Fizyka dla każdego

Do tej pory wydawało się, że w naturalnych warunkach ziemskich nie występują źródła pozytonów lub w ogóle antymaterii. Wyniki najnowszych badań opublikowanych w Nature [Enoto et al. 551, 481 (2017)] przez naukowców z Japonii pokazują, że produkcja pozytonów może jednak wystąpić na Ziemi bez ingerencji człowieka lub promieniowania kosmicznego i w dodatku proces ten zachodzi podczas dobrze nam znanych wyładowań atmosferycznych. Chmury burzowe i towarzyszące im pioruny są naturalnymi „przyspieszaczami” cząstek naładowanych. Lawiny wysoko-energetycznych elektronów przyspieszane przez ogromne różnice potencjałów elektrycznych pomiędzy chmurą i ziemią, emitują promieniowanie gamma podczas hamowania cząstek w zderzeniach z molekułami powietrza. Energie emitowanych kwantów gamma są na tyle  duże, że mogą inicjować reakcje jądrowe. W szczególności mogą prowadzić do produkcji niestabilnych izotopów azotu ¹³N oraz tlenu ¹⁵O:

γ + ¹⁴N à ¹³N + n,

γ + ¹⁶O à ¹⁵O + n,

gdzie γ oznacza kwant gamma, natomiast n to neutron. Jak widać z zapisu obu reakcji, izotopy ¹³N oraz ¹⁵O są lżejsze o jeden neutron od stabilnych ¹⁴N oraz ¹⁶O, które obficie występują w atmosferze. Niestabilne izotopy ulegają rozpadowi w procesie β⁺, którego ostatecznym produktem są pozytony:

¹³N à ¹³C + e⁺ + ν_e,

¹⁵O à ¹⁴N + e⁺ + ν_e,

gdzie e⁺ oznacza pozyton, natomiast ν_e reprezentuje neutrino elektronowe. Należy podkreślić, że zajście reakcji związanych z azotem jest znacznie bardziej prawdopodobne niż z tlenem.

Analiza energii sygnału promieniowania gamma, które zostało zarejestrowane podczas wyładowań atmosferycznych, jakie miały miejsce nieopodal elektrowni atomowej Kashiwazaki-Kariwa w Japonii dnia 6 lutego 2017, bezsprzecznie potwierdziła zachodząca kreację pozytonów. Maksimum sygnału odpowiada energii 0.511 MeV, która doskonale koresponduje z energią zawartą w masie spoczynkowej pozytonu lub elektronu, które uległy wzajemnej anihilacji.

Produkcja antymaterii zachodzi więc w sposób „naturalny” w atmosferze ziemskiej i nie jest już tylko ekskluzywną domeną laboratoriów wyposażonych w skomplikowaną aparaturę badawczą lub jakąś nowinką kosmiczną. Niestety ilości produkowanej „naturalnie” i „sztucznie” antymaterii na Ziemi są wciąż zbyt małe, aby móc zasilić futurystyczne silniki stosowane w statku Enterprise.

Ilustracja procesów jądrowych wyzwalanych podczas wyładowań atmosferycznych
[Enoto et al. Nature, 551, 481 (2017) ].

Obserwowane spektrum anihilacyjne porównane z modelami numerycznymi dla różnych odległości między detektorem a źródłem pozytonów (tj. chmurą burzową). Maksimum emisji przypada na energię 0.511 MeV [Enoto et al. Nature, 551, 481 (2017)].

Poprzednia strona

Autor tekstu: dr Kamil Fedus