Antymateria (antycząstki). Czym jest antymateria?

Obrazek: Zdjęcie pierwszego pozytonu (antyelektronu) zaobserwowanego w komorze mgłowej (komorze Wilsona)

Czym jest antymateria? Powstaje też pytanie, czy to, co fizycy nazywają antymaterią (antycząstkami), zawiera się również w przedstawionej (poprzednie wpisy) definicji materii?

Problem antymaterii został sformułowany w 1928 r. przez Paula A.M. Diraca, który przewidział istnienie tzw. antycząstek, a następnie odkrytych doświadczalnie.

Antycząstki różnią się od cząstek zwykłych znakiem ładunku elektrycznego, barionowego lub leptonowego (zazwyczaj znakiem dwóch ładunków).

Parami cząstek i antycząstek są przykładowo:

Oddziaływanie proton-antyproton o mocy 540 GeV. Zdjęcie wykonane w 1982 r. na Synchrotronie Super Proton w CERN, przy współpracy UA5.

elektron – antyelektron (pozyton)
– +
e e
neutron – antyneutron
+ –
b b
neutrino – antyneutrino
+ –
l l

Znaczy to, że pierwsza para różni się znakiem ładunku elektrycznego (e), druga – znakiem ładunku barionowego (b), a trzecia – znakiem ładunku leptonowego (l).

Łączenie cząstek z odpowiadającymi im antycząstkami powoduje zwykle przekształcenie ich w cząstki absolutnie neutralne (całkowicie obojętne), to jest cząstki, które nie mają żadnego z trzech wymienionych ładunków (np. fotony lub pewne rodzaje mezonów).

Takie przekształcenie fizycy nazywają anihilacją, np. elektron i pozyton mogą przekształcić się (anihilować) w foton.

Warto zaznaczyć, że we Wszechświecie ma miejsce olbrzymia dysproporcja ilościowa na korzyść cząstek. Na około 1 mld cząstek zwykłych przypada 1 antycząstka. Sprawa dysproporcji materii i antymaterii, nie została dotąd w fizyce wyjaśniona. Jest to kwestia o tyle ważna, że gdyby powyższa dysproporcja nie istniała, to także wszyscy ludzi a nawet wszystkie obiekty fizyczne zbudowane z cząstek i antycząstek, w tym także atomy, nie mogłyby istnieć. Istniałoby jedynie neutralne promieniowanie elektromagnetyczne, grawitacyjne i inne.

Antymateria zawiera się też w omawianej definicji materii (tzn. posiada wszystkie sześć atrybutów materii), zatem w fizyce mamy faktycznie nie dwa, lecz trzy rodzaje materii:

materię korpuskularną (zbudowaną z cząstek zwykłych)
materię polową (zbudowaną na ogół z cząstek absolutnie neutralnych)
antymaterię korpuskularną (zbudowaną z antycząstek).

Z uwagi na powyższe ustalenia wprowadzenie terminu “antymateria” okazało się dość niefortunne. Jednakże z powodu jego upowszechnienia termin ten nadal jest w użyciu.