Antihmota

Antihmota je druh látky, která je složena z antičástic k běžným částicím, tzn. například pozitronů místo elektronů. Obecně antičástice je částice, která má všechny své náboje, například elektrický náboj, vůni či barvu, opačné než daná částice.

Projevy antihmoty lze studovat ve vesmíru nebo ve specializovaných experimentech. Dnes je dokonce možné ji vyrobit (např. v urychlovači částic LHC, ale podle novodobých studií se také tvoří v blesku), přičemž se otevírají nové možnosti fyzice, chemii a technice.

Historie

Existenci antihmoty předpověděl v roce 1928 britský fyzik Paul Dirac. Brzy poté (v roce 1932) Američan Carl David Anderson antihmotu skutečně objevil ve srážkách vysokoenergetických částic kosmického záření. Pokud víme, žádná volná antihmota dnes ve vesmíru neexistuje. Vědci se domnívají, že těsně po velkém třesku, kdy vesmír vznikl, hmota a antihmota existovaly zároveň, ale hmoty bylo více. A to při vzájemné anihilaci způsobilo, že zbyla pouze hmota. Dnešní popis částic hmoty a částic – nosičů síly, se nazývá standardní model; tento model není bez slabin a ačkoli už po více než 20 let úspěšně prochází všemi experimentálními testy, není standardní model úplným popisem přírody. Anihilace hmoty a antihmoty v minulosti zničila velkou část vesmíru, a proto dnes pozorujeme jen malý zbytek vesmíru.

Vlastnosti

Kdyby se antihmota střetla s běžnou hmotou, došlo by k velké explozi. Antihmota má opačný elektrický náboj a spin než běžná hmota, ale má stejnou hmotnost a její chování (např. vůči gravitaci). Obecnou teorií relativity se předpokládá, že antihmota se bude gravitačně přitahovat a totéž platí pro interakci hmoty a antihmoty. Teorie však připouští i možnost, že hmota a antihmota se mohou vzájemně gravitačně odpuzovat, zahrne-li se do teorie princip CPT symetrie, mohlo by tím být alternativně vysvětleno zrychlené rozpínání vesmíru bez hypotézy temné energie. Experimentální rozhodnutí dosud nebylo možné, první indicie o gravitační interakci protonů a antiprotonů by měl poskytnout experiment AEGIS připravovaný v Evropské organizaci pro jaderný výzkum (CERN).

Jádro je stejné jako u běžné hmoty. Jinými slovy: Všechna vnitřní kvantová čísla jsou u antičástice opačná než u částic. To ovšem neznamená, že je antihmota s hmotou vyjma „opačných znamének“ identická. Ve skutečnosti se antihmota v mnoha případech chová od hmoty odlišně. Např. při anihilaci je mezi potomky reakcí vždy o něco více hmoty než antihmoty. Hovoříme o porušení symetrie.

Foton, intermediální částice elektromagnetické interakce, je zároveň i svou antičásticí. Při setkání hmoty s antihmotou nastává anihilace, při které obě formy hmoty zaniknou a přemění se na jiné formy energie (polní částice).

Při anihilaci elektronu a pozitronu dojde k uvolnění jejich klidové energie. Jednalo by se o nejúčinnější metodu získávání energie, kdyby se tato energie během anihilace neuvolnila ve formě jen těžko využitelného záření gama (záření γ). Energie vzniklých fotonů je dána rovnicí E=mc².

Tedy při setkání elektronu s pozitronem vznikají 2 fotony o energii přibližně 0,511 MeV (megaelektronvoltů). Pokud se elektron s pozitronem navzájem pohybují téměř rychlostí světla, nebo při anihilaci těžších fermionů, vznikají navíc další částice, např. mezony.

Vznik a výskyt

Antičástice vznikají v přírodě běžně materializací kosmického záření (např. při vzájemných kolizích s hmotou). Mají však zpravidla krátkou životnost, neboť rychle anihilují s ostatní ve vesmíru běžnou hmotou. Hvězdy, galaxie, ani jiné objekty tvořené z antihmoty zatím nebyly pozorovány. Anihilace hmoty s antihmotou je považována za jednu z možných příčin vzniku záblesků gama záření (GRB). V počátečních stádiích Velkého třesku vznikala velká množství hmoty i antihmoty. Nicméně veškerá vzniklá antihmota anihilovala s většinovou částí hmoty. Vědci dodnes neumí přesně vysvětlit, proč tehdy došlo k nesymetrii při interakcích hmoty s antihmotou a proč převážila hmota. Díky této nesymetrii se zřejmě ve vesmíru nachází pouze hmota.

Antihmotu je možné vyrobit i uměle s pomocí urychlovačů částic. V Evropské organizaci pro jaderný výzkum CERNu v Ženevě a ve Fermiho laboratoři v Chicagu se podařilo z antičástic vytvořit atomy antivodíku. V jejich jádrech jsou záporné antiprotony, které jsou obíhány kladně nabitými pozitrony.

Pozemská přírodní antihmota

Antihmota se v běžných pozemských podmínkách nevyskytuje v atomární podobě (antiatomy jsou známy pouze jako vzácný výsledek jaderných experimentů), to však neznamená, že se nemohou v těchto podmínkách vyskytovat její stavební částice – tedy antičástice. Nejběžnějšími částicemi antihmoty v běžných pozemských podmínkách jsou antineutrina. Jejich původem jsou radioaktivní záření beta (významným pozemským zdrojem jsou jaderné elektrárny, produkující štěpením mnoho β-radioaktivních nuklidů). Antineutrina mohou vznikat také jako produkt reakcí kosmického záření s atmosférou. Vzhledem k velmi nízké schopnosti interakce antineutrina prakticky nejsou zachycována hmotou.

V běžných pozemských podmínkách vznikají také pozitrony, a to při radioaktivních rozpadech β⁺ a jako produkt reakcí kosmického záření s atmosférou. Protože se jedná o nabité částice, jsou ionizačními ztrátami v prostředí zpomalovány a rychle anihilují s elektrony atomových obalů.

Družice Fermi objevila, že pozitrony mohou za určitých podmínek vznikat i v pozemské přírodě během prudkých atmosférických bouří v tropickém podnebném pásu Země. Jde o unikátní přírodní jev.

Význam

Při současných znalostech lidstva ji zatím nelze využít jako nejúčinnější ze známých zdrojů energie, i když při reakci s hmotou uvolňuje energii se stoprocentní účinností, jaderné reakce jsou účinné pouze na 1,5 %. Je to dáno naprosto zanedbatelnou účinností lidstvu doposud známé metody výroby antihmoty v laboratorních zařízeních typu Fermilab. Antihmotu je možné uchovávat v tzv. Penningově pasti, která ve vakuu udržuje elektricky nabité částice v soustavě magnetických polí v bezpečné vzdálenosti od standardní hmoty. Takto lze ovšem uchovávat pouze samostatně antiprotony, anebo pozitrony. Uchování kompletně sestavené antihmoty (jádro s obalem) není tímto způsobem s ohledem na její celkovou elektrickou neutralitu možné.

Další zajímavostí je, že na rozdíl od hmoty mají atomy antihmoty částice kladně nabité v obalu a částice záporně nabité v jádru. Může být vytvořen protiklad na jakýkoliv prvek, na jakoukoliv látku, z antihmoty by mohl být zkonstruován celý vesmír. Problémem antihmoty je, že může zreagovat s hmotou, což může mít fatální následky. Kdyby totiž reagovala s hmotou, nastala by exploze.

Použití

Reakce antihmoty a hmoty má praktické využití v zobrazovací technice v medicíně v pozitronové emisní tomografii. Během beta plus rozpadu ztrácejí nuklidy nadbytek protonů vyzářením pozitronů (protony se stávají neutrony a neutrony zůstávají v jádře). Nuklidy s nadbytkem protonů jsou vyrobitelné v cyklotronu a jsou převážně vyráběny pro medicínské účely.

Hypoteticky lze uvažovat o využití antihmoty jako zásoby energie přeměnitelné anihilací s hmotou na kinetickou energii při pohonu vesmírných lodí. Koncepty přeměny jsou různé. Například společnost Hbar technologies zpracovala koncept antihmotou podporované solární plachetnice, které by při cestě ze Země k trpasličí planetě Pluto podobnou rychlostí jako u sond Voyager údajně postačovalo 30 miligramů antihmoty.

Odkazy

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu antihmota na Wikimedia Commons
• Jak zachytit neutrální atomy antihmoty článek na serveru Osel.cz

Autoritní data	NKC: ph118498 PSH: 3582 BNF: cb119428816 (data) GND: 4142686-1 LCCN: sh85005698 NLI: 987007295570205171