Fizyka dla każdego

Statek kosmiczny Enterprise z serialu Star trek wyposażony jest w napęd nadświetlny, który pozwala na osiąganie prędkości znacznie większych od prędkości światła. Silnik, według filmowców, generuje tzw. pole „warp”, czyli lokalne zakrzywienie czasoprzestrzeni, które umożliwia podróże między bardzo odległymi planetami w przeciągu zaledwie kilku sekund – podczas gdy światłu pokonanie tej samej odległości mogłoby zająć nawet setki lat. Takie zakrzywienie czasoprzestrzeni, według filmowców, wymaga ogromnej energii, która uzyskiwana jest dzięki kontrolowanej reakcji antymaterii z materią zachodzącej w rdzeniu napędu. 

Tyle science-fiction. Prawdziwą antymaterię produkujemy w laboratorium (ZDF w Toruniu), jest w środku naszej Galaktyki a ostatnio znalezioną ją również w piorunach.

Fikcyjny statek Enterprise należy do grona licznych wątków filmowych, w których wykorzystywane jest pojęcie antymaterii. 

Statek Enterprise w popularnym serialu science –fiction Star trek osiągał prędkości nadświetlne dzięki energii wyzwalanej podczas anihilacji materii z antymaterią.

Koncepcja antymaterii pochodzi od fizyka, laureata Nagrody Nobla, Brytyjczyka Paula Diraca (1902-1984), który przewidział teoretycznie jej istnienie już w 1928 roku [Proc. R. Soc. Lond. A 117 (1928)]. Jego hipoteza została zresztą szybko potwierdzona eksperymentalnie, gdyż zaledwie cztery lata później amerykański badacz Carl Anderson odkrył pozyton (anty-elektron) [Phys. Rev. 43, 491 (1932)] wykreowany w komorze mgłowej przez promieniowanie kosmiczne. Fizycy pod pojęciem antymaterii rozumieją cząstki elementarne, które są podobne do tych występujących w zwykłej materii, ale charakteryzujących się przeciwnym ładunkiem elektrycznym. Wspomniany pozyton wygląda dokładnie jak elektron (ma taką samą masę), ale posiada dodatni ładunek elektryczny.

Chociaż współcześnie anty-cząstki produkuje się rutynowo w laboratoriach naukowych, wydajność produkcji jest jednak wciąż zbyt mała, żeby uformować makroskopowe ilości antymaterii potrzebne do zasilania futurystycznych silników statku Enterprise. Do tej pory rekordowa ilość antyprotonów, ~ 10¹⁰ cząstek w ciągu godziny, produkowana była w niedziałającym już akceleratorze Tevatron w Fermilabie w USA [Jinst, 6 T08001 (2011)] – jednak przy takiej wydajności produkcyjnej potrzeba by co najmniej miliardów lat aby skumulować 1 gram antywodoru! Znikome ilości antymaterii we wszechświecie wynikają z jej tendencji do anihilacji ze zwykłą materią – spotkanie cząstki z jej anty-cząstką prowadzi bowiem do zamiany ich mas na energie kwantów promieniowania gamma (γ). Gdyby udało się jednocześnie anihilować gram antymaterii, wyzwolona podczas takiego procesu energia promieniowania γ byłaby porównywalną z tą, która jest „produkowana” podczas wybuchu bomby atomowej – zapewne ta wiedza nasunęła twórcom serialu Star trek pomysł na silnik z antymaterią do zasilania statku Enterprise.

Lekkie pozytony należą do najliczniejszych i najlepiej przebadanych cząstek antymaterii, których produkcja jest zdecydowanie najłatwiejsza. Pozytony znalazły nawet praktyczne zastosowanie we współczesnej medycynie, mianowicie w pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) służącej do detekcji komórek rakotwórczych. Wykorzystuje się je również w badaniach defektów materii tzw. metodami spektroskopii pozytonowej [J. All. Comp. 382, 244 (2004)]. 

W warunkach ziemskich pozytony produkowane są głównie za pomocą sztucznie wytworzonych izotopów radioaktywnych takich jak ²²Na, ⁵⁰Co, ⁶⁴Cu oraz ¹¹C, których niestabilne jądra rozpadają się w procesie β⁺, polegającym na spontanicznej zamianie jądrowego protonu na neutron, czemu towarzyszy emisja anty-elektronu. Alternatywnym źródłem pozytonów jest proces kreacji par pozyton – elektron, który jest realizowany w wielkich akceleratorach cząstek naładowanych. Pierwotna wiązka elektronów przyspieszona do bardzo wysokiej energii jest następnie gwałtownie hamowana w gęstym materiale. Procesowi temu towarzyszy emisja wysokoenergetycznych kwantów gamma (z niem. Bremsstrahlung), które to, jeżeli tylko znajdą się w pobliżu jąder atomowych, przy korzystnych warunkach ulegają rozpadowi na pary pozyton – elektron.

„Tradycyjne” metody produkcji pozytonów: (a) spontaniczna emisja pozytonu e⁺ i neutrina elektronowego ν_e przez jądra niestabilnych izotopów radioaktywnych (proces β⁺), (b) produkcja par elektron – pozyton indukowana przez oddziaływanie promieniowania γ z jądrem atomowym.

Następna strona

  Laboratorium spektroskopii pozytonowej UMK

Autor tekstu: dr Kamil Fedus