Antimateria

EDU.fi/svenska/laromedel
Material för kurs i modern fysik
Antimateria
Hur uppkom idén om antimateria?
Hypotesen om antimateria lades fram av P.A.M. Dirac år 1928. Han formulerade då
en kvantteori om elektroners rörelse i elektriska och magnetiska fält i syfte att få
teorin att stämma överens med relativitetsteorin. Ekvationerna som han härledde
förutsatte att det skulle existera en partikel med exakt samma massa som elektronens
men med en positiv laddning. År 1932 kunde C. D. Anderson experimentellt bekräfta
existensen av denna partikel, som kom att kallas positron. En annan antipartikel –
antiprotonen – upptäcktes år 1955 vid Berkeley Bevatron (University of California).
Idag har fysikerna kunnat generalisera begreppet antipartikel till att gälla alla
fundamentala materiebeståndsdelar: Varje partikeltyp har en motsvarande antipartikeltyp. Partikeln och dess antipartikel har identiska massor och spinn. Det som
skiljer partiklar från antipartiklar är laddning och en rad olika kvanttal (baryontal,
leptontal, magnetiskt moment, etc.) som karakteriserar partiklarna. Exempel på
partikel – antipartikelpar är elektron – positron, proton – antiproton och neutron –
antineutron. Protonen har positiv laddning, medan antiprotonen har negativ
laddning. Neutronen och antineutronen, som båda saknar laddning, åtskiljs från
varandra genom att de har motsatta magnetiska moment. Emellertid finns det också
partiklar som är sina egna antipartiklar. Fotonen och den neutrala pionen är exempel
på detta.
Vad är antimateria?
Den materia som vi observerar består av atomer. Atomerna består i sin tur av
elementarpartiklar, det vill säga protoner och neutroner i en kärna och elektroner i
ett elektronmoln, som omger kärnan. Den enklaste materieatomen – väteatomen –
består av en proton i kärnan och en elektron i bana runt kärnan.
Man kan då tänka sig motsatsen, det vill säga att antimateriens beståndsdelar utgörs
av antipartiklar och att dessa bygger upp antimaterieatomer. Den enklaste antimaterieatomen skulle då bestå av en antiproton kring vilken en positron rör sig.
Ett mellanting mellan materieatomer och antimaterieatomer är positronium, som är
ett väteatomliknande bundet tillstånd mellan en positron och en elektron. Fysiker har
till och med skapat molekylärt positronium, som består av ett par elektroner och ett
par positroner. Positroniumatomer är dock mycket kortlivade.
1
EDU.fi/svenska/laromedel
Material för kurs i modern fysik
Begreppet antimateria utsträcks ofta till att gälla både antipartiklar och antimaterieatomer. Man noterar antimateria genom ett streck ovanför partikelns eller
atomens beteckning. Antiprotonen betecknas därför med , antineutron med , antiheliumisotopen
, o.s.v. Däremot betecknar man vanligen elektronens antipartikel
– positronen – med e+.
Hur skapas antipartiklar?
Antipartiklar produceras huvudsakligen vid parbildning, radioaktivt sönderfall och
partikelkollisioner i högenergiacceleratorer.
Parbildning innebär att en partikel och en matchande antipartikel skapas då en tillräckligt hög energi är tillgänglig. En positron skapas genom följande reaktion: En
gammafoton med en energi på minst 1,022 MeV kan i växelverkan med en atomkärna materialiseras till ett elektron – positronpar.
gammafoton
elektron (e-)
atomkärna
θ
θ
positron (e+)
Figur 1. Parbildning.
Vid radioaktivt +- sönderfall uppstår en positron. Na-22, som har en halveringstid på
2,6 år, sönderfaller enligt reaktionen
står då en proton i Na-kärnan sönderfaller:
. Positronen upp.
neutrino ()
positron (e+)
Figur 2. +- sönderfall av Na-22.
2
EDU.fi/svenska/laromedel
Material för kurs i modern fysik
p
n

e+
Figur 3. Protonens sönderfall.
Acceleratorproducerade antipartiklar studeras idag vid världens stora acceleratorcentra,
CERN i Schweiz, SLAC i USA, m.fl. För att skapa antiprotoner låter man protoner
med hög kinetisk energi (omkring 25 GeV) kollidera med en kompakt metallmassa
av t.ex. koppar eller wolfram. Vid kollisionen produceras en stor mängd partiklar av
vilka några är antiprotoner. Produktionseffektiviteten är låg, dels på grund av det
låga antalet antipartiklar, dels att det är endast de antiprotoner som flyger i en
bestämd riktning som kan fångas in.
Vad händer då en partikel och en antipartikel möts?
Då en partikel och en antipartikel kolliderar förintas båda, man säger att de annihileras. De båda partiklarnas vilomassor och kinetiska energi omvandlas till strålning
och i vissa fall till andra partiklar. En kollision mellan en elektron och en positron ger
upphov till två gammafotoner, vardera med energin 511 keV, enligt Einsteins
ekvation E = mc2. På motsvarande sätt annihileras en proton och en antiproton under
hög energi. Vilomassenergin (2 x 938 MeV) inklusive den kinetiska energin omvandlas vid annihilationen till elektromagnetisk strålning och i vissa reaktioner till
nya subatomära partiklar. Det var en dylik kollision, som år 1995 producerade toppkvarken i Tevatron-acceleratorn vid Fermilab i Chicago.
Kan man lagra antimateria?
Laddade antipartiklar – liksom laddade materiepartiklar – kan styras av elektriska
och magnetiska fält. Lagring av antipartiklar innebär att man efter produktionen av
de laddade antipartiklarna styr dem in i en s.k. lagringsring. Partiklarna rör sig i
denna ring med en viss hastighet kontrollerade av styrande och fokuserande
magnetfält. Man kan säga att partiklarna ”lagras i en magnetflaska”.
Antimateria i form av antiatomer är utåt sett oladdad och kan inte styras av magnetfält. Antimateria kan inte lagras på ett sätt som man traditionellt kallar lagring, det
vill säga att man placerar materian i någon form av behållare. Eftersom antimateria
och materia inte ”trivs ihop” kommer antimaterian att förintas, annihileras snabbt.
3
EDU.fi/svenska/laromedel
Material för kurs i modern fysik
Vem var de första att skapa antimateria?
Prof. Walter Oelert och hans forskningsteam skapade 1995 den första antimaterian på
jorden – nämligen antiväteatomer. I ett experiment kallat PS210 vid CERN
producerade fysikerna antiprotoner och lagrade dem i en s.k. lagringsring, LEAR
(Low Energy Antiproton Ring). Antiprotonerna fick sedan passera en tunn stråle av
xenongas vid varje varv runt LEAR, tre miljoner gånger per sekund (se figur 4). I de
fall antiprotonen passerade nära xenonkärnan uppstod parbildning sporadiskt – ett
elektron-positronpar skapades. I några fall hade positronen en hastighet som till
storlek och riktning motsvarade antiprotonens och denna lyckades därför snappa
upp positronen. En antiväteatom skapades. Eftersom antiväteatomen var neutral
kunde dess bana inte styras av magneterna utan den fick därför en rak kurs ut ur
antiprotonringen. I en NaI-detektor snappades positronen upp av en elektron och
annihilerades. Två stycken samtidiga gammafotoner med energin 511 keV
registrerades. Antiprotonen fångades upp i en magnetspektrometer. Därmed kunde
man genom mätning bekräfta att en antiväteatom hade bildats. De få antiatomerna
rörde sig med extremt hög hastighet och existerade under mycket kort tid, endast ca
40 ns. Metoden var komplicerad, men var ett genombrott för forskarna.
Xenonstråle
NaI-detektor
Magnetspektrometer
Antiprotonstråle
p
Styrmagnet
e–
e+
Xe
Neutral
LEAR
antiväteatom
Figur 4. Produktion av neutrala antiväteatomer.
Hur utvecklades antimaterieforskningen på 2000-talet?
År 2000 hade man i CERN byggt en ny apparat för att producera antiatomer, en antiproton-decelerator (AD). Dess uppgift var att producera antipartiklar och bromsa in
dem, att ”kyla ner” dem.
Metoden går ut på att accelerera protoner med hjälp av protonsynkrotronen (PS) och
skjuta in protonstrålen i metall. Kollisionsenergin räcker till för att skapa ett proton –
4
EDU.fi/svenska/laromedel
Material för kurs i modern fysik
antiprotonpar. Utbytet är dock litet, det behövs en miljon kollisioner för att
producera ett partikelpar. Antiprotonerna har emellertid hög energi och därmed hög
hastighet och sprids i alla riktningar. De är därför oanvändbara för forskarna.
Deceleratorns uppgift är att ”tämja” antiprotonerna till en stråle med låg energi. En
ring av styrande och fokuserande, supraledande magneter håller antiprotonerna i
samma bana och starka elfält bromsar in dem. En teknik som kallas ”kylning”
minskar rörelsen i sidled och sänker antiprotonernas energi. Med denna metod
sänker man på en minut antiprotonernas hastighet till ca 10 % av ljushastigheten.
Med hjälp av antiprotondeceleratorn produceras 25 – 30 miljoner antiprotoner med
energin 5 MeV i 200 nanosekunders pulser var hundrade sekund.
För att kunna producera antiväteatomer planerade forskarna ett experimentet
ATHENA (Antihydrogen Production and Precision Experiments), som kom igång år
2002. Forskarna behövde alltså de två slagen av antipartiklar, positroner och antiprotoner, för att skapa antiväte.
Metoden går ut på att framställa positroner och lagra dem i en positronackumulator.
För att lagringen ska lyckas behövs en positronmoderator, som har till uppgift att
åstadkomma en långsam positronstråle. Det går till så att en 22Na– källa producerar
genom radioaktivt + - sönderfall en kontinuerlig ström av 5 miljoner positroner per
sekund (se figur 5). Positronernas energi varierar kraftigt. Det tekniska problemet har
varit att minska positronernas hastighet. Forskning har visat att neon i fast form (vid
5 – 6 K) kan fånga in en bråkdel av de positroner som har en viss energi och ”rensa
bort” de övriga. Med denna metod kan man få en positronstråle där partiklarna i
stort sett har samma energi. Positronstrålen leds in i positronackumulatorn med
hjälp av ett starkt magnetfält. För att fånga in positronerna måste den kontinuerliga
positronstrålen ytterligare bromsas in genom kollision med gasmolekyler.
Figur 5. ATHENAs positronackumulator:
Kan hämtas från
http://alpha.web.cern.ch/alpha/Positron_accumulator.html
Det sista steget i processen är att föra samman de uppbromsade positronerna och
antiprotonerna. Antiprotonerna tas in från vänster (se figur 6, översikt av ATHENAexperimentet) medan positronerna tas in från positronackumulatorn till höger.
Partiklarna blandas och en del av partikelparen bildar antiväteatomer. Detta sker i en
kammare kallad rekombinationsfälla (Recombination Trap). Denna partikelfälla
omges av en supraledande magnet vid låg temperatur. Eftersom de neutrala antiväteatomerna inte kan lagras kommer de att förintas av den omkringliggande
5
EDU.fi/svenska/laromedel
Material för kurs i modern fysik
materien. Runt partikelfällan har man därför byggt en detektor, som registrerar
annihilationen av såväl antiprotonen som positronen.
Figur 6. Produktion och detektering av antiväte:
Kan hämtas från
http://athena-positrons.web.cern.ch/ATHENA-positrons/wwwathena/overview.html
Vad kan man göra med antimateria?
Forskning i antimateria har de senaste decennierna gett upphov till tillämpningar
som har en stor samhällelig nytta. På många sjukhus i världen använder man idag en
undersökningsmetod som kallas positronemissionstomografi (PET). Metoden
grundar sig på att man med acceleratorer kan producera radioaktiva nuklider (eller
isotoper) som sönderfaller med +, det vill säga nuklider som sänder ut positroner.
Viktiga positronemitterande nuklider är 15O, 13N, 11C och 18F. Dessa s.k. radiofarmaka
är kliniskt användbara eftersom de kan inhaleras som en gas eller ges som en
intravenös injektion. I det senare fallet måste man först märka spårämnen kemiskt
med dessa radionuklider.
Exempel. Molekylärt kväve, i vilken den ena atomen är märkt med
13
N, är mycket
användbart för kliniska studier på lungvolym, blodflöde och luftvägsblockeringar.
Isotopen 13N produceras i accelerator genom följande reaktion: 12C + d  13N + n.
En patient andas in den radioaktivt märkta kvävgasen 13NN (jfr ”vanlig” kvävgas
N2). Då isotopen
13
N sönderfaller emitterar den en positron. I lungan träffar
positronen på en elektron och annihileras. Två  - fotoner, vardera med 511 keV:s
energi, sänds ut i diametralt motsatta riktningar. Med en gammakamera kan man
därför noggrant lokalisera var i lungan radionukliden 13N finns.
Antimateria skapas vid CERN i rent forskningssyfte för att studera naturlagarna.
Frågan om symmetrin mellan materia och antimateria har länge sysselsatt fysikerna.
Då LHC-acceleratorn körs igång i september 2008 kommer forskarna vid LHCbexperimentet att studera sönderfallet av b-kvarkar och anti-b-kvarkar och jämföra
dessa. Detta väntas kasta ljus över frågan om varför universum består av materia och
inte antimateria.
Kan antimateria bli en framtida energikälla?
I science fiction-litteraturen förekommer visioner om att använda antimateria som
drivkraft i rymdfarkoster eftersom annihilation av materia och antimateria
6
EDU.fi/svenska/laromedel
Material för kurs i modern fysik
producerar oerhörda mängder energi. Låt oss göra en liten kalkyl för att se hur
realistiskt detta kunde framstå.
Enheten ton TNT är en energienhet, som används för att uttrycka sprängkraften hos
explosiva ämnen. Den energi som frigörs för att detonera ett ton av det explosiva
ämnet TNT har definierats till 4,184 GJ. Anta att 1 g materia och 1 g antimateria
annihileras fullständigt. Den totala massa som omvandlas till energi är då 2 g. Enligt
Einsteins ekvation E = mc2 frigörs då energin 0,002 kg · (3 · 108 m/s)2 ≈ 1,8 · 1014 J =
180 000 GJ. Denna energimängd motsvarar 43 kiloton TNT, vilket är dubbelt så stor
energimängd som Hiroshima-atombomben utlöste!
Den mängd antimateria som hittills har skapats på konstgjord väg i CERN är
emellertid oerhört liten. Vid CERN kan man producera ca 10 miljoner antiprotoner
per sekund. Det behövs 6,022 · 1023 antiprotoner och lika många positroner för att
skapa 1 g antiväte. Med denna produktionshastighet skulle det ta ca 6 ·10 16 s, det vill
säga knappt 2 miljarder år att få fram 1 g antiväte! Att få ett 15 watts lysrör att lysa i
en minut skulle kräva en veckas kontinuerlig produktion av antiväte! Att producera
antimateria i stor skala får nog tillsvidare betraktas som en framtidsdröm. Antimateria är dock ett intressant forskningsobjekt. Vilka spännande tillämpningar
kommer ny kunskap om denna materieform att leda till i framtiden?
Referenser
1) http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases1996/PR01.96EAntiHydr
ogen.html
2) http://public.web.cern.ch/public/en/Research/Antimatter-en.html
3) http://athena.web.cern.ch/athena/
4) http://alpha.web.cern.ch/alpha/
5) http://www.sciam.com/article.cfm?id=what-is-antimatter-2002-01-24
6) http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/antiquarks.html
7) Heselius, Sven-Johan (1986). On the accelerator production of short-lived
radionuclides. Studies of density reduction in gas targets. Academic Dissertation.
Åbo Akademi.
8) Heselius, Sven-Johan (1978). Radionuklidprojektets nuläge vid Åbo Akademis
cyclotron. Kortlivade radionuklider för lungfunktionsdiagnostik. Lääkeuutiset,
3, 77 – 83.
9) http://www.physorg.com/news108822085.html
7