Antymateria — odkrycie pozytonu

Co się właśnie stało?

Elektron i pozyton to para cząstka–antycząstka: mają dokładnie taką samą masę, ale przeciwny ładunek elektryczny. Gdy się spotkają, nie tworzą „większej” cząstki ani się nie odpychają — obie znikają, a cała ich masa spoczynkowa zamienia się w czystą energię promieniowania gamma.

Anihilacja pary:

— energia dwóch powstałych fotonów gamma równa jest sumie energii spoczynkowych obu cząstek (elektronu i pozytonu), bo obie znikają. Dla elektronu $mc^2 \approx 0{,}511\ \text{MeV}$, więc każdy z dwóch fotonów niesie ok. 0,511 MeV — razem 1,022 MeV.

Czym jest antymateria i skąd wiemy, że istnieje?

W 1928 roku Paul Dirac, łącząc mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności, przewidział teoretycznie istnienie „lustrzanego odbicia” zwykłej materii — cząstek o identycznej masie, lecz przeciwnym ładunku. W 1932 roku Carl Anderson, analizując tory cząstek promieniowania kosmicznego w komorze mgłowej umieszczonej w polu magnetycznym, zaobserwował ślad dodatnio naładowanej cząstki o masie elektronu. Nazwał ją pozytonem — był to pierwszy eksperymentalnie potwierdzony przykład antymaterii. Za to odkrycie Anderson otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1936 roku.

Gdzie wykorzystuje się antymaterię? Tomografia PET

Pozytony na co dzień ratują życie w diagnostyce medycznej. W tomografii PET (pozytonowej emisyjnej tomografii) pacjentowi podaje się znacznik promieniotwórczy emitujący pozytony. Każdy pozyton niemal natychmiast napotyka elektron ze zwykłej materii ciała i anihiluje z nim, emitując dwa fotony gamma po 0,511 MeV, lecące w niemal przeciwnych kierunkach. Detektory otaczające pacjenta rejestrują te pary fotonów i na tej podstawie komputer odtwarza obraz — np. miejsc o podwyższonym metabolizmie, charakterystycznych dla nowotworów.

Czemu we Wszechświecie jest tak mało antymaterii?

Zgodnie z teorią, Wielki Wybuch powinien był wyprodukować równe ilości materii i antymaterii, które wzajemnie by się zanihilowały, nie zostawiając niemal nic. Tymczasem obserwowany Wszechświat składa się niemal wyłącznie ze zwykłej materii. Ta „asymetria materia–antymateria” to jedna z wielkich niewyjaśnionych zagadek współczesnej fizyki — fizycy szukają odpowiedzi m.in. w subtelnych różnicach właściwości cząstek i antycząstek.

Po co Ci to na maturze:

E = mc² (tu w wersji dla pary: E = 2mc²) to podstawowe narzędzie zadań o przemianach jądrowych i anihilacji — zamiana masy w energię (i odwrotnie) jest jednym z filarów fizyki współczesnej na maturze rozszerzonej.

Zapamiętaj: antycząstka ma tę samą masę i przeciwny ładunek; przy spotkaniu z cząstką obie znikają, a ich masa zamienia się w energię: E = 2mc². To zasada zachowania energii w akcji.