Antimaterija je jedno od najfascinantnijih otkrića u modernoj fizici i ima ključnu ulogu u teorijama o postanku svemira, omogućavajući nam istraživanje temeljnih pitanja o prirodi materije i energije.
Iako je antimaterija relativno rijetka pojava u našem svakodnevnom okruženju, danas je možemo proizvesti u laboratorijskim uslovima, što nam otvara nove mogućnosti za njeno istraživanje i tehnološke primjene.
Ali, šta je ustvari antimaterija i zašto postoji samo u tragovima?
Fizika elementarnih čestica i antimaterija
Početkom 1900-ih godina, nakon revolucionarnog rođenja kvantne mehanike, pojavilo se zadivljujuće područje proučavanja koje je dobilo široko priznanje – fizika elementarnih čestica.
U svojoj potrazi za otkrivanjem novih čestica, naučnici su sprovodili razne eksperimente.
Postavili su svoje kampove na vrhovima visokih planina kako bi “uhvatili” takve čestice dok se još nalaze u vazduhu, poput miona sa njihovim veoma kratkim životnim vijekom od samo 2,2 mikrosekunde.
Ovo strateško pozicioniranje na velikim visinama bilo je od ključne važnosti, jer su naučnici imali veću šansu da detektuju takve čestice, koje su nestajale prije nego što bi dodirnule tlo.
Eksperimenti u potrazi za novim česticama, često su se sastojali od ugrađivanja detektora u balone koji su se podizali visoko u atmosferu.
Kroz ove pionirske eksperimente, naučnici su mogli proučavati čestice i njihove osobine, što je značajno doprinijelo razvoju fizike elementarnih čestica.
Pozitron: Čestica kojom je dokazana antimaterija
1932. godine, Carl Anderson je, proučavajući kosmičko zračenje u Wilsonovoj komori, otkrio novu česticu koja je imale sve osobine elektrona, ali sa jednom bitnom razlikom.
Anderson je opazio da su tragovi koje su ostavljale te čestice ukazivali da imaju istu masu kao elektron, ali da su se njihovi tragovi u magnetnom polju savijali u suprotnom smjeru nego što su se savijali tragovi elektrona, što je ukazivalo da ove nove čestice imaju pozitivan električni naboj.
Kada bi se nalazile u izolaciji, ove čestice bi bile stabilne. Ali, u susretu sa elektronima te čestice bi trenutno stupale u reakciju anihilacije (poništenje obije čestice uz stvaranje dva fotona) uz oslobađanje energije gama-zračenja, koja je bila usklađena sa Einstenovom Specijalnom teorijom relativnosti (E = mc²).
Ta je čestica kasnije nazvana pozitron.
1933. godine, Patrick Maynard Stuart Blackett je uspio vještački generisati pozitrone, obasjavajući metalnu ploču gama-zračenjem velike energije.
U sudaru γ-kvanta i materije, nastao bi par elektron-pozitron. To je bio prvi jasni primjer pretvaranja energije u materiju.
Diracova jednačina
Postojanje pozitrona, a time i antimaterije, je već prije teoretski predvidio britanski teoretski fizičar Paul Dirac 1928. godine.
Diracova jednačina [ (∂ + m) ψ = 0 ] koja opisuje ponašanje elektrona uzimajući u obzir principe kvantne mehanike i specijalne teorije relativnosti, predvidjela je da za svaku česticu postoji odgovarajuća antičestica.
Kasnije otkriće pozitrona je pružilo snažnu eksperimentalnu potvrdu teorijskih predviđanja ovog naučnika.
Nakon otkrića pozitrona, istraživači su nastavili tražiti i druge antičestice, što je dovelo do daljnjih otkrića u oblasti fizike čestica.
Danas znamo da svaka čestica u Standardnom modelu ima svoju odgovarajuću antičesticu, što čini temelj za istraživanja u području visokoenergetske fizike i razumijevanja osnovnih sila u prirodi.
Pa gdje je onda antimaterija?
Prema trenutnim teorijama i opažanjima kada god nastane materija, stvara se i jednaka količina antimaterije. Već znamo da kada se antimaterija i materija susretnu, one se poništavaju u ogromnom naletu energije.
Dakle, za vrijeme Velikog praska, trebala je nastati jednaka količina materije i antimaterije, koje su se trebale međusobno poništiti, ostavljajući samo prazninu.
Drugim riječima, svemir koji poznajemo danas ne bi trebao uopšte postojati.
Ali, to očigledno nije bio slučaj, jer sve što vidimo, od najmanjih zrna prašine pa do najvećih zvijezda, je sačinjeno od materije.
Pa gdje je onda nestala antimaterija i zašto je prevladala materija?
Teorije o asimetriji materije i antimaterije
Ovaj problem je nazvan bariogeneza, što je fizički proces u ranom svemiru koji je uzrokovao neravnotežu između materije i antimaterije.
Prije 13,8 milijardi godina, kada je rođen svemir, nastala je jednaka količina materije i antimaterije. Ali, u prvim sekundama nakon velikog praska, gotovo sva antimaterija u svemiru je anihilirana (poništena).
Dakle, dogodilo se nešto što je ili preferirano stvorilo materiju, ili preferirano uništilo antimateriju.
Šta je mogao biti uzrok ovome?
Jedna od najintrigantnijih ideja, koja pokušava riješiti ovaj problem, dolazi iz nečega što je istakao Richard Feynman.
On je rekao da je antimaterija matematički ekvivalentna običnoj materiji, ali da se kreće unatrag kroz vrijeme.
Tako su neki kosmolozi predložili da se možda u momentu Velikog praska antimaterija počela kretati unazad kroz vrijeme i nikada se nije susrela sa materijom.
Suština ove ideje je da, ako biste vratili kosmički sat unazad, sve do trenutka Velikog praska i nastavili sa vraćanjem vremena, šta biste vidjeli?
Možda je svemir “eksplodirao” u dva suprotna vremenska smjera. U našem svemiru, strelica vremena je favorizirala materiju, a u drugom, suprotna strelica vremena je favorizirala antimateriju.
Naravno, veliki problem sa ovom hipotezom je taj da kada god stvorimo antimateriju u laboratoriji, čini se da se kreće unaprijed u vremenu, a ne unazad.
Ipak, ovo je i dalje fascinantna mogućnost, čak i ako je fikcija.
Prema još jednoj teoriji, antimaterija i materija su se odvojile prebrzo da bi se međusobno poništile. Tako da možda u udaljenim dijelovima svemira postoje galaksije i zvjezdani sistemi, sačinjeni od antimaterije.
Ali, ako bi to bio slučaj, očekivali bismo da ćemo opaziti neke ogromne vatromete u obliku visokoenergetskih gama zraka iz graničnih područja gdje se susreću objekti sačinjeni od antimaterije i materije.
Takvi visokoenergetski signali još nisu uočeni.
Gravitacijski valovi i antimaterija
Jedan od obećavajućih načina, na koji se naučnici nadaju da će otkriti šta se dogodilo neposredno poslije Velikog praska, a samim time šta se desilo sa antimaterijom, je proučavanje gravitacijske valne pozadine.
Gravitacijski valovi su fluktuacije u zakrivljenosti prostor-vremena koje nastaju uslijed kretanja masivnih objekata, poput spajanja crnih rupa ili neutronskih zvijezda.
Ovi valovi su otkriveni 2015. godine prilikom eksperimenata od strane LIGO-a (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, što je izazvalo naučnu revoluciju i otvorilo potpuno novo područje astronomije.
Gravitacijski valovi koje trenutno možemo detektovati potiču iz relativno “nedavnih” kosmičkih događaja, kao što su sudari crnih rupa koje su se desili prije nekoliko milijardi godina.
Međutim, gravitacijska valna pozadina bi sadržavala informacije iz mnogo ranijih faza svemira, možda čak i iz prvih trenutaka nakon Velikog praska.
Ali, naši instrumenti trenutno nisu dovoljno osjetljivi da bi detektovali ove gravitacijske valove.
Ipak, fizičari se nadaju da će budući, napredniji detektori otkriti ovu, jednu od najčuvanijih tajni svemira i dati nam odgovor na pitanje: Gdje je nestala antimaterija?
Foto naslovnice: vwalakte sa Freepik
