Érdekességek az antianyagról

Az antianyag köztünk van
Az antianyag korántsem fikció, s nincs is tőlünk olyan messze. Az elektronok és a kvarkok „ellenrészecskéi” – pozitronok és antikvarkok – szüntelenül termelődnek felettünk, alattunk.

Akár tetszik, akár nem - körül vagyunk véve az antianyaggal. A légkörben, 15 kilométernyi magasságban atommagok állandó űrsugárzásnak vannak kitéve. Ilyen - hatalmas energiát hordozó - űr-lövedékkel eltalált atommagok szétesnek, minek következtében néha mezonok jönnek létre, azaz részecskék, amik egy kvarkból és egy anti-kvarkból állnak. Mezonok nem hosszú életűek (legfeljebb 10^–17, maximum 10^–8másodpercig léteznek), de időnként sikerül elérniük a Föld felszínét. Ezt annak köszönhetik, hogy gyorsan mozognak – sebességük megközelíti a fénysebességet. Tudvalevő, hogy akkora lendülettel mozgó objektumok részére az idő lassabban múlik, mint nekünk. Tehát a lassan járó „belső órájuknak” köszönhetően a mezonok megteszik ezt a tízen-párezer kilométert, mielőtt megsemmisülnek.

Antianyag a talpunk alatt is keletkezik. A Föld-kéreg számos radioaktív anyagot tartalmaz. Némelyik bomlási folyamata pedig az elektron ellenrészecskéit, pozitronokat hoz létre.

Az ellenrészecskéket a rendes anyagtól az elektromos töltés ellenkező előjele és az ún. kvántumszámok különböztetik meg.

Aranynál is értékesebb
Az antianyag értékes. Nagyon értékes. Párszáz billiószor értékesebb az aranynál. Az oka egyszerű: kevéske antianyag megtermeléséhez hatalmas berendezések szükségeltetik, amelyek óriási mennyiségű energiát használnak fel ahhoz, hogy ütköztessék az előzőleg nagy sebességre felgyorsított rendes részecskéket.

Az 1 g antianyag létrehozásának költségét dollár billiárdaira becsülik. Sőt, az árcsökkenés sem várható egyhamar. Bár azóta, mióta 1955-ben sikerült létesíteni az első antirészecskét – az antiprotont –, évről évre gyors tempóban növekszik az elnyert antianyag mennyisége, éves szinten mégiscsak még mindig nanogrammokban (10^–9 g) számolható a termelése.

Amennyiben tehát birtokodban van, ill. örökölted a mezonok vagy a pozitronok kevéskét – tarts meg! Kiváló pénzbefektetés.

Nem mindig veszélyes.
A könyvek és a filmek tökéletes robbanószerként tüntetik fel az antianyagot. Tény, hogy jobb robbanóanyagot keresve sem találnánk, mivel rendes anyaggal találkozva megsemmisül mindkettő, annihiláció következik be és energia szabadul fel. Ezen energia mennyisége könnyen kiszámítható a közkedvelt tömeg-energia ekvivalencia (E= mc²) alapján, miszerint emergia (E) megegyezik a tömeg (m) és a fénysebesség (c) négyzetének szorzatával. Mivel pedig a fénysebesség nem kicsi, azért az energia sem lesz az: 1 kg rendes anyag és 1 kg antianyag találkozásának eredményeként annyi energia szabadul fel, mint 47 millió tonna TNT robbantásánál.

Az antianyag nem mindig ennyire veszélyes. Végül is csak némelyik fajtája képes lenne galibát okozni a mi világunkban. Az anyag összes részecskének van saját ellenrészecskéje, és kizárólag az egymásnak megfelelő pár találkozása annihilációba torkollna. Az egész világunk protonokból, neutronokból, elektronokból és fotonokból áll. Esetleges megsemmisüléshez az kellene, hogy egyes protonok, neutronok vagy elektronok saját antirészacskéjére akadjanak. Fotonra nem vonatkozik ez, mivel – ha furcsa is, de így van – a foton egyben saját magának ellenrészecskeje is és semmiféle annihilációban nem érdekelt.
Az antianyag összes többi eleme, amely a mi rendes részecskénknek nem anti-partnere, nyugadtan létezhetne mindenféle kockázat nélkül.

Részt vesz a gyógyításban
Nehéz elképzelni, de az egyik legmodernebb diagnosztikai eljárásban már használják az antianyagot. PozitronEmissziós Tomográfról (PET) van szó, melynek segítségével korai stádiumban felismerhetők és lokalizálhatók a szervezetben azok a sejtek, amelyekben a biokémiai történések a normálistól eltérőek.
Az eljárás során élő vizsgálati alanyba (általában a vérkeringésbe) egy olyan, metabolikusan aktív molekulával kémiailag kombinált rövid élettartamú radioaktív tracer (nyomjelző) izotópot fecskendeznek, amely pozitron emittálásával bomlik. Ezt követi egy várakozási periódus, melynek során a metabolikusanaktív molekula (általában egy szénhidrát) feldúsul az érdeklődés tárgyát képező szövetben, majd a vizsgálati alanyt behelyezik a képalkotó szkennerbe. A rövid felezési idejű izotóp pozitron kibocsátása mellett lebomlik, majd néhány milliméter megtétele után egy elektronnal találkozva annihilálódik, két egymással ellentétes irányban mozgó gamma-fotonná alakulva át. Ezek azután a szkennelő berendezésben elhelyezett szcintillátor anyagba ütköznek, ahol fényfelvillanást hoznak létre, melyet fotonsokszorozó csövek segítségével detektálnak A technika a fotonpár szimultán vagy koincidens detektálásán alapul: azokat a fotonokat, amelyek nem párban (azaz néhány nanoszekundumon belül) érkeznek, figyelmen kívül hagyják. Annak kimérésével, hogy hová érkeznek be a gammasugarak, felvázolható kiindulási helyük a szervezetben, ezáltal téve lehetővé a test egy bizonyos része vegyület felvételének vagy biokémiai aktivitásának meghatározását.

Így pl. a rákos sejtekben, még mielőtt maga a tumor tömege észlehetővé válna, megváltoznak a biokémiai folyamatok; ezek a PET vizsgálattal felismerhetők; tehát a rosszindulatú elváltozások igen korai stádiumban kimutathatók.

De a diagnosztika az orvosi tudomány nem az egyetlen területe, ahol az antianyag felhasználásra talált. A genf melletti CERN-ben 2003 óta kísérletek folynak (Antiproton Cell Experiment) az antiprotonok hasznosításával daganatos betegségek sugárterápiájában. Kiderült ugyanis, hogy az antiproton sugárzás hatékonyabb, így rövidebb lehetne a terápia, kevésbé roncsolván az egészséges szöveteket.

Bezzeg régen micsoda antianyag volt...
A mai Világegyetem az antianyag szomorú maradványait tartalmaz. Mert még nem olyan régen, alig 13,7 milliárd évvel ezelőtt az antianyag csaknem olyan általános volt, mint a rendes anyag. Tény – nem sokáig. Épphogy 15 másodpercig. Közvetlenül az Ősrobbanás után a Világegyetem csupán sugárzásból állt. Kvarkjai azonnal párokba rendeződtek: részecske antirészecskével. Amikor a hő egy kicsit mérséklődött, elkezdődött a nagy annihiláció: részecskék, antirészecskék semmisültek meg. Újra sugárzás lett belőlük. Ha akkor minden rendben zajlik: sugárzásnál ma nincs más, mert az Univerzum első 15 másodpercében az egész tömeg energiává alakult volna át.
Hanem valami történt: milliárdnyi részecskéből egyik nem talált anti-partnerét. A többiek vígan annihiláltak, egyedül ő maradt magányos és szomorú... A Nagy Megsemmisülés végén ott volt a rengeteg energia és a korábbi anyag egymilliárd-része. Most nézd meg a kezedet: ez az. Ebből az egymilliárd-részből lett a kezed is, az egész Világegyetem!

Miért történt mindez? Nem tudhatjuk: mai napig ez a fizika legnagyobb rejtélye. Megoldásához talán közelebb visz bennünket nagy hadron ütköztető - a világ legnagyobb részecskegyorsítója -, mely a Genf melletti nemzetközi kutatóközpontban a CERN-ben található. Az intézet egyik kutató programja (LHCb) éppen azt hivatott regisztrálni, mik a különbségek a rendes anyag és az antianyag között.

Még mindig kevés
Az antianyag hatalmas energia hordozó. Nagyszerű üzemanyag lenne belőle. Szinte tökéletes, mivel az egész tömegét energiává alakítaná át. 10 milliárdszor hatékonyabb lenne, mint a benzin. Becslések szerint egy gramm egymilliárd-része elegendő energiát biztosítaná egy évig tartó űrutazáshoz, pl. a Marsra.

Csodás gondolat, de még mindig nem tudjuk másképp előállítani az antianyagot, mint a költséges részecske-gyorsítás és -ütköztetés. Hasonló „gyárak” borzalmasan drágák lennének, hatékonyságuk pedig siralmas. Márpedig az eddig legyártott összes antianyag mennyiségének annihilizálása nem több energiát termelne, amely az egyetlenegy égő pár percnyi világításához szükséges.
Ráadásul gyártás mellett raktározási gondjaink is vannak. Egyelőre Penning-csapdának nevezett berendezést alkalmazzák az antianyag tárolására, amely erős elektromos és mágneses térben ejti foglyul az ellenrészecskéket. Probléma viszont az, hogy zsúfoltság esetén ezen részecskék mégiscsak megszöknek. Így jelenleg csak pár órán keresztül egészen elenyésző mennyiségű antianyagot képesek vagyunk tárolni.