Ce este antimateria?

Antimateria a fost una dintre cele mai interesante descoperiri ale fizicii în secolul 20. Puţină lume ştie însă că în fiecare zi se generează antimaterie şi că, mai mult decât atât, cercetările privind antimateria ne ajută să înțelegem modul în care funcționează Universul.

Antimateria este compusă din așa-numitele antiparticule. Se crede că pentru fiecare particulă de materie pe care o cunoaștem există o particulă companion de antimaterie, o particulă care este practic identică cu cea din materie obişnuită, dar cu o sarcină electrică opusă. De exemplu, un electron are o sarcină electrică negativă. Antiparticula sa, numită pozitron, are aceeași masă, dar o sarcină electrică pozitivă. Atunci când o particulă de materie se întâlnește cu propria sa antiparticulă, acestea se anihilează reciproc şi se generează fotoni.

Particulele de antimaterie au fost prezise pentru prima dată de fizicianul britanic Paul Dirac, atunci când acesta a încercat să combine teoria relativității cu ecuaţiile din mecanica cuantică care descriu comportamentul electronilor. Anterior, oamenii de știință s-au confruntat cu predicţia teoretică conform căreia particulele de materie ar putea avea o energie mai mică decât energia lor de „repaus”. Acest lucru părea imposibil la momentul respectiv, rezultând de aici că energia particulei ar putea fi negativă.

Cu toate acestea, Dirac a acceptat rezultatele ecuațiilor sale. El şi-a imaginat că toate nivelele energetice „normale” corespund particulelor „normale”. Cu toate acestea, atunci când o particulă ajunge pe un nivel energetic superior, ea ne apare ca o particulă normală care este însoţită de o particulă de antimaterie.

În ciuda scepticismului inițial, s-au descoperit exemple ale acestor perechi de particule-antiparticule. De exemplu, acestea sunt produse atunci când razele cosmice lovesc atmosfera Pământului. Există chiar dovezi că energia furtunilor produce antielectroni, adică pozitroni. Aceste particule sunt produse, de asemenea, în unele dezintegrări radioactive. Procesul de dezintegrare radioactivă este utilizat în spitale în tomografia cu emisie de pozitroni (PET-Positron Emission Tomography) care asigură o imagistică exactă a interiorului corpului uman.

Există dovezi că antimateria este produsă în timpul furtunilor. Credit: Thomas Bresson/Flickr, CC BY-SA

În experimentele din cadrul Large Hadron Collider (LHC) se poate produce, de asemenea, materie şi antimaterie.

Misterul materie-antimaterie

Fizica prezice că în timpul Big Bang-ului s-a generat o cantitate egală de materie și antimaterie. Mai mult decât atât, se prevede că legile fizicii ar trebui să se păstreze în cazul în care o particulă este înlocuită cu antiparticula ei, o relație cunoscută sub numele de simetria CP. Cu toate acestea, Universul nu pare să se supună acestor reguli. El este format aproape în întregime din materie, așa încât unde este toată antimateria? Acesta este unul dintre cele mai mari mistere din fizică.

În cadrul CERN se desfăşoară şi experimentul ALPHA. Credit: Mikkel D. Lund/wikimeda, CC BY-SA

Experimentele au arătat că în unele procese de dezintegrare radioactivă nu se generează o cantitate egală de materie şi antimaterie. Cu toate acestea, această constatare nu este suficientă pentru a explica discrepanţa dintre cantitatea de materie și de antimaterie din Univers. În consecință, fizicienii de la LHC, în cadrul experimentelor ATLAS, CMS şi LHCb, dar şi alți fizicieni care studiază neutrinii, în cadrul experimentului T2K din Japonia, caută alte procese care ar putea explica misterul materie-antimaterie.

Alţi fizicieni, cum ar fi cei implicaţi în colaborarea ALPHA de la CERN, verifică dacă particulele de antimaterie au într-adevăr proprietăţi simetrice faţă de particulele de materie. Cele mai recente rezultate arată că un atom de antihidrogen (format dintr-un antiproton și un antielectron, sau pozitron) este neutru din punct de vedere electric cu o precizie mai mică de o miliardime din sarcina electronului. Alături de alte măsurători, acest lucru implică faptul că pozitronul are o sarcină electrică egală cu a electronului, dar de semn schimbat, cu o precizie mai bună de o parte dintr-un miliard. Acest rezultat confirmă aşteptările cu privire la proprietăţile antimateriei.

Cu toate acestea, mai există mistere la care încă nu avem un răspuns. Oamenii de ştiinţă încearcă să verifice în cadrul experimentelor dacă efectul gravitației asupra antimateriei este identic cu cel asupra materiei. În cazul în care aceste simetrii sunt încălcate, atunci va fi necesară o revizuire fundamentală a fizicii care va afecta nu numai fizica particulelor, ci și înțelegerea noastră asupra gravitației și a relativității.

În acest fel, experimentele cu antimaterie vor testa actualele cunoştinţe cu privire la mecanismele fundamentale de funcţionare ale Universului. Cine știe ce vom găsi?

Traducere şi adaptare după Explainer: what is antimatter?