Antimateria
Från Rilpedia
Antimateria är motsatsen till den vanliga materia, som vår galax och troligen mer därtill består av (i detta sammanhang ibland kallad koinomateria för distinktionens skull). Det finns en antipartikel för varje vanlig partikel: till exempel protoner–antiprotoner, neutroner–antineutroner och elektroner–positroner. Vissa partiklar är sina egna antipartiklar, till exempel fotoner och Z-bosoner.
Innehåll |
Teoretisk bakgrund
Enligt standardmodellen, den gängse grundläggande beskrivningen av universum, finns tolv olika typer av materiapartiklar och fyra (kända) kraftbärande partiklar. Till dessa materiapartiklar och kraftbärande partiklar kopplas deras spegelbilder med avseende på vissa symmetrier. Till exempel har en antipartikel samma storlek på sin elektriska laddning som sin motsvarande partikel, men med omvänt tecken. I övrigt tror man att en partikel och motsvarande antipartikel är lika. Om olikheter finns mellan partiklar och antipartiklar kan detta påvisa vissa symmetribrott, till exempel CPT (charge conjugation, parity, time reversal, ”laddningskonjugering, paritet, tidsreversering”). Detta skulle i sin tur påvisa att de gängse fysikaliska teorierna har inneboende fel vad gäller fundamentala teoriers (som speciella relativitetsteorin) giltighet.
Enligt kvantfältteori skapas partiklar och deras motparter konstant hela tiden. Detta påverkar vår beskrivning av vakuum på ett direkt sätt. Något vakuum i klassisk mening finns sålunda inte, då det hela tiden skapas partikelpar. Livslängden för dessa par av partiklar och antipartiklar är dock mycket kort och bestäms av Heisenbergs obestämdhetsrelation i formeln
vilket betyder att energi kan lånas från ingenting under en kort tidsrymd.
Einsteins formel E=mc² (Energi = massa * ljusets hastighet i kvadrat) säger att det finns enorma mängder energi i massa; massa är en form av energi. En del av denna energi utvinns i dagens kärnkraftverk, genom att helt enkelt klyva atomer. Det finns dock teoretiskt mer effektiva sätt. När t ex anti-elektroner och elektroner kolliderar annihileras dessa och all massenergi omvandlas till rörelseenergi för fotoner. 100 % av massan blir alltså energi.
Historisk bakgrund och laboratorieresultat
Antipartiklar postulerades först av Paul Dirac 1928, när han formulerade om Schrödingers vågekvation för att göra denna Lorentzinvariant. Dirac fann att då speciella relativitetsteorin och schrödingerekvationen stöptes samman uppstod två ekvivalenta lösningar så när som på ett minustecken. Dirac tolkade då den negativa lösningen som bevis för antipartiklar. Elektronens antipartikel påvisades några år senare av amerikanen Carl D Anderson.
Länge såg man antimateria som något rent teoretiskt, men med Andersons upptäckt 1932 av positronen kom första beviset för att antimateria verkligen existerade. En positron är en elektron med motsatt laddning (det vill säga positiv). Antiprotonen och antineutronen upptäcktes 1955 av Emilio Segrè och Owen Chamberlain. Efter dessa upptäckter har existensen av antimateria verifierats mycket övertygande och produktionen av antimateria är idag något som rutinmässigt görs i till exempel partikelacceleratorer.
I CERN pågår experiment för att undersöka om en väteatom (en proton och en elektron) och dess antipartikel (en antiproton och en antielektron) har samma spektrum. Man lyckades 1995 producera ett tiotal antiväteatomer. Dessa existerade endast i 40 nanosekunder, vilket beror på att antimateria och materia annihilerar varandra när de får kontakt. Man kan alltså inte förvara antimateria på grund av detta, eftersom det inte får ha någon kontakt med materia alls. Det har forskargruppen på CERN löst genom att förvara antivätet svävande i en fälla av magnetfält och elektriska fält. Man har efter detta producerat stora mängder antiväte, och man vill undersöka dessa antiatomers spektrum för att se om de, som teorin förutsäger, har exakt samma spektrum.
Kosmologisk antimateria
Förmodligen bildades lika mycket antimateria som materia vid den förmenta Big Bang, varefter det mesta av materian och antimaterian kolliderade och annihilerade varandra. Det måste dock ha funnits en mycket liten asymmetri, d v s det måste ha funnits en aning mer materia än antimateria. Det är denna materia som är den materia vi idag kan se i universum. Om detta hade Klein-Alfvéns kosmologi en annan uppfattning. Frågan har förbryllat forskare länge, och är något som man fortfarande inte löst på ett tillfredsställande sätt.
Antipartiklar bildas varhelst i kosmos närhelst en kollision inträffar mellan högenergetiska partiklar. Detta händer i vår atmosfär, när kraftig kosmisk strålning tränger in. Man är inte säker på om antimateria i övrigt finns "naturligt" i universum. Om det fanns antimateria i någon region i universum, skulle man se resultatet genom intensiv strålning från annihilationer vid gränsen av antimateriaregionen, men någon sådan strålning har man ännu inte observerat vid genomförda ballongförsök. 1977 trodde man sig ha funnit ett moln av antimateria i Vintergatans mitt, men detta är inte verifierat.
Experimentell översikt
Hittills utförda mätningar på utomjordiska källor har genomförts med stratosfärballonger i polartrakterna, som för upp sin nyttolast i form av detektorer till sådan höjd att observationer blir meningsfulla:
- 1994 CAPRI CE (Cosmic AntParticle Ring Imaging Experiment)
- 1993 BESS (Balloon-borne Experiment with Superconducting Spectrometer)
- 2004 BESS Polar
Till dessa försök kommer nu satellitburna experiment, där arbetet med detektorerna pågått flera år före uppskjutningen:
- 2005 - 2008 AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)
- 2006 - 2009 PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) är ett internationellt samarbete om ett system av partikeldetektorer som avses placeras i en rysk Resurs DK-1 satellit. PAMELA sköts upp den 15 juni 2006 ifrån Kazakstan. Det primära målet för PAMELA är att mäta energispektra för antiprotoner och positroner i den kosmiska strålningen.
