Transcript Antimateria
(Anti)materian perusomituisuudet Materia vs antimateria Vuorovaikutukset Antikvarkit Antigluonit Jokapäiväinen aine, jonka koemme ympärillämme koostuu lähinnä elektroneista, protoneista ja neutroneista. Antimateria taas koostuu antielektroneista, jotka tunnetaan paremmin positroneina, antiprotoneista ja antineutroneista. Antimateria eroaa materiasta vain siinä mielessä, että sen varaus päinvastainen. Esimerkiksi elektronien varaus on e- , on positronilla varaus vastaavasti e+. Sekä antimateria että materia vuorovaikuttavat luultavasti gravitaatiokentässä samalla tavalla – antimaterian ja materian painovoima on ainakin samanmerkkinen, mutta sen suuruudella voi olla hienon hieno ero. Neutroni on varaukseton, joten se on tavallaan oma vastahiukkasensa, sillä neutronia ja antineutronia ei pysty tunnistamaan toisistaan. Myöskin vahva- ja heikko vuorovaikutus vaikuttanevat antimateriaan kuten materiaan. Mikä sitten aiheuttaa antimaterian nukleotideille ja positroneille vastakkaisen varauksen? Aivan kuten materia, myös antiaine rakentuu kvarkeista – antikvarkeista. Antikvarkitkin ovat ominaisuuksiensa itseisarvolta identtisiä kvarkkien kanssa. Siis niiden spin-luku ja massat vastaavat vastinhiukkasiaan, joskin varaus on käänteinen ± 1/3 tai ±2/3 . Myös fotonille, joka ei varsinaisesti materiaa olekaan, löytyy vastinhiukkaset. Joskin taas on todettava, että fotonia ja antifotonia on mahdoton erottaa toisistaan varauksen ollessa nolla. Supersymmetrian mukaan – sikäli kun sitä on olemassa – myöskin kvarkkien välistä vuorovaikutusta värivoimaa välittävät gluonit omaavat vastinhiukkasensa. Annihilaatio on reaktio, jossa hiukkanen ja antihiukkanen hävittävät toisensa reaktiossa, jossa syntyy valtavasti energiaa. Hiukkasten massa muuntuu kokonaisuudessaan energiaksi, joka vapautuu kahtena gammasäteilykvanttina. Energia saadaan laskettua Albert Einsteinin tunnetusta kaavasta E = mc2 , josta nähdään, että massa kerrottuna valonnopeuden neliöllä vastaa energiaa. Massa onkin yksi energian ilmenemismuodoista. Koska valonnopeus on valtavan suuri suure (2,99792458×108m/s), vastaa pientäkin massaa suuri energia. Siksi kohtalaisia massoja vastaa valtava energia. Siksi varsinkin sci-fissä antimateriaa on hyödynnetty useissa muodoissa. Esimerkiksi kaikille tutun C.P.P. Potkustartin kieroutumissydän kulkee antimateriakaasuilla. Myöskin antimaterian käyttö aseena on kiehtonut usein käsikirjoittajia (ks. viereinen kuva) Historia Ensiaskeleet Ensimmäinen antihiukkanen Jatkoa seuraa... Tietotekniikan kehitys Standardimalli 1928 Paul Dirac tutki Heisenbergin kvanttimekaniikka-artikkelia, jota hän lahjakkaana matemaatikkona alkoi tarkastella lähempää. Hän tarkasteli eletronin liikettä sähkö- ja magneettikentissä. Hän otti laskuissaan huomioon Einsteinin suhteellisuusteorian ennustamat vaikutukset. Tulokseksi hän sai elektroneja, joilla täytyy olla negatiivinen energia. Vaikka useimmat pitivät hänen tuloksiaan järjettöminä, hän lopulta päätteli elektronin vastahiukkasen – positronin – olemassaolon. Diracin päätelmä sai vahvistuksen kun Carl Anderson vuonna 1932 löysi ensimmäisenä positronin – täysin tietämättä Diracin ennustuksista. Hän teki kosmisten hiukkasten tutkimustyötä sumukammiolla. Hän sai tulokseksi jälkiä jotka olivat positiivisen hiukkasen tekemiä. Lopulta hän varmistui asiasta ja oli havaittavissa, että hiukkanen oli ominaisuuksiltaan juuri Diracin ennustaman kaltainen. Positroni oli siis löydetty. Antiprotonin löytyminen antoi kuitenkin odottaa itseään vuoteen 1955. Samana vuonna CERN:in tutkimuslaboratoriossa onnistuttiin valmistamaan antivetyä. Vuonna 1930 Ernest Lawrence kehitti syklotronin, jolla hiukkasia pystyttiin kiihdyttämään satojen KeV:ien energioihin. Myöhemmin vuonna 1954 Lawrence kehitti Kalifornian Berkeleyyn Bevatronin, jolla päästiin useiden GeV:ien energioihin. Sitä pidettiin optimaalisena antiprotonien tuottamiseksi. Myös Emilio Segré kehitti ilmaisimen antiprotonien tunnistamiseen. Vuonna 1955 tämä työ kantoi hedelmää – ryhmä onnistui löytämään antiprotonin. Tästä hyvästä Segré ja hänen kumppaninsa O. Chamberlain, C. Wiegand ja T. Ypsilantis saivat Nobelin vuonna 1959. Vuotta myöhemmin Berkeleyssä löydettiin antineutroni. Tietokoneiden ja muun tekniikan kehitys on tuonut oman lisänsä hiukkastutkimukseen, kuten myös kaikkiin muihinkin luonnontieteisiin. Tietokoneiden laskentatehot ovat moninkertaistuneet ja tiedon tallennuskapasiteetit ovat kehittyneet räjähdysmäisesti. Suurempi laskentateho on mahdollistanut reaktioiden ja hiukkasten käyttäytymisen simuloimisen. Samalla myös tulosten käsittely on parantunut. Koska hiukkasfysiikan perustutkimuksessa tarvitaan valtava määrä kokeita vain muutaman hiukkasen havaitsemiseksi, on lisääntynyt tallennuskapasiteetti mahdollistanut valtavan tietomäärän tallentamisen ja nopeat prosessorit tehokkaan syynin oleellisen tiedon löytämiseksi. Fyysikot ovat kehittäneet tutkimustulosten pohjalta malleja. Yleisesti tunnettu ja hyväksytty malli – Aineen rakenteen standardimalli – on teoria, joka pyrkii kuvaamaan maailmankaikkeutta mahdollisimman täydellisesti. Standardimalli selittää kaiken vain kuuden kvarkin, kuuden leptonin ja vuorovaikutuksien välittäjähiukkasten avulla. Standardimalliin ei kuitenkaan ole saatu sisällytettyä gravitonia. Standardimalli ennustaa myös antimaterian olemassaolon. Esiintyminen luonnossa Symmetriarikko Antimateriagalakeja? Mustat aukot ja antimateria Maailmankaikkeuden ensimmäinen alkuaine oli olemassa jo samalla hetkellä kun maailmankaikkeus ja aika saivat alkunsa – alkuräjähdyksessä. Alkuräjähdyksessä kaikki aine ja säteily olivat tiivistyneinä yhteen äärettömän kuumaan ja tiiviiseen pisteeseen. Ainetta ja antiainetta oli valtavat ja yhtäsuuret määrät – tai ainakin melkein. Nimittäin ns. Symmetriarikko pääsi tapahtumaan ja jostain syystä materiaa oli jokaista 10iso luku - antimateriahiukkasta kohden 10iso luku+1 - hiukkasta. Tapahtui sitten niin että muutaman häviävän pienen sekunnin murto-osan sisällä materia ja antimateria annihiloivat toisensa. Yli jäi hieman materiaa, siis materia pääsi ”voitolle”. Tämä ylijäänyt materia muodosti syntyvän maailmankaikkeutemme ja lopulta myös meidät. Ei varmasti tiedetä mistä symmetriarikko johtui, mutta voisi olla mahdollista, että antimaterian puoliintumisaika on pienempi kuin materian. Tämä selittäisi materian ”voiton”. Tätä mahdollisuutta tutkitaan. Kuitenkin alkuräjähdyksen antimateria tuntuu hävinneen – sitä ei ole onnistuttu havaitsemaan avaruudesta. On esitetty arveluita, että jossain avaruudessa olisi antimateriasta muodostuneita galakseja. Jos antimateriaa olisikin lentänyt alkuräjähdyhdyksestä eroon aineesta, niin ettei se olisikaan päässyt annihiloitumaan ja häviämään. Tämä näkemys on kuiten tyrmätty sillä perusteella, että koska galaksit törmäävät silloin tällöin toisiinsa, olisimme havainneet tällöin merkittäviä energiapurkauksia annihilaatiosta johtuen. On myös esitetty teorioita galaksien keskuksissa sijaitsevista massiivisista mustista aukoista, jotka kasaavat ympärilleen ns. Kertymäkiekon tähtien kaasuista. Tämä aine hivuttautuu pikkuhiljaa lähemmäs mustan aukon tapahtumahorisonttia – rajaa, jonka takaa edes valolla ei ole paluuta. Joidenkin mustien aukkojen navoilta on havaittu lähtevän lähellä valonnopeutta kulkevia hiukkassuihkuja. Nämä syntyvät lähellä mustan aukon tapahtumahorisonttia, kertymäkiekon aiheuttama magneettikenttä ohjaa lähellä valonnopeutta kiitävät elektronit kiekon pyörimisakselin suuntaisesti avaruuteen. Mustat aukot voivat myös suihkuttaa antimateriaa avaruuteen: On mahdollista, että tyhjiössä syntyy antihiukkas- ja hiukkas -pareja. Jos tämä tapahtuu lähellä mustan aukon tapahtumahorisonttia, voi olla mahdollista että toinen hiukkanen häviää mustaan aukkoon ja toinen pääsee karkuun. Näin musta aukko voi aikaansaada antimateriasäteilyä. Esiintyminen luonnossa 2 Beta-hajoaminen Antimaterian vähäisyys ympäristössämme Radioaktiiviseen hajoamiseen kuuluvassa betahajoamisessa muodostuu joko elektroneja tai positroneja, neutriinoja tai antineutriinoja. Tämä on tyypillinen tapa, jolla antimateriaa muodostuu laboratorio-olosuhteiden ulkopuolella. β+ -hajoamisessa ytimessä yksi neutroni muuttuu protoniksi. Samalla emittoituu elektroni ja antineutriino. Toisaalta β-hajoamisessa ytimen yksi protoni taas muuttuu neutroniksi. Tässä reaktiossa emittoituu positroni sekä neutriino. Jos luonnossa ympärillämme olisi merkittävät määrät antimateriaa, sen kyllä havaitsisi vaikka paljain silmin annihilaatioina. Avaruudesta ja lähiympäristöstä tulevat vähäiset määrät radioaktiivisuudesta syntyneitä antimateriahiukkasia annihiloituvat tehokkaasti materian kanssa, joka on kaikkialla ympärillämme. Positronien matka tyssää hyvin nopeasti elektroneihin. Vastakkaismerkkiset varaukset saavat elektronit ja positronit käyttäytymään kuin kohteeseenhakeutuvina. (Käytännön) sovellukset... ...PET -skannauksessa ...Syöpähoidossa Antimaterialla on jo olemassa hyödyllisiä käytännön sovellutuksia. Tunnetuin lienee PET-menetelmä (Positron Emission Tomography), jota käytetään kartoittamaan tiettyjen elinten toimintaa. PET-skannaus perustuu erityisiin aineisiin, joissa on beta-aktiivinen isotooppi. Nämä tutkimusaineet ovat käyttökohteen mukaan sellaisia, että ne kertyvät elimistössä haluttuun kohteeseen - esim. aivoihin. Kun tutkimusaine kulkeutuu haluttuun kohteeseen, sen hajoamisessa syntyy positroneja. Nämä annihiloituvat ympäröivän aineen elektronien kanssa vapauttaen gammasäteilyä, joka on ilmaisimilla havaittavissa. Tarkkailemalla mistä päin elintä säteily on lähtöisin saadaan tietoa sen toiminnoista. Myös syöpähoidossa voisi olla apua antimaterian käytöstä. Nimittäin sädehoidossa on pyritty "tulittamaan" syöpäkudosta ionisoivalla säteilyllä, mutta tässä on se haittapuoli että se vaurioittaa terveitäkin kudoksia. Protonien käyttö on tehokkaampaa ja ne tuhoavat vaurioituneita kudoksia pääasiassa sillä etäisyydellä, johon ne pysähtyvät. Näin protonit sujahtavat vauhdin turvin terveistä kudoksista läpi ja nopeudesta riippuen "pommittavat" haluttua kudosta halutulla syvyydellä. Tässä kohtaa antimateria astuu kuvioihin: Jos ammutaankin antiprotoneja saadaan säteilyn teho moninkertaistettua annihilaatiosta johtuen. Antiprotonit eivät annihiloidu heti pintakudoksessa johtuen suuresta nopeudesta - niillä on liikaa vauhtia, jotta ne voisivat hakeutua protoneihin kiinni. Myös elektronit samanmerkkisine varauksineen hylkivät antiprotoneja, joten ne livahtavat atomien lomitse haluttuun kohteeseen. Tämä hoitomuoto voi lähivuosina lyödä itsensä läpi. Ainoa vika mikä hoitomuodossa piilee on se, että vaadittavat kiihdyttimet ovat niin pirskatin kalliita. (Käytännön) sovellukset 2 ...Primäärisenä energianlähteenä ...Sekundäärisenä energialähteenä Antimateriasta saatava suunnaton energia houkuttaisi myös kehittämään siitä energianlähdettä. Matkassa on kuitenkin mutkia: Antimateriaa ei löydy miltei mistään maailmankaikkeudesta. Antimateriakaasujen talteenotto ja varastointi takaisivat valtavat energiavarastot mutta "tyhjästä on paha nyhjästä". Kätevää olisi jos antimateriaa olisi kiinteänä "antimalmina" esimerkiksi antimateriaplaneetalla. Tämä kuitenkin vaatisi antiainetähden ja sen supernovan, josta raskaammat kiinteät antialkuaineet olisivat muodostuneet. Toisaalta antimateriatähden supernova aiheuttaisi antimateriapilven levitessä avaruuteen valtavat annihilaatioreaktiot, joista antimateria olisi tunnistettavissa. Valitettavasti näin ei ole käynyt, joten tämä mahdollisuus on hylättävä. Ja idea kaatuisi kuitenkin viimeistään valtaviin etäisyyksiin antimateriaan. Antimaterian käyttö energianlähteenä rajautuukin siis sen käyttöön ns. sekundäärisenä menovetenä, mitä esim. vetykennotkin ovat. Sekundäärinen energianlähde on energiaa, joka on muokattu jostain toisesta energianmuodosta. Koska niin vetyä kuin antimateriaakaan ei voi poimia saati edes louhia talteen, sitä on luotava. Vety esiintyy maapallolla yhdisteinä ja on erotettava. Tämä voi kuitenkin tapahtua inhimillisissä olosuhteissa, joten hyötysuhteestakin saadaan hyvä. Vetykennot ovat lisäksi kohtalaisen hyvä ja ainakin turvallinen varastointikeino. Kun taas antimaterian tapauksessa hyötysuhde olisi onneton: Antimaterian luominen vaatii suunnatonta hakuammuntaa ja kun on kyse niin suurista energioista ja lämpötiloista on energian hukkaantumisprosentti valtava. Koska antimaterian luominen, sen talteenotto turvallisesti magneettikenttään ja pitäminen siellä on niin kannattamaton visio, se ei tule saavuttamaan juuri mitään käytännön sovellutuksia. (Käytännön) sovellukset 3 PUM! Aseteollisuudessa antimateriasta olisi varsinkin pommiteknologiassa hyötyä. Kuitenkin taas on todettava, että vaadittavan antimaterian tuottaminen olisi suunnattoman kallista ja pommin hinta kohoasi taivaisiin. Lisäksi nykyiset ydinaseet riittävät tuhoamaan ainakin pieniä planeettoja. Kalipeeriä suurentamalla yksittäisetkin ohjukset saadaan hävittämään mantereita. Niinsanottu vetypommi - siis fuusiopommi olisi antimateriapommiin verrattuna hyvin helppo muokata tuhovoimaltaan valtavaksi. Vetypommissa on vetysäiliö, jonka ympärillä on "perinteisiä" fissioräjähteitä. Vedyn voisi puristaa nesteeksi säiliöön tämä olisi hyvin halpa keino varastoida "räjähdysaine". Uraani tai plutonium -ydinkärjillä saadaan nostettua hetkessä paine ja kuumuus vedyn fuusioon riittäväksi. Vedyn fuusio sitten pyyhkii lähiympäristön tiehensä. Ympäröimällä valtava vetysäiliö ydinkärjillä saataisiin aikaan oikea tuomionpäivän ase - ja huomattavasti halvemmalla, kuin antimateriakikkailulla. Kiitokset kaikille kiinnostuneille , että jaksoitte tänne asti ja suuret kiitokset Bill Wattersonille mahtavista sarjakuvista! CERNin kotisivut CERNin mahtava antimaterialuento – Michael Doser CERN-romppu – Particle physics www.wikipedia.fi Polaris – koulun tähtitieto – Heikki Oja Fysiikka 5 – Moderni fysiikka – Heikki Lehto, Tapani Luoma Peten ja Hannun mielikuvitus