czym mogliście się zetknąć m.in. w książce Anioły i demony). Mimo to, nie mamy powodów aby domniemywać istnienia jakichś wyjątkowych kolorów lub innych nietypowych cech wizualnych substancji złożonych z antyatomów.

Kiedyś sądzono, że jeśli nie światło, to może grawitacja pomoże zidentyfikować antygalaktyki. Tego typu myślenie preferował nieco kontrowersyjny włoski fizyk Ruggero Santilli z Uniwersytetu w Turynie. Był on święcie przekonany, iż antymateria powinna oddziaływać w sposób nietypowy; a nawet generować coś na kształt efektów antygrawitacyjnych (przy okazji Santilli próbował nanieść własne poprawki na ogólną teorię względności). Nie udało mu się jednak poprzeć swoich publikacji żadnymi danymi obserwacyjnymi, co raczej nie dziwi współczesnych fizyków. Antycząstki różnią się od swojego rodzeństwa jedynie przeciwstwanym ładunkiem elektrycznym. Pozyton posiada masę identyczną z elektronem i nie ma powodu aby obie cząstki elementarne miały inaczej naciskać na płótno czasoprzestrzeni. Ale tu znów, z analogicznych powodów co powyżej, musimy zostawić sobie margines omyłki. Nie badaliśmy nigdy większej ilości antymaterii a jedynie pojedyncze drobiny, których masa jest zdecydowanie zbyt mała aby móc zmierzyć wywoływane przezeń efekty grawitacyjne.

Czy jest zatem jakakolwiek poszlaka pozwalająca w ogóle rozważać scenariusz odległych antygalaktyk? Albo raczej, czy wiemy w ogóle czego szukać?

Łapanie antycząstek

W 2011 roku na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zainstalowany został Magnetyczny Spektometr Alfa. Ważący 7 ton moduł analizuje docierające w pobliże Ziemi promieniowanie kosmiczne. Celów takiego badania jest oczywiście wiele, lecz entuzjaści poszukiwań kosmicznych skupisk antymaterii łączą z nim wyjątkowe nadzieje.

Antymateria wpadająca w ziemską atmosferę
Promieniowanie wpadające w atmosferę.

Co konkretnie marzy im się znaleźć? Niestety nie chodzi o uchwycenie jakiejkolwiek antycząstki, bo to zrobiliśmy już dawno temu. Drobiny wpadające w powietrze z ogromną prędkością, zachowują się podobnie do tych rozpędzanych przez naukowców w akceleratorach. Nie szokują nas więc śladowe ilości pozytonów i antyprotonów, będących produktami zderzeń w górnych warstwach atmosfery. Tym, co mogłoby podekscytować uczonych, byłoby złowienie atomu lub przynajmniej jądra antyhelu. Mało prawdopodobne aby powstał on samorzutnie w atmosferze, toteż dawałaby to asumpt to snucia dalszych rozważań. Tak jak Słońce emituje znaczną ilość jąder helu (czyli cząstek alfa), tak wśród wyziewów hipotetycznych antygwiazd powinny znaleźć się jądra antyhelu (czyli antycząstek alfa). Gdybyśmy wyłapali strumień takiego antypromieniowania, dobiegającego z kierunku konkretnej galaktyki, zyskalibyśmy niebagatelną poszlakę. Jednakże, na chwilę obecną polowania pozostają bezowocne.

Może i to lepiej? Jak zapewne wiecie, anihilacja cząstki z antycząstką oznacza unicestwienie obu obiektów ze stuprocentową wydajnością. Cała masa ulega konwersji w czystą energię i neutrina, w zgodzie ze słynnym równaniem Einsteina. Niewielka bryłka antymaterii zawstydziłaby swoją mocą cały ziemski arsenał masowego rażenia.

Mówimy o zaledwie kilku, kilkunastu gramach tego materiału. Wyobraźcie sobie teraz anihilację ciał niebieskich: dwóch gwiazd, albo, o zgrozo, pary galaktyk. Pomyślcie o eksplozji, przy której wszelkie supernowe i rozbłyski gamma, wydają się zaledwie drobnymi tąpnięciami na bezkresnym nieboskłonie.

Literatura uzupełniająca:
S. Weinberg, Pierwsze trzy minuty. Współczesny obraz początku wszechświata, przeł. A. Blum, Warszawa 1980;
M. Kaku, Fizyka rzeczy niemożliwych. Naukowa wyprawa do świata fazerów, pól siłowych, teleportacji i podróży w czasie, przeł. B. Bieniok, Warszawa 2011;
K. Tate, How the Antimatter-Hunting Alpha Magnetic Spectrometer Works (Infographic), [online: www.space.com/11673-nasa-alpha-magnetic-spectrometer-antimatter-infographic-explainer.html];
R. Santilli, The mystery of detecting antimatter asteroids, stars and galaxies, [online: www.santilli-foundation.org/docs/antimatter-asteroids.pdf].
ASASSN-15lh – Ależ to był wybuch! Metodologiczny dekalog naukowca Szanuj swój statek kosmiczny