Antimateria: o enigmă greu de descifrat

Acum mai bine de un an, scriam un articol despre antimaterie (https://www.lovendal.ro/wp52/antimateria-mit-sau-realitate/) Acest articol era doar o sinteză al unuia mult mai cuprinzător, pe care-l prezint acum, şi care, cu siguranţă, o să le plac celor pasionaţi de subiect.

La începutul secolului al XX-lea, fizicienii au făcut o descoperire extrem de incomodă filozofilor şi cosmologilor, care erau convinşi că natura este guvernată de o simetrie universală. Descoperirea era rezultatul unor numeroase experimente, cu instrumente şi tehnici de lucru extrem de delicate, cerute de noua lume a microcosmosului, ce se deschidea ca o mare necunoscută.

Faptele se refereau la cele două particule subatomice de bază: electronul şi protonul. Anume, în timp ce unitatea de sarcină electrică negativă era purtată de electron, unitatea de sarcină pozitivă era purtată de proton, o particulă având masa de circa 1.840 de ori mai mare decât cea a electronului. Filozofii s-au întrebat: de ce sarcinile electrice negative şi cele pozitive sunt asociate cu particule având masele atât de diferite? Sau, oare, trebuie să ne aşteptăm ca sarcini opuse şi egale să fie asociate unor particule opuse şi egale? – aceasta ca totuşi să fie satisfăcută presupusa simetrie universală.

Antiatomii sunt alcătuiţi din antiprotoni, antineutroni şi antielectroni?

Cu alte cuvinte, ar putea exista o antimaterie, în care atomii – sau mai corect spus, antiatomii – sunt constituiţi din   antiprotoni, antineutroni şi antielectroni (pozitroni)? Susţinătorii simetriei universale au fost oarecum satisfăcuţi când P.A.M. Dirac a prezis, pe baze matematice, că la orice reacţie în care intervin particule subatomice, corespunde o reacţie în care sunt implicate respectivele lor antiparticule şi că în aceste două reacţii lucrurile se petrec exact analog.

La vânătoare de antielectroni şi antiprotoni

Cu alte cuvinte, în fizică şi-a făcut loc un nou principiu de simetrie: simetria dintre materie şi antimaterie. Discuţiile au început să fie mai consistente după ce, în anul 1932, Anderson a descoperit pozitronul în cercetările sale asupra radiaţiilor cosmice. După descoperirea acestui „electron pozitiv” sau „antielectron”, a urmat pasionanta vânătoare a antiprotonului. Chiar dacă în înregistrările unor experimente cu radiaţiile cosmice au fost identificate urmele unor  antiprotoni, cercetătorii şi-au îndreptat atenţia spre uriaşele acceleratoare, care îşi consolidau poziţia în laboratoare. Într-o serie de experienţe ei au reuşit să pună clar în evidenţă antiprotonii, în anul 1955, folosind metode de înregistrare deosebit de eficiente, ca, de pildă, contorul Cerenkov pentru determinarea vitezei particulei.

S-au găsit şi antiparticulele

A urmat o lungă perioadă de căutare experimentală a antiparticulelor, creându-se coliziuni de particule subnucleare – în acceleratoare de energii mari. Un rezultat interesant al coliziunilor – de altfel era şi de aşteptat – a fost acela că particulele şi antiparticulele apar simultan, ca fraţi gemeni. Astfel că simetria materiei cu antimateria a primit încă o confirmare experimentală, fiind admisă acum ca unul dintre principiile fundamentale ale fizicii.

Anti-elemente, anti-lume, anti-viaţă…

De la antiparticule au urmat, firesc, consideraţiile (teoretice) asupra antiatomilor. Combinaţia dintre un antiproton şi un antielectron va forma un antiatom de antihidrogen, căruia legile cunoscute ale fizicii atomice îi vor prezice aproape aceleaşi proprietăţi ca şi ale atomului de hidrogen obişnuit. De pildă, antiatomul de antihidrogen va emite un spectru luminos identic cu cel al atomului de hidrogen, fiind astfel imposibil de identificat prin acest fel de analiză.

Antiatomii de antihidrogen, în schimb, se vor combina între ei, formând molecule de antihidrogen şi pot constitui un gaz cu proprietăţile tipice ale hidrogenului obişnuit, printre altele lichefiindu-se la – 252°C.

Mergând mai departe pe linia consideraţiilor teoretice şi ipotetice, similar, antipaticulele ar putea compune toate elementele grele, mai corect spus toate antielementele grele. Antielementele, până la antiuraniu, ar putea constitui o antimaterie, din care o antilume, incluzând, în principiu, o anti-viaţă…

Antimateria, produsă doar în laboratoare, căci ea nu se găseşte şi pe Terra

Şi totuşi, în afara rezultatelor obţinute în laboratoare, prin provocare energetică, antimateria nu a fost niciodată întâlnită liberă în natură. Atomii care alcătuiesc toate substanţele de pe Terra sunt compuşi din protoni, neutroni şi electroni, dar niciodată din antiparticule ale acestora.

Au început inevitabilele întrebări: oare, aşa stau lucrurile în întregul Univers, există o asimetrie între materie şi antimaterie în favoarea materiei? Dacă este aşa, atunci, oare, asimetria a existat dintotdeauna sau Universul a început cu un număr egal de particule şi antiparticule, iar ulterior a intervenit ceva care a modificat balanţa?

Legea simetriei universale nu mai e valabilă?

Descoperirea antimateriei a deconcertat profund pe fizicieni, astronomi, cosmologi şi filozofi. Cunoscând verificata lege a simetriei universale, de dragul simetriei trebuie să fie totuşi imaginat un Univers compus, în părţi egale, din materie şi antimaterie. Ideea este generoasă, dar ridică o serie de probleme dificile. Niciun sistem nu poate exista în proporţia jumătate materie şi jumătate antimaterie, deoarece cele două forme se anihilează reciproc. La anihilarea unui atom cu un antiatom, coliziunea dintre un proton şi un antiproton, de pildă, duce la formarea unui mezon şi a unui antimezon, care, la rândul lor, se dezintegrează rapid şi emit electroni, pozitroni, neutrini şi fotoni. Aceasta la nivelul nucleelor. Dar după ciocnire ar mai rămâne electronii şi antielectronii orbitali, care nici ei nu pot coexista. Ciocnirea lor are ca rezultat anihilarea reciprocă şi este, de asemenea, însoţită de emiterea de  fotoni.

Coexistenţa materiei cu antimateria e exclusă

Deci trebuie exclusă total coexistenţa materie antimaterie, una în apropierea celeilalte. Unicul mod de a avea o dovadă a unei eventuale existenţe a antimateriei este de a o căuta undeva în depărtările Universului. Prezenţa ei ar putea fi semnalată prin procesul de anihilare cu materia, cu eliberarea unei energii uriaşe, care ar fi de circa 2 MeV pe o anihilare proton-antiproton. Iată deci o cale, să se caute undeva, pe cer, surse de energie de această valoare. Dar astfel de evenimente nu pot avea loc la nivelul Galaxiei noastre (decât într-o măsură extrem de mică), ci, eventual, în afara ei. Dacă, de pildă, ar exista galaxii compuse din antimaterie şi una dintre acestea ar întâlni o galaxie compusă din materie, atunci anihilarea lor ar elibera o energie enormă, care ar putea fi observată de pe Terra.

Până în prezent au fost observate câteva astfel de cazuri, de ciocniri între galaxii, care sunt extrem de interesante. De exemplu, galaxiile Messier 87 şi Lebăda A, de la care ajung până pe Terra semnale radio extrem de puternice. Despre prima se presupune că are loc un proces de capturare a unei „bucăţi de antimaterie”, iar fotografiile cu galaxia Lebăda A arată că, de fapt, este vorba de două galaxii în coliziune.

Există şi antigravitaţia?

Mai există şi alte păreri. Astfel, susţinătorii simetriei universale spun că, oricare ar fi originea Universului, dacă în el există antimaterie, atunci aceasta a apărut simultan cu materia şi în cantităţi egale. Întrucât se pleacă de la ipoteza că în prezent ar exista antimaterie, ar fi fost necesar ca cele două forme să se separe imediat; altfel s-ar fi anihilat reciproc. Formele respective astfel separate s-ar fi condensat în formă de stele şi galaxii.

Procesul de separare este însă enigmatic; el ar putea avea loc doar dacă între atomi şi antiatomi s-ar exercita forţe gravitaţionale de respingere, adică o gravitaţie de sens opus de cum se manifestă ea in cazul materiei. Cu alte cuvinte o antigravitaţie (ca o simetrie a gravitaţiei!). Dacă se ţine însă cont că prin acceptarea ideii de anti-gravitaţie se violează principiile de bază ale teoriei generale a relativităţii se poate uşor imagina că ipoteza a fost respinsă de majoritatea fizicienilor. Adepţii antigravitaţiei ar avea, deocamdată, o singură cale pentru a-şi susţine ipoteza: experimentul. Teoretic un astfel de experiment ar consta în proiectarea în Cosmos, în apropierea Pământului (radial cu un diametru), a unui fascicul de antiprotoni. Dacă se va constata că fasciculul se îndepărtează de Terra, fenomenul ar constitui o dovadă a existenţei antigravitaţiei.

În realitate, unele consideraţii ale fizicianului Shiff par să ducă la concluzia că anti gravitaţie nu există, că între proton şi antiproton forţele gravitaţionale sînt de atracţie, întocmai ca între proton şi proton.

Două lumi diferite: Cosmos şi Anti-Cosmos?

Uneori fizicienii să lasă seduşi de idei care par de domeniul pur al fanteziei. De pildă, M. Goldhaber consideră că ar putea exista două lumi separate, una formată din materie, iar cealaltă din antimaterie. El mai precizează că la originea Universului ar fi fost o singură entitate, pe care a numit-o „universon”. Universon-ul s-ar fi divizat în două părţi: „cosmon” şi „anticosmon”, care s-ar fi îndepărtat imediat după formare, generând astfel Cosmosul nostru (din „cosmon”) şi un Anticosmos  (din „anticosmon”), care este cu totul în afara posibilităţilor noastre de observaţie. Dacă, în unele zone, într-un oarecare mod, o foarte mică parte din antimateria presupusă a constitui Anticosmosul, străbate în Cosmos, aceasta ar putea produce (sau explica?) fenomenele care au loc în prezent în galaxiile Messier 87 şi Lebăda A. Aceasta însă, deocamdată este considerată pură fantezie. Dar, oare, cu 24 de secole în urmă, ideile lui Democrit asupra atomilor nu erau doar o simplă fantezie?

Cum ar putea fi separate materia şi antimateria, pentru a nu se anihila?

Chiar dacă se admite că ar exista două sisteme (Univers şi Antiunivers), cum s-ar putea preveni cu cele două forme să nu se întâlnească, să nu se anihileze reciproc? Încă nu există o părere unanimă. Fizicianul O. Klein susţine că materia şi antimateria pot fi ţinute separat printr-un strat foarte fierbinte, care s-ar forma între zonele de separare dintre ele. Stratul fierbinte ar fi produs de reacţiile de anihilare între particulele şi antiparticulele care se întîlnesc la zona de separare.

Ipoteza lui O. Klein ne pune în faţa posibilitatea ca antilumile să fie într-adevăr vecinii noştri, astronomic vorbind. Deci nu ar putea fi exclusă posibilitatea ca Nebuloasa Andromeda, cea mai apropiată galaxie, sau chiar unele stele din Galaxia noastră să fie compuse din antimaterie. Privind stelele de pe cer, cum am putea spune care sunt din materie şi care din antimaterie? Un corp compus din antimaterie va emite exact acelaşi spectru ca un corp compus din materie Deci, prin observaţii spectroscopice este imposibil de dat un răspuns.

Materia a câştigat lupta cu antimateria?

O altă ipoteză asupra materiei şi antimateriei în univers, susţinută de I. Pati şi A. Salam porneşte de la ideea că, la început, după „Marea explozie” (Big Bang) amestecul de materie şi antimaterie ar fi fost de un miliard de ori mai mare decât materia care a supravieţuit; restul ar fi dispărut prin anihilare reciprocă. Cum această ipoteză presupune că toată antimateria ar fi fost anihilată, în favoarea materiei, a fost dată o explicaţie şi anume că la foarte scurt timp, în urma „Marii explozii”, ar fi existat „ruperi de simetrie” în formarea particulelor şi antiparticulelor, care, simplu vorbind, ar fi dus la o superioritate a materiei. Deci, întocmai ca într-un calcul de scădere aritmetic, în urma anihilărilor la nivelul Universului, a cîştigat materia. Poate de aceea Universul este atât de „rar” în aglomerări de substanţă.

Susţinătorii acestei ipoteze găsesc fără sens căutarea în Univers a antimateriei. Pentru ei departajarea a fost definitivă, în sensul că în Univers există numai materie. Tot în cadrul acestei ipoteze, dacă se acceptă teoria Universului pulsatoriu, în care materia Universului va fi adusă din nou la o formă simplă, după încetarea expansiunii, înainte de o nouă „Mare explozie”, nu se poate prevedea în favoarea cui se va produce o nouă „rupere de simetrie”: a materiei sau a antimateriei.

ATENTIE! Intrucat nu toate sursele sunt de incredere si, uneori, este foarte greu pentru a fi verificate, unele articole de pe site-ul lovendal.ro trebuie sa fie luate cu precautie. Site-ul acesta nu pretinde ca toate articolele sunt 100% reale, scopul fiind acela de a prezenta mai multe puncte de vedere si opinii asupra unui anumit subiect (chiar daca acestea par a fi contradictorii). Asadar, erorile si ambiguitatile nu pot fi excluse complet. Prin urmare, nu ne asumam nicio responsabilitate pentru actualitatea, acuratetea, caracterul complet sau calitatea informatiilor furnizate. Utilizatorii folosesc continutul acestui site pe propriul risc.