Antimateria

Wikipedia
Ohjattu sivulta Antihiukkanen
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Vedyn ja antivedyn rakenne

Antimateria eli antiaine on ainetta, joka koostuu antihiukkasista. Antihiukkasella on tavalliseen hiukkaseen nähden vastakkainen sähkövaraus ja muut hiukkasfysikaaliset kvanttiluvut. Esimerkiksi normaali vetyatomi koostuu protonista ja sitä kiertävästä elektronista, kun taas antivety koostuu negatiivisesti varautuneesta antiprotonista ja positiivisesti varautuneesta positronista.

Joutuessaan kosketuksiin normaalin hiukkasen kanssa sekä antihiukkanen että hiukkanen tuhoutuvat annihilaationa tunnetussa reaktiossa ja molempien hiukkasten energiat vapautuvat sähkömagneettisena säteilynä. Annihilaatiossa vapautuva energia voidaan laskea kaavalla E=mc².

Koska valonnopeus, c, on hyvin suuri (299 792 458 m/s), vapauttaa pienikin määrä antimateriaa annihiloituessaan varsin paljon energiaa. Kun gramma antimateriaa ja gramma tavallista materiaa annihiloituvat, vapautuu säteilynä {\rm\ E}=0{,}002 {\rm\ kg} \cdot (299 792 458 {\rm\ m/s})^2 \approx 1{,}7975\cdot 10^{14} {\rm\ J} eli noin 180 terajoulea energiaa. Vertailun vuoksi Hiroshimaan pudotetussa atomipommissa vapautui "vain" 84 TJ (terajoulea) energiaa, eli, kun 1 gramma antimateriaa ja 1 gramma materiaa kohtaavat, vapautuu energiaa yli kaksinkertainen määrä Hiroshiman atomipommiin verrattuna.[1]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Työskenneltyään relativistisen kvanttimekaniikan parissa vuonna 1928 Paul Dirac oivalsi, että antimateriaa täytyy olla olemassa. Ensimmäinen havaittu antihiukkanen oli elektronin antihiukkanen, positroni. Sen löysi Carl David Anderson vuonna 1932. Antiprotoni havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1955 ja antimateriaa onnistuttiin valmistamaan vuonna 1995 antivetynä ja antideuteriumina.[2] Vaikka antimateriasta saatiin ensimmäisiä viitteitä 1920-luvulla, oli sen olemassaolosta spekuloitu jo aiemmin. Muun muassa brittifyysikko Arthur Schuster spekuloi kokonaisten antimateriasta koostuvien aurinkokuntien olemassaolosta ja vuonna 1898 hän otti käyttöön termit "antimateria" ja "antiatomi".[3]

Fyysikot ovat arvelleet, että maapallon magneettikenttä vangitsee avaruuden antimateriahiukkasia. Niinpä vuonna 2011 tiedelehti Astrophysical Journal Letters kertoi satelliittimittauksiin perustuen, että maapalloa ympäröivälle ohuelle vyöhykkeelle on kertynyt paljon antimateriahiukkasia.[4] Tämä osoitettiin, kun antimateriaa onnistuttiin löytämään Van Allenin vyöhykkeiltä, varsinkin ns. Etelä-Atlantin anomalian alueelta. Löytö mahdollistaa ehkä antimaterian hyödyntämisen avaruusmatkailussa.[5]

Valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Antiprotoneja valmistetaan hiukkaskiihdyttimessä kiihdyttämällä vetyioneja, eli protoneja, lähes valonnopeuteen ja törmäyttämällä esteeseen (yleensä kuparilevyyn tai iridiumiin), jolloin syntyy tavallisten hiukkasten lisäksi antiprotoneja. Antiprotonit ohjataan erilleen protoneista magneettien avulla ja ohjataan magneettikentillä varastorenkaaseen, jossa niitä hidastetaan edelleen magneetein. Osa antiprotoneista tuhoutuu matkalla. Antiprotoneja voidaan käyttää tämän jälkeen antivedyn muodostamista tai muuta tutkimuskäyttöä varten.[2]

Positronien valmistaminen on paljon helpompaa. Niitä saadaan beeta+-hajoamisen (Positroniemissio) tuloksena, esimerkiksi ²²Na:sta.[6] ja ne ohjataan talteen samoin kuin antiprotonit.[2]

Antivetyä on vielä hankalampaa valmistaa kuin yksittäisiä hiukkasia (antiprotoneja ja positroneja). Antivetyä saadaan aikaan ohjaamalla antiprotonit ja positronit samaan tilaan oikeissa olosuhteissa (noin −258 °C:n lämpötilassa). Antivety kuitenkin annihiloituu melkein heti ja se havaitaan sen annihiloitumisesta syntyvästä gammasäteilystä.[7]

Antimateriaa valmistetaan hiukkaskiihdyttimissä tutkimuskäyttöön 1–10 nanogrammaa (gramman miljardisosaa) vuodessa. On myöskin arvioitu että yhden antimateriagramman hinta olisi noin 25 miljardia dollaria vuonna 2013. Tästä johtuen sen valmistaminen ei ole edullista nykyisillä hiukkaskiihdyttimillä. Tulevaisuuden energianlähteenä antimateria on kuitenkin kiistaton. Antimaterian sovellukset ovat välttämättömiä esimerkiksi tähtienvälisiin avaruuslentoihin, joissa kemialliset polttoaineet eivät luonteensa puolesta sovellu pidemmän tähtäimen suunnitelmiin.

Varastointi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Antimaterian varastointi on hankalaa, koska se pitäisi tehdä tilassa, jossa ei olisi lainkaan tavallista materiaa. Antiprotonien ja positronien varastointi on kuitenkin mahdollista magneeteilla varustetussa tyhjiössä ns. magneettiloukussa[8], jossa magneettikenttä pitää antimaterian tyhjiökammiossa, matalassa lämpötilassa, eikä päästä sitä kosketuksiin kammion reunojen kanssa.

Antiainepareja[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Elektroni ja positroni eroavat toisistaan sähkövarauksen suhteen.
  • Esimerkiksi protoni eroaa antiprotonista sekä sähkövarauksen että baryoniluvun suhteen.
  • Neutronilla ja antineutronilla on vastakkainen baryoniluku, mutta molempien sähkövaraus on nolla.
  • Elektronin neutriino ja antineutriino ovat toistensa antihiukkasia, vaikka niillä on sama sähkövaraus = 0. Sen sijaan niiden leptoniluku on vastakkainen +1 tai -1.
  • Myonin neutriinolla ja antineutriinolla on niin ikään vastakkaiset leptoniluvut, mutta tämä ei ole sama leptoniluku kuin elektroneilla ja niiden neutriinoilla.[9]
  • Taun neutriinon ja antineutriinon omat leptoniluvut ovat niin ikään vastakkaiset.

Useahkosti kuultu väite antimaterian negatiivisesta massasta ei pidä paikkaansa. Massa on energian ilmenemismuoto.

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hahmotelma mahdollisesta tulevaisuuden antimaterialla kulkevasta avaruusaluksesta.

Positroneja käytetään tällä hetkellä sekä lääketieteessä PET-kuvauslaitteissa että tutkimuskäytössä esimerkiksi CERNissä ja Fermilabissa.

CERNissä vuonna 2004 antimaterian valmistaminen muutaman pikogramman verran maksoi 20 miljoonaa yhdysvaltain dollaria, josta suuri osa kului energian tuotantoon. Tällä hetkellä myös antimaterian valmistukseen kuluvan energian määrä on suurempi kuin mitä siitä annihiloituessa purkautuu. Valmistamiskustannukset ovat korkeammat kuin antimateriasta saatava hyöty, eikä sen käyttäminen energianlähteenä olisi nykytekniikalla kannattavaa.

Tulevaisuudessa antimateriaa voitaisiin käyttää esimerkiksi fotonirakettien polttoaineena erityisesti avaruusaluksissa ja mahdollisesti lentokoneissa. Antimaterian käyttö toisi suuren harppauksen avaruusalusten polttoainetekniikkaan,[10] koska se vapauttaa niin suuren määrän energiaa annihiloituessaan. Antimaterian tehokkaasta käytöstä polttoaineena ollaan kuitenkin vielä kaukana.lähde?

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. CERN: Angels And Demons
  2. a b c http://www.kuninkaantie.espoo.fi/cern/Antimateria.htm (Lukiotasoinen tutkielma)
  3. Helge Kragh: Kvanttisukupolvet, s. 23. Terra Cognita, 2002. ISBN 952-5202-53-4.
  4. YLE:n radiouutiset, 7. elokuuta 2011 klo 18
  5. Satelliittihavainto: Maapalloa ympäröi antimateriavyö Yle.fi Uutiset 7.8.2011. Viitattu 12.8.2011.
  6. http://www.nurmonlukio.fi/cern/Antimateria.doc
  7. http://www.phnet.fi/koulutus/hollola/lukio/projekti/cern/tekstii/antimateria.rtf
  8. http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/FAQ.html
  9. Matts Roos: ”4. Heikot vuorovaikutukset”, Alkeishiukkasten maailma kvarkeista aikojen alkuun, s. 126. Helsinki: Suomen Fyysikkoseura, Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 1981. ISBN 951-9269-13-4.
  10. Yrjö Karilas: ”Avaruusmatkailu (kirj. Matti Kajantie)”, Pikku Jättiläinen, 19. painos, s. 733-734. WSOY, 1964.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]