Tuesday, October 30, 2007

Antimateria

Antimateria este o substanţă compusă din particule elementare care au masa şi sarcina identice în modul cu ale protonilor, electronilor şi neutronilor, având însă sarcina electrică de semn opus. Particulele de antimaterie se numesc pozitroni (e+), antiprotoni (p-) şi antineutroni (n-) - sau, colectiv, antiparticule. Materia şi antimateria nu pot exista simultan la distanţe mici, pentru că se anihilează reciproc eliberând cantităţi enorme de energie.
Ideea de antimaterie a luat naştere ca urmare a studiilor legate de dualismul sarcinilor electrice. Teoriile lui P.A.M. Dirac legate de stările energetice ale electronilor au condus la prezicerea şi, în final, producerea în laborator a pozitronului, în esenţă un electron încărcat pozitiv. Această particulă are o viaţă extrem de scurtă, el fiind atras electrostatic de un electron în afara cazului în care se mişcă extrem de rapid. O astfel de coliziune are ca rezultat dispariţia lor simultană şi eliberarea unei energii imense, ca urmare a convertirii complete a masei lor în energie, conform ecuaţiei de echivalenţă energie-masă a lui Einstein, E=mc2. Reacţia se numeşte anihilare şi produce energie sub formă de cuante de radiaţie electromagnetică de înaltă energie sau raze gamma. Reacţia inversă, γ à e+ + e- poate fi la rândul ei reprodusă sub condiţii adecvate, fiind numită crearea electron-pozitron.
Proprietăţile electrice ale antimateriei sunt opuse materiei obişnuite: antiprotonul are sarcină negativă iar antineutronul, deşi e neutru, are un moment magnetic de semn opus neutronului.
Teoria despre electroni şi pozitroni a lui Dirac afirmă că aceste particule vor fi atrase ca urmare a atracţiei Coulombiene şi vor forma un atom, în acelaşi mod în care electronul şi protonul formează un atom de hidrogen. Sistemul rezultant poartă numele de pozitroniu; s-a observat chiar anihilarea lui în raze gamma. Durata de viaţă aparţine domeniului de 10-7-10-10 secunde.
Atât protonii cât şi neutronii sunt descrişi de ecuaţiile lui Dirac. Antiprotonii pot fi obţinuţi prin bombardarea protonilor cu protoni - dacă protonul incident are o energie de cel puţin 5.6 GeV, apar particule cu masă protonică (conform ecuaţiei lui Einstein).
În momentul descoperirii antiprotonului, ştiinţa era implicată în catalogarea noilor particule subatomice. Şi acestea şi-au primit antiparticulele corespunzătoare: anti-miuoni, anti-pioni (sau anti-mezoni-π), anti k-mezoni, plus anti-barionii. Majoritatea acestor particule nu au durata de viaţă suficientă pentru a se combina cu electronii. O excepţie face anti-miuonul care formează un atom de miuoniu cu un electron.
Anul 1995 marchează crearea primului antiatom, la laboratoarele CERN, în acest caz antihidrogenul, cel mai simplu antiatom, format dintr-un pozitron care orbitează un antineutron. Acest lucru s-a făcut prin trimiterea de antiprotoni printr-un jet de xenon, creând electroni şi pozitroni prin ciocniri, ultimii din urmă combinându-se cu antiprotonii. Fiecare atom a supravieţuit circa 40 de miliardimi de secundă până la anihilare.
Antimateria este cercetată în legătură cu importanţa ei cosmologică; existenţa ei este crucială pentru înţelegerea originii Universului. În mod clar, nici o stea n-ar putea conţine antimaterie, altfel ar exploda mai violent decât o supernovă. La fel pentru gazul interste lar. Aceasta pentru că anihilarea proton-antiproton produce pioni neutri care se descompun în raze gamma, care însă nu au fost detectate. Deci s-ar putea enunţa că materia şi antimateria sunt separate la nivel galactic. Cu toate acestea, crearea de perechi barion-antibarion este localizată la distanţe de 10-13 centimetri. Nici o teorie modernă nu poate explica separarea dintre materie şi antimaterie, dacă au fost create simultan.
Cu toate acestea, nu se poate exclude prezenţa antimateriei în Univers. Unele surse cosmice de radiaţie intensă ar putea fi surse de reacţie materie-antimaterie. Şi totuşi, poate fi demonstrat faptul că, relativ, cantitatea totală de antimaterie este mai mică de 1 la 107.
La scurt timp după descoperirea antiprotonului s-a pus întrebarea dacă antimateria va suferi aceleaşi efecte gravitaţionale ca şi materia obişnuită, sau dacă va suferi o formă de respingere. Întrebarea era importantă pentru că repulsia gravitaţională nu era în concordanţă cu teoria relativităţii generalizate. Experimente cu mezoni au arătat că totuşi, interacţiunea gravitaţională materie-antimaterie este identică cu cea materie-materie.
Importanţa materiei mai poate fi şi energetică. În reacţia de anihilare, masa particulelor este convertită integral în energie. Celebra formulă a lui Einstein demonstrează cum cantităţi infime de materie pot elibera energii enorme. În reacţiile nucleare de fuziune şi fisiune, o foarte mică fracţiune de masă a atomilor reactanţi este transformată în energie – şi cu toate acestea energiile sunt uriaşe. Convertirea integrală a masei în energie este însă sursa celei mai mari energii din cosmos. S-a calculat că 37mg antimaterie sunt suficiente pentru a plasa o navă cosmică pe orbită. O astfel de energie ar furniza soluţia ideală la problemele energetice mondiale, dacă s-ar depăşi pragul tehnologic al manipulării neriscante şi eficiente a antimateriei.