W tym tygodniu przyznano Nagrodę Nobla dla trójki japońskich fizyków. Jeden z nich, Yoichiro Nambu (87 lat), obecnie obywatel amerykański pracujący w University of Chicago, opracował już w 1960 roku teorię powstawania i rozpadu antymaterii. Jego koledzy z Japonii (Kobayashi i Maskawa) w 1972 roku uzupełnili tę teorię opisując oddziaływanie pomiędzy kwarkami i antykwarkami.
Kilka lat temu, za podobne prace ogłoszone w latach 70. dostał Nobla amerykański fizyk o polskim nazwisku, prof. Frank Wilczek. Prawdę mówiąc, można wyróżnić dziesiątki, o ile nie setki fizyków, z których każdy w jakimś stopniu uzupełnił wiedzę o otaczającym nas świecie. Jak widać długo się czeka na uznanie Komitetu Nagrody Nobla i szczęście mają fizycy długowieczni, bo pośmiertnie tych nagród się nie przyznaje. Prace nagrodzone „Noblami” są przez następne tygodnie przedmiotem dyskusji, spieszę więc z prostym opisem o co tu chodzi.
Sto lat temu, gdy fizycy zaczęli obserwować zjawiska w świecie atomów, zidentyfikowali trzy podstawowe cząstki materii – proton, neutron i elektron. W tamtym czasie Niels Bohr opracował model atomu, który, choć daleki od rzeczywistości, dobrze opisuje i przewiduje różne zjawiska w świecie materii. Materię postrzegamy jako coś, co wypełnia przestrzeń wokół nas, często coś masywnego, twardego i nieprzeźroczystego. Dla fizyków jest to jednak wielka pustka wypełniona mikroskopijnymi drobinami. Jeżeli chcielibyśmy zbudować, według postulatu Bohra, model atomu jakiegoś lekkiego pierwiastka (wodoru, węgla, tlenu) zachowując proporcje, to po powiększeniu miliony milionów razy (1 z 12 zerami), w środku sportowego stadionu umieścilibyśmy kulkę wielkości perły (jądro), a na okalających trybunach krążyłoby kilka ledwo widocznych pyłków (elektrony).
Cechy fizyczne zlepiających się ze sobą atomów, takie jak twardość czy zdolność łączenia się w związki chemiczne, wynikają z sił przyciągania i odpychania elektrycznego pomiędzy tymi podstawowymi cegiełkami materii. Również takie cechy jak nieprzeźroczystość czy kolory, to wynik oddziaływania ze światłem widzialnym, którego długość fal jest porównywalna z wymiarami atomów.
W 1928 roku Dirac, analizując oddziaływania pomiędzy znanymi cząsteczkami, przewidział istnienie cząstki bliźniaczej do elektronu, lecz o odwrotnym ładunku elektrycznym i wielu przeciwnych właściwościach. Cząstka ta nazwana pozytonem została dostrzeżona kilka lat później. Fizycy obecnie obserwują prawie wszystkie „bliźniacze” cząsteczki nazywając je antymaterią.
Z obliczeń teoretycznych i obserwowanych doświadczeń wiadomo, że cząsteczki „zwykłej” materii i antymaterii nie mogą się spotkać, bo niszczą się wzajemnie wyzwalając potężne (w mikroskali) błyski energii. Według teorii Wielkiego Wybuchu, we Wszechświecie powstały cząstki materii i antymaterii, które wzajemnie się niszczyły pozostawiając wypełniające przestrzeń promieniowanie mikrofalowe. Fizycy w swoich pracach wyjaśnili, dlaczego cząstek materii było jednak nieco więcej i dlatego nasza Ziemia, planety, Słońce i prawdopodobnie cały obserwowany Wszechświat zbudowany jest z samych „materialnych” cząsteczek. Mało prawdopodobne jest istnienie gdzieś we Wszechświecie odizolowanych skupisk antymaterii.
Cząsteczki antymaterii jednak pojawiają się w naszym otoczeniu i to częściej niż możemy przypuszczać. Fizycy obserwują jak czasami z promieniowania gamma „rodzi się” para elektron – pozyton. Do górnych warstw atmosfery docierają cięższe cząstki antymaterii wyzwalając kaskady promieniowania. Analiza szybkości tych cząstek wskazuje, że nie są to oryginalne pozostałości narodzin Wszechświata, lecz powstają one w reakcjach jądrowych w gwiazdach.
Antymaterialne cząstki mogą być również wytwarzane w potężnych instrumentach – akceleratorach, ale czas życia tych cząsteczek jest bardzo krótki, gdyż nie można w laboratoriach wytworzyć próżni i uchronić antymaterię od kontaktu z materią i natychmiast dochodzi do wzajemnego zniszczenia – anihilacji.
Anihilacja jest procesem setki razy potężniejszym od innych znanych reakcji jądrowych takich jak rozpad uranu czy synteza termojądrowa. W tych wykorzystywanych reakcjach jądrowych (bomby atomowe, elektrownie) zaledwie ułamkowy procent masy jest zamieniany na energię. W procesie anihilacji materii i antymaterii, cała masa przekształca się na energię według znanego wzoru Einsteina. Nobel byłby niezmiernie zdziwiony, gdyby wiedział, że 1 gram antymaterii ma siłę wybuchu kilkunastu składów pociągów naładowanych jego dynamitem.
Fantaści widzą w tym możliwości wykorzystania antymaterii do napędu statków kosmicznych. Proste obliczenie pokazuje, że kilka kilogramów antymaterii pozwoliłoby na podróż kilkudziesięciotonowego statku kosmicznego na Marsa w czasie kilku tygodni. A mając kilka ton antymaterii i odpowiednie silniki, można byłoby myśleć o przelocie w ciągu kilkunastu lat do najbliższych gwiazd. Ja jednak uważam, że z wielu względów, napęd antymaterią pozostanie zawsze w sferze marzeń.
Nie wiadomo jak antymaterię przechowywać. Fizycy wprawdzie podpowiadają, że antyproton może być uwięziony wewnątrz 60-cio atomowej kulki węgla (fulerenu), ale nikt nie zagwarantuje, że spontaniczny rozpad jednej kulki nie spowoduje lawinowej detonacji dopiero co rozpoczętego magazynowania antymaterii. Do dzisiaj, we wszystkich laboratoriach świata wyprodukowano zaledwie taką ilość antymaterii, że gdyby ją zgromadzić i rozpad jej wykorzystać do produkcji prądu, to przeciętna żarówka mogłaby świecić przez kilka minut. Obecnie, pojedynczo wytwarzane antycząsteczki już w chwili powstawania „przyklejają się” do „materialnych” cząsteczek i rozpadają prawie natychmiast. Wszelkie doniesienia o gromadzeniu znaczących ilości antymaterii na Ziemi, są zmyślone.
Antymateria w laboratoriach nie tworzy się sama – potrzebuje potężnej energii, zdobywanej w procesach jądrowych lub w elektromagnetycznych akceleratorach (przyspieszaczach). Teoretycznie, 1 gram antymaterii zawiera w sobie energię wytwarzaną w ciągu doby przez wielką elektrownię (2 gigawaty), której praca w tym czasie kosztuje około 2.5 miliona dolarów. W praktyce jednak, tylko bardzo drobna część energii zasilającej potężne elektromagnesy jest wykorzystywana w zderzeniach cząstek i realny koszt wyprodukowania 1 grama antymaterii we współczesnych akceleratorach przewyższał – by milion razy kwotę przeznaczoną obecnie na oddłużenie banków. Produkcja grama antymaterii w ten sposób, trwałaby do końca istnienia Wszechświata. Fikcja absolutna.
Fizycy sami przyznają, że akcelerator ostatnio zbudowany i uruchomiony w Europie kosztem 10 miliardów euro, w którym można wytwarzać pojedyncze cząstki antymaterii, nie służy żadnym praktycznym celom. Nawiasem mówiąc, popsuł się kilka dni po uruchomieniu i remont potrwa conajmniej pół roku. Obecne eksperymenty z antymaterią mają tylko pomóc fizykom w opracowaniu teorii budowy zarówno atomów jak i całego Wszechświata.
Z antymaterią spotykamy się jednak na co dzień, nie zdając sobie z tego sprawy. Okazuje się, że niektóre jądra pierwiastków, rozpadając się, wysyłają antymaterialny elektron (czyli pozyton – ang. positron). Należy do nich potas 40, który jest składnikiem soli morskiej i znajduje się we wszystkich żywych organizmach. Jego czas połowicznego rozpadu jest bardzo długi – rzędu miliarda lat, niemniej w każdej sekundzie w naszym ciele dochodzi do około 500 rozpadów, w których emitowany jest antymaterialny pozyton. Pozyton prawie natychmiast spotyka się z elektronem i unicestwiając się wzajemnie wyzwalają błysk promieniowania gamma o e
nergii ponad 500 kiloelektronowoltów. Brzmi to przerażająco, lecz pojedyncze błyski promieniowania gamma nie powodują żadnych szkód w naszych organizmach. Antymateria znalazła zastosowanie w diagnostyce medycznej. Powszechnie stosowana jest pozytonowa emisyjna tomografia (PET) używana do wykrywania zmian nowotworowych, stanów zapalnych i różnych chorób mózgu. Lekarze wiedzieli, że pewnym chorobom towarzyszy wzmożona absorpcja i metabolizm cukru, co jednak trudno było wykryć z zewnątrz.
Diagnostyka metodą PET polega na podaniu pacjentowi glukozy, z którą związany jest izotop fluoru F-18. Izotop ten ma połowiczny czas życia około 2 godzin i musi być wytwarzany w pobliżu stanowiska diagnostycznego w małym akceleratorze. Glukoza jest szybko absorbowana w chorych tkankach, a związany z nią F-18 wydziela antymaterialny elektron (pozyton), który zaraz unicestwia się spotykając „materialny” elektron i wysyła błysk gamma. Promieniowanie gamma jest przenikliwe, przechodzi przez wszystkie tkanki i jest rejestrowane detektorami umieszczonymi dookoła pacjenta. Komputer oblicza dokładnie, z których miejsc wysyłane jest promieniowanie i rysuje odpowiednie przekroje organów.
Łączna ilość promieniowania wyzwolonego w czasie badania jest niewielka. Nie potrafię dokładnie tego określić, ale myślę, że nie przekracza promieniowania otrzymywanego przez każdego z nas w ciągu kilku dni ze źródeł naturalnych (radon, potas, Kosmos). Po kilkunastu godzinach, z połkniętego z glukozą izotopu F-18 nie pozostaje prawie nic.
Do badań używa się i innych izotopów wysyłających pozytony. Należą do nich węgiel C-11 i tlen O-15, których czas życia liczy się w minutach. Muszą one być wytwarzane bezpośrednio przy stanowisku diagnostycznym.
W stanowiska do pozytonowej emisyjnej tomografii wyposaża się szpitale amerykańskie już od 30 lat. Również w Polsce działa obecnie 6 ośrodków prowadzących tego typu diagnostykę. Jest to znacznie skuteczniejsza metoda (dająca mniej niż 1% błędów) od tomografii Magnetycznego Rezonansu Jądrowego i Tomografii Rentgenowskiej. Ale o tych metodach diagnostyki napiszę przy innej okazji. (ami)
Redakcja
