Antimateria

v(A520 în raze X, optic și o distribuție masică dedusă pe baza lentilei gravitaționale slabe observate.)

În fizica modernă, antimateria este definită ca un material compus din antiparticule (sau „parteneri”) față de particulele corespunzătoare ale materiei obișnuite.

Teoretic, o particulă și antiparticula sa (de exemplu protonul și antiprotonul) au aceeași masă, dar sarcina electrică opusă și alte diferențe în numerele cuantice. De exemplu, un proton are o sarcină pozitivă în timp ce un antiproton are o sarcină negativă. Este cunoscut faptul că o coliziune între orice particulă și partenerul său antiparticula duce la anihilarea reciprocă, dând naștere la diferite proporții de fotoni intenși (raze gama), neutrini și, uneori, perechi de particule-antiparticule mai puțin masive.

Anihilarea are ca rezultat, de obicei, eliberarea de energie care devine disponibilă pentru căldură sau pentru lucru mecanic. Cantitatea de energie eliberată este, în mod obișnuit, proporțională cu masa totală a materiei în coliziune și a antimateriei, în concordanță cu ecuația de echivalență masă-energie, E = mc².

Particulele antimaterie se unesc pentru a forma antimaterie, la fel cum particulele obișnuite se unesc pentru a forma materie normală. De exemplu, un pozitron (antiparticula electronului) și un antiproton (antiparticula protonului) pot forma un atom de antihidrogen. Principiile fizice indică faptul că sunt posibile nuclee atomice complexe de antimaterie, precum și anti-atomi care corespund elementelor chimice cunoscute.

Există speculații considerabile despre faptul că universul observabil este compus aproape în întregime din materia obișnuită, spre deosebire de un amestec egal de materie și antimaterie. Această asimetrie a materiei și a antimateriei în universul vizibil este una dintre marile probleme nerezolvate în fizică. Procesul prin care această inegalitate între materie și particulele de antimaterie se dezvoltă se numește bariogeneză.

Antimateria sub formă de anti-atomi este unul dintre cele mai dificile materiale care se pot produce. Particulele individuale de antimaterie sunt totuși produse în mod obișnuit de către acceleratoarele de particule și în unele tipuri de dezintegrare radioactivă. Nucleul antiheliului a fost produs artificial cu dificultate. Acestea sunt cele mai complexe anti-nuclee observate până acum.

Un video care arată modul în care oamenii de știință au folosit detectorul de raze gama cu radiofrecvență Gamma-Gamma pentru a descoperi spargerea antimateriei de furtună:

Definiție formală

Formal, particulele de antimaterie pot fi definite prin numărul lor barionic negativ sau numărul de lepton, în timp ce particulele de substanță „normală” (non-antimaterie) au un număr pozitiv de barion sau lepton. Aceste două clase de particule sunt partenerii antiparticule unul cu celălalt.

Istoria conceptului

Ideea de materie negativă apare în teoriile trecute ale materiei care au fost abandonate acum. Folosindu-se în trecut teoria vortex populară a gravitației, posibilitatea materiei cu gravitație negativă a fost discutată de William Hicks în anii 1880. Între anii 1880 și 1890, Karl Pearson a propus existența fluxurilor subțiri și curgerilor fluxului de eter. Fluxurile subțiri reprezentau materie normală, iar  teoria lui Pearson impunea o a patra dimensiune pentru ca eterul să curgă în ambele sensuri.

Termenul de antimaterie a fost folosit pentru prima oară de Arthur Schuster în două scrisori destul de fanteziste pentru Natura în 1898, în care a inventat termenul. El a emis ipoteza antiatomilor, precum și a sistemelor solare antimaterie întregi, și a discutat posibilitatea ca materia și antimateria să se anihileze reciproc. Ideile lui Schuster nu erau o propunere teoretică serioasă, ci doar speculații și, ca și ideile anterioare, se deosebeau de conceptul modern de antimaterie prin faptul că avea o gravitație negativă.

Teoria modernă a antimateriei a început în 1928, cu o lucrare a lui Paul Dirac. Dirac a realizat că versiunea relativistă a ecuației undelor Schrödinger pentru electroni a prezis posibilitatea unor antielectroni. Aceștia au fost descoperiți de Carl D. Anderson în 1932 și au fost numiți pozitroni (un portmanteau pentru „electron pozitiv”). Deși Dirac nu a folosit el însuși termenul de „antimaterie”, utilizarea sa este suficient de naturală de la antielectroni, antiprotoni etc. Un tabel complet periodic al antimateriei a fost avută în vedere de Charles Janet în 1929.

Interpretarea Feynman-Stueckelberg afirmă că antimateria și antiparticulele sunt particule obișnuite care călătoresc înapoi în timp.

Notaţie

O modalitate de a denota o antiparticlă este prin adăugarea unei bare peste simbolul particulei. De exemplu, protonul și antiprotonul sunt denominate ca p și p, respectiv. Aceeași regulă se aplică și în cazul în care se adresează o particulă prin componentele sale constitutive. Un proton este alcătuit din quarcuri uud, deci un antiproton trebuie să fie format din anticuarci uud. O altă convenție este de a distinge particulele de sarcina lor electrică. Astfel, electronul și pozitronul sunt desemnate pur și simplu ca e^– și e⁺ respectiv. Cu toate acestea, pentru a preveni confuzia, cele două convenții nu sunt niciodată amestecate.

Proprietăți

Există motive teoretice convingătoare că, în afară de faptul că antiparticulele au semne diferite cu privire la toate sarcinile (cum ar fi sarcina electrică și rotația), materia și antimateria au exact aceleași proprietăți. Aceasta înseamnă că o particulă și antiparticulele corespunzătoare trebuie să aibă mase și durate de viață (dacă sunt instabile) identice. De asemenea, implică faptul că, de exemplu, o stea formată din antimaterie (o „antistea”) va străluci ca o stea obișnuită. Această idee a fost testată experimental în 2016 prin experimentul ALPHA, care a măsurat tranziția dintre cele două stări energetice cele mai scăzute ale antihidrogenului. Rezultatele, care sunt identice cu cele ale hidrogenului, au confirmat validitatea mecanicii cuantice a antimateriei.

Origine și asimetrie

Aproape orice materie observabilă de pe Pământ pare a fi făcută mai degrabă din materie decât din antimaterie. Dacă ar exista regiuni de spațiu dominate de antimaterie, radiațiile gamma produse în reacțiile de anihilare de-a lungul limitei dintre regiunea materiei și antimateria ar fi detectabile.

Antiparticulele sunt create peste tot în univers, unde au loc coliziuni de particule cu energie înaltă. Razele cosmice de înaltă energie care afectează atmosfera Pământului (sau orice altă materie din Sistemul Solar) produc cantități mici de antiparticule în jeturile de particule rezultate, care sunt imediat anihilate prin contactul cu materiile din apropiere. Acestea pot fi produse în mod similar în regiuni precum centrul Căii Laptelui și alte galaxii, unde apar evenimente energetice foarte celeste (în principal interacțiunea jeturilor relativiste cu mediul interstelar). Prezența antimateriei rezultate este detectabilă de cele două raze gama produse de fiecare dată când pozitronii se anihilează cu materia din apropiere. Frecvența și lungimea de undă a razelor gama indică faptul că fiecare transportă 511 keV de energie (adică masa de repaus a unui electron înmulțită cu c²).

Observațiile constatate de satelitul INTEGRAL al Agenției Spațiale Europene ar putea explica originea unui nor gigantic de antimaterie care înconjoară centrul galactic. Observațiile arată că norul este asimetric și se potrivește cu modelul binarelor cu raze X (sisteme binare din găuri negre sau stele neutronice), mai ales pe o parte a centrului galactic. În timp ce mecanismul nu este pe deplin înțeles, este probabil să se implice producerea de perechi de electroni-positroni, deoarece materia obișnuită câștigă energia cinetică în timp ce se încadrează într-o rămășiță stelară.

Antimateria poate exista în cantități relativ mari în galaxiile îndepărtate din cauza inflației cosmice în timpul primordial al universului. Galaxiile din antimaterie, dacă există, ar trebui să aibă aceleași spectre chimice, de absorbție și emisie ca și galaxiile cu materie normală, iar corpurile lor astronomice ar fi identice din punct de vedere observațional, făcându-le dificil de distins. NASA încearcă să stabilească dacă există astfel de galaxii prin căutarea de semnale de raze X și de raze gama ale evenimentelor de anihilare în superclustere care se ciocnesc.

În octombrie 2017, oamenii de știință care lucrează la experimentul BASE de la CERN au raportat o măsurare a momentului magnetic antiproton la o precizie de 1,5 părți per miliard. Este în concordanță cu măsurarea cea mai precisă a momentului magnetic al protonului (realizat și de BASE în 2014), care susține ipoteza simetriei CPT. Această măsurătoare reprezintă prima dată când o proprietate a antimateriei este cunoscută mai precis decât proprietatea echivalentă în materie.