Antihmota

Antihmota je druh látky, která je složena z antičástic k běžným částicím, tzn. například pozitronů místo elektronů.

Obecně antičástice je částice, která má všechny své náboje, například elektrický náboj, vůni či barvu, opačné než daná částice. Protože však např. +more mezony (tvořené kvarkem a antikvarkem) nelze jednoznačně přiřadit ani k "normální" hmotě, ani k antihmotě, rozumí se zpravidla v užším smyslu antihmotou pouze antičásticová obdoba klasické atomární hmoty, tedy látka tvořená jádry z antiprotonů a antineutronů a obalem z pozitronů (případně rozšířená o antihyperjádra a obdobu mioatomů s antimionem v obalu).

Projevy antihmoty lze studovat ve vesmíru nebo ve specializovaných experimentech. Dnes je dokonce možné ji vyrobit (např. +more v urychlovači částic LHC, ale podle novodobých studií se také tvoří v blesku), přičemž se otevírají nové možnosti fyzice, chemii a technice.

Historie

Existenci antihmoty předpověděl v roce 1928 britský fyzik Paul Dirac. Brzy poté (v roce 1932) Američan Carl David Anderson antihmotu skutečně objevil ve srážkách vysokoenergetických částic kosmického záření. +more Pokud víme, žádná volná nebo stabilní antihmota dnes ve vesmíru neexistuje. Vědci se domnívají, že těsně po velkém třesku, kdy vesmír vznikl, hmota a antihmota existovaly zároveň, ale hmoty bylo více. A to při vzájemné anihilaci způsobilo, že zbyla pouze hmota. Dnešní popis částic hmoty a částic - nosičů síly, se nazývá standardní model; tento model není bez slabin a ačkoli už po více než 20 let úspěšně prochází všemi experimentálními testy, není standardní model úplným popisem přírody. Anihilace hmoty a antihmoty v minulosti zničila velkou část vesmíru, a proto dnes pozorujeme jen malý zbytek vesmíru.

Vlastnosti

Antihmota má opačný elektrický náboj než běžná hmota, ale má stejnou hmotnost a její chování (tedy např. setrvačnost vůči urychlování) Co se týče gravitace (tedy gravitační hmotnosti), obecná teorie relativity předpokládá, že antihmota se bude gravitačně přitahovat a totéž platí pro gravitační interakci hmoty a antihmoty. +more Teorie však připouští i možnost, že hmota a antihmota se mohou vzájemně gravitačně odpuzovat, zahrne-li se do teorie princip CPT symetrie; mohlo by tím být alternativně vysvětleno zrychlené rozpínání vesmíru bez hypotézy temné energie. Experimentální rozhodnutí dosud nebylo možné, první výsledky o případné odlišnosti gravitační interakce antičástic by měly poskytnout experimenty AEGIS, ALPHA-g a GBAR, prováděné v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN).

Opačná jsou u elementárních antičástic (antikvarků a antileptonů) i všechna další kvantová čísla nábojového charakteru, jako je barva, slabý a silný izospin, podivnost, půvab, krása (bottomness) a pravda (toppness), mezi která lze řadit i baryonové číslo (-1/3 u antikvarků) a leptonové číslo (-1 u antileptonů). Spin však mají totožný, jako odpovídající částice hmoty (tedy 1/2).

Z elementárních antičástic, pokud jsou izolovány od částic hmoty, se tvoří složené částice na základě stejných principů jako u hmoty. Tomu odpovídají i jejich kvantová čísla (při stejné konfiguraci je tedy i shodná parita, naopak u vlastností závislých na nábojích, baryonovém a leptonovém čísle jsou kvantová čísla opačná). +more Antiprotony a antineutrony jsou tedy utvořeny ze tří antikvarků; z těchto antinukleonů jsou tvořena antijádra. Obdoba platí i u exotických antiatomů s antihyperjádry, obsahujícími antihyperon jako náhradu antinukleonu. Podobné je to s obalem antiatomů, tvořeným z pozitronů.

Při přímé srážce částice s odpovídající antičásticí, tedy pokud nevytvoří vázaný stabilní (jako je např. mezon π0) či metastabilní (jako onium) stav, dochází k tzv. +more anihilaci, tedy vzájemné reakci, při které obě zaniknou a vznikají částice buď bez klidové hmotnosti (fotony), nebo s klidovými hmotnostmi v součtu menšími, než je celková hmotnost před anihilací. Nejedná se však o porušení zákona zachování hmotnosti, neboť celková energie je zachována a tedy i odpovídající celková (relativistická) hmotnost jí ekvivalentní (podle vztahu E=mc²). Přitom platí i všechny další zákony zachování (hybnosti, momentu hybnosti, náboje), které tak spoluurčují počet a charakteristiky produktů anihilace. Nemusí jít pouze o elementární částice a antičástice, ale i částice složené (proton-antiprotonová anihilace). O anihilaci se zpravidla hovoří i v případě srážky neutronu s antiprotonem, případně protonu s antineutronem, i když se nejedná o přímé protějšky ve smyslu částice-antičástice.

Příklady: * Při setkání elektronu s pozitronem se zanedbatelnými kinetickými energiemi vznikají 2 fotony o energii přibližně 0,511 MeV (megaelektronvoltů). (Z důvodu současného zachování energie a hybnosti nikdy nemohou anihilovat na pouhý jeden foton. +more) Toho se využívá při pozitronové emisní tomografii. * Pokud elektron s pozitronem přinášejí do anihilace i dostatečné kinetické energie, vznikají navíc další částice, např. mezony, ale i částice složitější, včetně intermediálních bosonů slabé interakce a nových párů částice-antičástice. Toho se využívá ve výzkumných elektron-pozitronových srážečích, ve kterých jsou oba urychlovány na rychlosti blízké rychlosti světla. * Při proton-antiprotonové anihilaci jde o reakci složených částic, u kterých dochází k přeskupení jejich vázaných stavů a interakcím jednotlivých kvarků a antikvarků za přispění gluonů. I při anihilaci se zanedbatelnou kinetickou energií tak vzniká jako produkt několik mezonů (např. 3 mezony π). Urychlené protononové a antiprotonové vstřícné svazky jsou pak schopné tvořit i částice s vysokými klidovými hmotnostmi; takto byly např. v CERNu objeveny na Super proton-antiprotonovém synchrotronu indermediální částice slabé interakce W± a Z0.

Vznik a výskyt

Antičástice vznikají v přírodě běžně materializací kosmického záření (např. při vzájemných kolizích s hmotou). +more Mají však zpravidla krátkou životnost, neboť rychle anihilují s ostatní ve vesmíru běžnou hmotou. Hvězdy, galaxie, ani jiné objekty tvořené z antihmoty zatím nebyly pozorovány. Počet případných hvězd z antihmoty (tzv. antihvězd) v naší galaxii je limitován astronomickými pozorováními - Fermiho vesmírný teleskop během 10 let pozorování vytipoval pouhých 14 objektů, jejichž charakter záření připouští možnost, že jsou z antihmoty, a na základě tohoto pozorování byl stanoven limit podílu antihvězd na maximálně jednu na 300 000 hvězd z normální hmoty. Anihilace hmoty s antihmotou je považována za jednu z možných příčin vzniku záblesků gama záření (GRB). V počátečních stádiích Velkého třesku vznikala velká množství hmoty i antihmoty. Nicméně veškerá vzniklá antihmota anihilovala s většinovou částí hmoty. Vědci dodnes neumí přesně vysvětlit, proč tehdy došlo k nesymetrii při interakcích hmoty s antihmotou a proč převážila hmota. Díky této nesymetrii se zřejmě ve vesmíru nachází pouze hmota.

Antihmotu je možné vyrobit i uměle s pomocí urychlovačů částic. V Evropské organizaci pro jaderný výzkum CERNu v Ženevě a ve Fermiho laboratoři v Chicagu se podařilo z antičástic vytvořit atomy antivodíku. +more V jejich jádrech jsou záporné antiprotony, které jsou obíhány kladně nabitými pozitrony.

Pozemská přírodní antihmota

Antihmota se v běžných pozemských podmínkách nevyskytuje v atomární podobě (antiatomy jsou známy pouze jako vzácný výsledek jaderných experimentů), to však neznamená, že se nemohou v těchto podmínkách vyskytovat její stavební částice - tedy antičástice. Nejběžnějšími částicemi antihmoty v běžných pozemských podmínkách jsou antineutrina. +more Jejich původem jsou radioaktivní záření beta (významným pozemským zdrojem jsou jaderné elektrárny, produkující štěpením mnoho β-radioaktivních nuklidů). Antineutrina mohou vznikat také jako produkt reakcí kosmického záření s atmosférou. Vzhledem k velmi nízké schopnosti interakce antineutrina prakticky nejsou zachycována hmotou.

V běžných pozemských podmínkách vznikají také pozitrony, a to při radioaktivních rozpadech β+ a jako produkt reakcí kosmického záření s atmosférou. Protože se jedná o nabité částice, jsou ionizačními ztrátami v prostředí zpomalovány a rychle anihilují s elektrony atomových obalů.

Družice Fermi objevila, že pozitrony mohou za určitých podmínek vznikat i v pozemské přírodě během prudkých atmosférických bouří v tropickém podnebném pásu Země. Jde o unikátní přírodní jev.

Význam

Při současných znalostech lidstva ji zatím nelze využít jako nejúčinnější ze známých zdrojů energie, i když při reakci s hmotou uvolňuje energii se stoprocentní účinností, jaderné reakce jsou účinné pouze na 1,5 %. Je to dáno naprosto zanedbatelnou účinností lidstvu doposud známé metody výroby antihmoty v laboratorních zařízeních typu Fermilab. +more Antihmotu je možné uchovávat v tzv. Penningově pasti, která ve vakuu udržuje elektricky nabité částice v soustavě magnetických polí v bezpečné vzdálenosti od standardní hmoty. Takto lze ovšem uchovávat pouze samostatně antiprotony, anebo pozitrony. Uchování kompletně sestavené antihmoty (jádro s obalem) není tímto způsobem s ohledem na její celkovou elektrickou neutralitu možné.

Další zajímavostí je, že na rozdíl od hmoty mají atomy antihmoty částice kladně nabité v obalu a částice záporně nabité v jádru. Může být vytvořen protiklad na jakýkoliv prvek, na jakoukoliv látku, z antihmoty by mohl být zkonstruován celý vesmír. +more Problémem antihmoty je, že může zreagovat s hmotou, což může mít fatální následky. Kdyby totiž reagovala s hmotou, nastala by exploze.

Použití

Reakce antihmoty a hmoty má praktické využití v zobrazovací technice v medicíně v pozitronové emisní tomografii. Během beta plus rozpadu ztrácejí nuklidy nadbytek protonů vyzářením pozitronů (protony se stávají neutrony a neutrony zůstávají v jádře). +more Nuklidy s nadbytkem protonů jsou vyrobitelné v cyklotronu a jsou převážně vyráběny pro medicínské účely.

Hypoteticky lze uvažovat o využití antihmoty jako zásoby energie přeměnitelné anihilací s hmotou na kinetickou energii při pohonu vesmírných lodí. Koncepty přeměny jsou různé. +more Například společnost Hbar technologies zpracovala koncept antihmotou podporované solární plachetnice, které by při cestě ze Země k trpasličí planetě Pluto podobnou rychlostí jako u sond Voyager údajně postačovalo 30 miligramů antihmoty.

Odkazy

Reference

Externí odkazy

[url=http://www.osel.cz/index.php?clanek=5399]Jak zachytit neutrální atomy antihmoty[/url] článek na serveru Osel.cz

Kategorie:Hmota Kategorie:Kvantová fyzika