Fyysikoilla on vihdoin mahdollisuus selvittää, käyttäytyvätkö antiaineen atomit eri tavalla kuin meille tutun, tavallisen aineen atomit. Jos eroja löytyy, perusteoriat tutisevat.


Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Fyysikoilla on vihdoin mahdollisuus selvittää, käyttäytyvätkö
antiaineen atomit eri tavalla kuin meille tutun, tavallisen
aineen atomit. Jos eroja löytyy, perusteoriat tutisevat.

Julkaistu Tiede-lehdessä

5/2001

Vastasyntynyt kosmos oli heti alkuräjähdyksen jälkeen kuuma ja energeettinen paikka. Energiasta muodostui materiaa: aine- ja antiainehiukkaspareja. Antiainetta muodostui siis yhtä paljon kuin ainettakin.

Hiukkasten ominaisuuksia nykyisin kuvaavan standardimallin mukaan antiaine on aineen peilikuva: hiukkasilla ja antihiukkasilla on sama massa, mutta muut ominaisuudet, kuten sähkövaraus, ovat vastakkaismerkkisiä. Tämän takia hiukkasten ja antihiukkasten olisi pitänyt tuhota toisensa ja muuttua säteilyksi, niin että maailmankaikkeudessa pitäisi olla nyt pelkkää säteilyä.

Sen sijaan täällä olemme me ja paljon muuta ainetta. Mitä tapahtui?

Vastaukseksi kelpaisi se, että aine ja antiaine eivät olekaan toistensa peilikuvia. Mittauksissa esimerkiksi K-mesonin ja sen antihiukkasen käyttäytymisessä jopa näkyy pieni ero. Toistaiseksi ei kuitenkaan ole teoriaa, josta voitaisiin laskea, riittääkö se selittämään aineesta rakentuvan ympäristömme.

Toisaalta on mahdollista, että aine ja antiaine ajautuivat jostakin syystä erilleen, joten jossakin päin kosmosta olisi antigalakseista muodostunut antimaailma. Tämä on toistaiseksi käypä selitys kosmoksen alussa muodostuneiden antihiukkasten puuttumiselle, joten tähtitieteilijät suhtautuvat antimaailmoihin vakavasti.

Antimateriatehdas käynnistyy

Atomien ja antiatomien tulisi standardimallin mukaan myös säteillä samalla tavalla, joten antigalaksien ja galaksien ei oleteta erottuvan toisistaan niistä tulevan valon perusteella.

Sen sijaan antiaineesta muodostuneista antitähdistä voisi ajautua tänne asti antiatomeja. Vuonna 2002 kansainväliselle avaruusasemalle lennätettävä AMS -laite (AntiMatter Spectrometer) yrittää havaita näitä antiatomeja. Nobel-fyysikko Samuel Tingin johtamaan hankkeeseen osallistuu myös turkulaisia ja helsinkiläisiä fyysikoita (ks. Tiede 2000 4/97, s. 32-37).

Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa Cernissä puolestaan aloitti huhtikuussa toimintansa Antiproton Decelerator eli AD, joka mahdollistaa antiatomin vangitsemisen ja sen säteilyn tutkimisen. AD:hen liittyvillä hankkeilla pystytään ensimmäistä kertaa mittaamaan, miten hyvin hiukkasten standardimalli pitää paikkansa. Jos vedyn ja antivedyn säteily on erilaista, alussa muodostuneen antiaineen häviäminen voi olla helppo selittää, eikä kukaan jäisi kaipaamaan antimaailmoja.

Luonto tuottaa antiainetta

Antihiukkaset ovat kuuluneet fyysikoiden arkeen jo kymmeniä vuosia, mutta antiatomeja on onnistuttu valmistamaan vain silmänräpäykseksi.

Antihiukkasten tuottaminen ei ole vaikeaa. Tietyt radioaktiiviset aineet synnyttävät niitä hajotessaan, ja niitä syntyy myös kaikkialla, missä hiukkaset törmäävät toisiinsa kovaa vauhtia - niin luonnossa kuin laboratorioissa.

Kun atomeja pommitetaan hiukkaskiihdyttimissä energeettisillä elektroneilla, osa törmäyksen energiasta muuttuu elektroni-positroni-pariksi. Positroni on elektronin antihiukkanen, antielektroni. Protoneja törmäyttämällä syntyy puolestaan protoni-antiprotoni-pareja.

Hiukkaset valjastetaan atomeiksi

Antiprotonien ja positronien yhdistäminen antivedyksi on vaikeaa, sillä törmäyksissä valmistuneet antiprotonit kiitävät niin hurjaa vauhtia, etteivät ne jää hengailemaan positronien kanssa.

AD:n tarkoitus on jarruttaa valmistuvia antiprotoneja niin, että ne saadaan yhdistettyä positronien kanssa. Muodostuva antivety voidaan vangita tutkittavaksi. Hankkeen suurin rahoittaja on Japani. Siihen osallistuvat myös Saksa, Italia, Tanska ja Puola.

 AD:hen on jo johdettu ensimmäiset antiprotonit, jotka tuotetaan iskemällä Proton Synchrotron -nimisessä kiihdyttimessä protonisuihkulla iridiumia. Antiprotonit jarrutettiin aiemmin kolmessa eri laitteessa. Nyt ne syötetään suoraan AD:n 188 metriä pitkään säilytysrenkaaseen, jossa ne hidastetaan. Kun antiprotonien vauhti on pienentynyt alkuperäisestä lähes valon nopeudesta kymmenenteen osaan, ne ohjataan seuraavaan vaiheeseen.

Hidastetut antiprotonit yritetään yhyttää natrium-22:n hajoamisissa muodostuneiden positronien kanssa antivedyksi. Yritykseen osallistuu kaksi kansainvälistä projektia, ATHENA (Antihydrogen Apparatus, antivetylaite) ja ATRAP (Antihydrogen Trap, antivetyloukku).

Kun antiatomi on saatu aikaan ja vangittu, sen säteilyä tutkitaan virittämällä se laserilla tiettyyn energiatilaan. Viritystilan lauetessa syntyy valonsäde, jonka aallonpituus mitataan epäsuorasti toisella laserilla, ja tulosta verrataan siihen aallonpituuteen, joka saadaan tavallisen aineen vedystä.

Antigalaksit sinnittelevät

Tutkijat eivät vielä uskalla ennustaa, milloin ensimmäiset antivetyatomit valmistuvat, milloin päästään tutkimaan antivedyn säteilyä.

Jos antiaine tosiaan säteilee eri tavalla kuin aine, modernilta fysiikalta putoaa teoreettinen pohja, joten on lähes mahdotonta ennustaa, mitä havainnosta seuraisi.

Saman viritystilan tuottama, aallonpituudeltaan erilainen säteily voisi tarkoittaa, ettei aineen käyttäytymisen hyvin selittävä ja antihiukkaset ennustanut kvanttifysiikka päde antihiukkasilla. Samalla se voisi merkitä myös sitä, että antihiukkasten muutkin ominaisuudet, kuten massa, eroavat hiukkasten vastaavista. Näin alkuräjähdyksessä muodostuneen antiaineen katoaminen selittyisi: aineen ja antiaineen kohdatessa jäljelle jäi vain sitä ainetta, jota nyt kutsumme tavalliseksi, eikä antimaailmoja enää tarvittaisi alun mysteerin ratkaisemiseksi.

Antivetymittauksista saatavat tulokset voivat siis olla monelta kannalta vallankumouksellisia, mutta ne voivat yhtä hyvin myös vahvistaa nykyisiä teorioita, joten vielä ei ole syytä antimaailmojenkaan hylkäämiseen. Ja onhan toki mahdollista, että säteilyn erilaisuus ei todistaisikaan antiaineen häviämisestä, vaan säteily muodostuisi uudeksi tavaksi jäljittää antimaailmoja.

Muodostuu linnunradassakin

Antiaine liitetään helposti tieteiskirjallisuuteen, mutta sitä muodostuu jatkuvasti erilaisissa törmäyksissä. Antihiukkasia on löytynyt myös Linnunradan keskusalueilta, joissa syntyvien tähtien kiivaat tähtituulet ja supernovina räjähtelevät tähtivanhukset vauhdittavat hiukkasia aiheuttaen rajuja törmäyksiä.

Myös osa jättiläismäiseen mustaan aukkoon kiertyvästä kaasusta saa niin suuren vauhdin, että törmäyksissä syntyy antiainetta esimerkiksi kvasaarin suihkuihin.

Katoaminen paljastaa

  Esimerkiksi elektronin ja positronin törmätessä toisiinsa muodostuu kaksi gammakvanttia, joiden 511 kiloelektronivoltin energia näkyy tarkalleen tietylle taajuudelle keskittyneenä viivana.

Antiaineen historia

• 1931 Paul Dirac ennusti antielektronin eli positronin olemassaolon.


• 1932 positronit havaittiin. Niitä syntyy hurjaa vauhtia kiitävien kosmisten säteiden törmätessä ilmakehän molekyyleihin.


• 1955 hiukkaskiihdyttimissä syntyi antiprotoneja.


  antineutroneja.


• 1965 valmistui antideuteriumydin, joka muodostuu antiprotonista ja antineutronista.


  silmänräpäyksen.


• 1996 Fermilabissa valmistui 12 lyhytikäistä antivetyatomia.

Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja. Tällä palstalla hän taustoittaa tähtitieteen uutistapahtumia.

Lisää antiaineesta


livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/index.html

Sisältö jatkuu mainoksen alla