Popularnonaukowe

Antymateria wokół nas, czyli ile pozytonów chowasz w domu?

Czy antymateria jest czymś egzotycznym i rzadko spotykanym? Co do zasady, tak. Jednak pojedyncze antycząstki występują naturalnie niemal wszędzie. Od czasu do czasu emitujemy je nawet my sami.

byAdam Adamczyk

21/10/2023

4 minute read

13 komentarzy

Jakiś miesiąc temu CERN opublikował nowe wyniki eksperymentu ALPHA, mającego sprawdzić, czy ziemska siła ciążenia nadaje atomom antywodoru identyczne przyśpieszenie, co atomom “normalnego” wodoru. Obyło się bez niespodzianek: wszystkie dotychczasowe pomiary wskazują, że antymateria nie oddziałuje antygrawitacyjnie, reagując na obecność masy dokładnie tak samo, jak każdy inny obiekt. Wbrew portalowym nagłówkom nie było to wcale nowe odkrycie, lecz jedynie doprecyzowanie podobnych pomiarów sprzed lat – ale i tak trzeba przyznać, że samo “ważenie” antymaterii zawsze pobudza na wyobraźnię.

W każdym razie, chwilowy wzrost zainteresowania antymaterią bardzo wyraźnie uwydatnił, jak mylne bywają wyobrażenia na jej temat. Niespecjalnie zaskoczyły mnie komentarze niedowiarków wątpiących, że gdzieś w CERN-ie naukowcy są w stanie wytwarzać antymaterię (nie mówiąc o całych antyatomach) albo, że antymateria w ogóle istnieje. To internetowy standard. Bardziej niespodziewane były dla mnie głosy ludzi przekonanych, że antymateria jest od dawna produkowana hurtowo; a nawet zmartwionych, że nieodpowiedzialne zabawy fizyków mogą niebawem doprowadzić do anihilacji naszej planety.

Sprawdźmy więc, czy ten antydiabeł rzeczywiście jest taki straszny.

Eksperyment ALFA — Główna hala eksperymentu ALFA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), w ramach którego fizycy z CERN-u wytwarzają i badają antyprotony.

Mogę zapewnić, że w momencie, kiedy piszę ten tekst, nigdzie na świecie nie istnieje taśma produkcyjna, z której schodzą cegły czy choćby kapsułki z antymaterią. Wytwarzanie i przetrzymywanie nawet nie śladowych, a mikroskopijnych ilości antymaterii to wciąż poważne przedsięwzięcie, wymagające działania olbrzymich, energochłonnych i niewyobrażalnie kosztownych akceleratorów.

Największe ośrodki tego rodzaju – kiedyś amerykański Fermilab, obecnie niemiecki DESY i rzecz jasna CERN^[1]W tym oddana do użytku w 2016 roku ELENA (Extra Low Energy Antiproton ring), dedykowana głównie produkcji antyprotonów. – w ciągu zwykłego dnia pracy byłyby w stanie dostarczyć kilkaset miliardów, może bilion antyprotonów. Brzmi jak zawrotna liczba, tyle że mówimy o sztukach nawet nie atomów, a cząstek elementarnych, gdzie masa jednej zahacza o kwadrylionowe części grama (10⁻²⁴ g). W tym tempie zapełnienie choćby maleńkiej próbówki, trwałoby wielokrotnie dłużej niż liczy sobie obecny wszechświat. (I to pod warunkiem nieprzerwanej pracy akceleratora oraz znalezienia próbówki, której nie grozi anihilacja).

Według różnych szacunków, gdyby zebrać wszystkie pozytony i antyprotony wytworzone dotąd w światowych laboratoriach, otrzymalibyśmy około 20 nanogramów, co z trudem wystarczyłoby do zagotowania litra wody. To nie najlepsza wiadomość dla US Air Force, która już w latach 90. rozważała fantastyczne scenariusze zastąpienia antymaterią niewydajnych paliw rakietowych. Z drugiej strony, przynajmniej nie musimy się martwić, że jakiś wariat wykradnie próbkę antymaterii, wykorzystując ją do sterroryzowania świata – a wystarczyłby niecały gram, żeby zrekonstruować wydarzenia z Hiroszimy.

Wszystkie te trudności nie zmieniają faktu, o którym wspomniałem na samym początku: antycząstki są wszędzie dookoła. Pojedyncze, znikające niemal bez śladu, anihilujące po cichu, zupełnie niezauważalne dla naszych zmysłów – ale jak najbardziej istnieją. Bez przerwy odwiedzają nasze mieszkania, samochody, lodówki, a nawet ciała.

Głównym producentem domowej antymaterii jest potas. Dokładniej izotop K-40 – substancja naturalna, powszechna i… odrobinę promieniotwórcza. Możecie ją kojarzyć z bardzo popularną ciekawostką o radioaktywnych bananach. W istocie, spożycie jednego 150-gramowego banana wiąże się z wchłonięciem dawki promieniowania na poziomie około dziesiątej części mikrosiwerta. Bez obaw, jest to zbyt drobna radiacja abyś musiał zmieniać dietę; niemniej zdradza nam ona, że w owocu zachodzą bardzo interesujące procesy.

Tym co dzieje się w bananie, jest przemiana atomów K-40 w atomy wapnia Ca-40 lub rzadziej w atomy argonu Ar-40. W pierwszym przypadku jeden z neutronów w jądrze transformuje w proton (rozpad beta minus), czemu towarzyszy uwolnienie elektronu i antyneutrina. Do drugiego przypadku dochodzi, kiedy to któryś proton zmienia się w neutron, co zwykle skutkuje emisją promienia gamma, a czasem – raz na sto tysięcy razy – kończy się wyrzutem neutrina oraz pozytonu (rozpad beta plus). (Od strony fizycznej K-40 to w ogóle interesujący przypadek. Jego struktura jądra sprawia, że pozostaje mniej stabilny zarówno od lżejszego argonu, jak i od cięższego wapnia – mogąc konwertować w obu kierunkach).

Jak widzimy w obu przypadkach rozpadający się potas ma szansę sypnąć antycząstkami. Zwykle będą to mało ciekawe antyneutrina elektronowe, a od czasu do czasu pozytony, czyli dodatnio naładowani bliźniacy elektronów. Nie robią nam one krzywdy, ponieważ w takiej liczbie błyskawicznie anihilują z napotkanymi elektronami, często jeszcze przed opuszczeniem obiektu.

I bynajmniej nie dotyczy to tylko bananów. Mniej więcej co dziesięciotysięczny atom potasu na Ziemi to K-40. Oznacza to, że jeśli w organizmie przeciętnej dorosłej osoby znajduje się około 140 gramów potasu, to powinien on zawierać również 0,014 grama radioizotopu. Ilość marginalna, ale wystarczająca, aby gdzieś w naszym organizmie, w każdej godzinie dochodziło do ponad 14,5 miliona przemian beta. Statystycznie 1,5 miliona z nich to rozpady beta plus, spośród których mniej więcej co stutysięczny kończy się emisją pozytonu. To daje średnio jeden pozyton na 4 minuty.

Podsumowując, właśnie dowiedziałeś się, że jesteś chodzącą fabryką antymaterii. Co prawda niezbyt wydajną, ale jednak.