Vi lever i ett universum där det finns mycket materia och i stort sett finns det inget antimatter alls. Två av våra läsare vill veta vad antimateria är, och en fysiker ger dem ett svar på denna fråga.
Antimateria. Från detta ord andas fascinerande böcker och filmer där skurkar får sprängämnen från antimateria eller rymdskepp reser på sådant bränsle.
Men vad är detta ämne - vad är i huvudsak antimateria?
Läsarna av Wiedenskub vill veta detta mycket. De har läst några av de många artiklarna vi har publicerat om fysikernas experiment med antimateria, men de skulle gärna vilja veta mer.
Först måste vi klargöra att fysikernas antimateria inte bör förväxlas med de antikroppar som är kända för oss från biologi och medicin. Där är antikroppar (även kallad immunglobuliner) speciella proteinföreningar som är en del av kroppens försvar mot sjukdomar. De kan binda till främmande molekyler och därmed skydda kroppen från mikroorganismer och virus.
Men här kommer vi inte att prata om dem. Vi kontaktade en forskare från fysikens värld: Nikolaj Zinner, lärare vid institutionen för fysik och astronomi vid Aarhus universitet, berättar gärna om antimateria.
Ämne med motsatt laddning
Kampanjvideo:
”Alla de partiklar som, som vi vet, är i naturen, allt som vår värld består av, finns i varianter med motsatt laddning. Det här är antimateria, säger Nikolai Sinner.
”Antimatter ser exakt samma ut och har samma massa som vanlig materia, men den har exakt motsatt laddning. Till exempel har positivt laddade positroner negativt laddade elektroner. Positroner är elektronpartiklar."
Så det finns inget som är grundläggande ovanligt med antimateria. Det är bara ett ämne med en motsatt laddning i förhållande till ämnet i miljön som vi vanligtvis finns i. Men varför det är så lite av det är bara ett mysterium, och vi kommer tillbaka till det senare.
”I vardagen stöter vi inte på antimateria, men det förekommer i många situationer, till exempel under radioaktivt förfall, under påverkan av kosmisk strålning och i acceleratorer. Det försvinner bara mycket snabbt igen. När en positron möter en elektron är resultatet ren energi i form av två högenergi ljuspartiklar - kvanta.
Försvinner i en blixt av ljus
”Här är en elektron och en positron, de har motsatta laddningar, så de lockar. De kan komma mycket nära varandra, och när detta händer smälter de samman och bildar två fotoner. Detta är en konsekvens av naturlagarna, säger Nikolai Sinner. "Massan av två partiklar omvandlas till energi i form av två partiklar - kvanta av gammastrålning."
”Om du hade mycket antimateria, och du tillät det att komma i kontakt med vanligt ämne, skulle du orsaka en mycket kraftfull reaktion. Och vice versa: energi kan omvandlas till materia och antimateria, och detta händer i partikelacceleratorer."
Används i medicinska skannrar
Det är detta fenomen, när mötet mellan materia och antimateria leder till att de försvinner och frigör energi, är förmodligen det första som fascinerar författarna till science fiction.
Antimatter spelar till exempel en viktig roll i Dan Browns änglar och demoner, och i Star Trek kör interstellära fartyg på antimateria.
Men i den verkliga världen har antimateria en mer fredlig tillämpning.
Antimaterialet i form av positroner från förfall av radioaktiva material används på sjukhus i PET-skannrar (positron emission tomography), som kan ta bilder av inre organ och upptäcka ohälsosamma processer i dem.
”Så antimateria är inte så mystiskt. Detta är en del av naturen som vi tycker om att använda, säger Nikolai Sinner.
Vi utsätter oss också för antimateria genom att äta bananer. De innehåller kalium, som är något radioaktivt och släpper positroner när det sönderfaller. Ungefär var 75: e minut avger en banan en positron, som snabbt kolliderar med en elektron, och de förvandlas till två gammafotoner.
Men allt detta är absolut inte farligt. För att få en dos strålning som motsvarar vad vi får när vi tar en röntgenstråle måste vi konsumera flera hundra bananer.
Det förutsågs redan före upptäckten
Du kan bättre förstå vad antimateria är om du tittar på historien om dess upptäckt. Intressant nog förutsades förekomsten av antimateria redan innan det upptäcktes.
På 1920-talet visade det sig att en ny teori som kallas kvantmekanik var perfekt för att beskriva de minsta partiklarna av materia - atomer och elementära partiklar. Men det var inte så lätt att kombinera kvantmekanik med 1900-talets andra stora teori, relativitetsteorin.
Den unga brittiska fysikern Paul Dirac rusade för att lösa detta problem och lyckades härleda en ekvation som kombinerar kvantmekanik med speciell relativitet.
Med hjälp av denna ekvation blev det möjligt att beskriva rörelsen hos en elektron, även om dess hastighet närmade sig ljusets hastighet.
Men ekvationen förberedde en överraskning. Han hade två lösningar, precis som ekvationen "x² = 4": x = 2 och x = -2 ". Det vill säga, det kan beskriva inte bara den välkända elektron, utan också en annan partikel - en elektron med negativ energi.
Upptäcktes i Wilsons cell
Då visste de ingenting om partiklar med negativ energi, och Paul Dirac tolkade sin upptäckt på följande sätt: det kan finnas en partikel som är exakt densamma som en elektron, med undantag för motsatt laddning.
Om elektronen har en negativ laddning måste det finnas en motsvarande partikel med en positiv laddning. Enligt beräkningar bör samma regel gälla för alla elementära partiklar, det vill säga i allmänhet alla partiklar som utgör världen.
Och så började jakten på anti-elektron. Den amerikanska fysikern Carl Anderson använde en dimkamera (alias Wilsons kamera) för att upptäcka spår av partiklar från rymden som har samma massa som en elektron, men med motsatt laddning.
Så här upptäcktes Diracs antielektron, som fick namnet positron - kort för "positiv elektron". Från det ögonblicket, steg för steg, upptäcktes nya antipartiklar.
Universum var ren energi i början
Dirac föreslog att avlägsna stjärnor - kanske hälften av allt vi ser på himlen - kan bestå av antimateria, oavsett roll. Detta följer till exempel från hans tal, som han höll när han accepterade Nobelpriset i fysik 1933.
Men idag vet vi att allt i universum endast består av materia och inte av antimateria. Och detta är verkligen mystiskt, för i början av universums existens borde det ha varit ungefär samma mängd av båda, förklarar Nikolai Sinner.
”Om vi börjar spola tillbaka universums utveckling kommer energin att bli mer och mer. Densiteten kommer att öka, temperaturen kommer att stiga. Slutligen kommer allt att bli ren energi - energibärande eller tvinga partiklar som fotoner. Detta var början på universumet, enligt våra vanligaste kosmologiska teorier."
”Och om vi åter går framåt från denna referenspunkt, då kommer energin någon gång att börja omvandla till materia. Det är perfekt möjligt att skapa materie från ren energi, men i detta fall får du lika mycket antimateria som materien. Det är problemet - du kan förvänta dig samma mängd av båda."
”Det måste finnas någon naturlag som är ansvarig för det faktum att det i dag finns mer materia än antimateria. Och ingenting mer kan sägas om denna obalans. Och så denna asymmetri kunde förklaras."
Neutrinos hjälper till att lösa gåten
Den stora frågan är var man i naturlagarna ska leta efter orsaken till materiens seger över antimatter. Fysiker försöker ta reda på detta genom experiment.
På CERN Research Center i Schweiz produceras och fångas antimateria i magnetfält, och genom en serie experiment med antihydrogen försöker fysiker att hitta ett svar på frågan om materia och antimateria är exakta spegelbilder av varandra.
Kanske finns det fortfarande en liten skillnad mellan dem, med undantag för avgift, och denna skillnad kommer att hjälpa till att förklara varför det finns så mycket materia i universum relativt antimateria.
Lyckades skapa antihelium
Eftersom antimateria är mycket sällsynt och försvinner snabbt när den stöter på ett ämne finns det inga molekyler av antimateria i naturen, och bara dess minsta molekyler kan skapas.
2011 lyckades amerikanska forskare skapa antihelium. Det fanns inga större atomer.
Vi i Wiedenskab skrev mycket om dessa experiment, som hittills visar att antimateria uppträder på exakt samma sätt som materien, som till exempel beskrivs i artikeln "Aarhus Scientist Carried Out the Most Precision Antihydrogen Mätings in History". Och kanske att lösa denna gåta hjälper oss att hitta elementära partiklar som kallas neutrino. Vi skrev om detta i artikeln "Isexperiment kommer att avslöja materiens hemlighet."
”Vi kan hoppas att vi hittar svaret i neutrinoen, för vi vet redan att det beter sig konstigt. Det finns många luckor i fysiken här, så det vore klokt att börja gräva här, säger Nikolai Sinner.
Antimatter själv är inte så mystiskt, men fysiker har ännu inte räknat ut varför det finns så mycket mer materia än antimateria i universum idag. De arbetar med den här frågan.
Henrik Bendix