Antimateria

Vedyn ja antivedyn rakenne.

Fermi-avaruusteleskooppia on käytetty ukkosten ja avaruudesta ilmakehään saapuvan antiaineen räjähdysten tutkimiseen sekä niiden erottamiseksi toisistaan.

Antiaine eli antimateria 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 antiainetta annihiloituessaan varsin paljon energiaa. Kun gramma antiainetta ja gramma tavallista materiaa annihiloituvat, vapautuu säteilynä ${\rm {\ E}}=mc^{2}=0{,}002{\rm {\ kg}}\cdot (299792458{\rm {\ m/s}})^{2}\approx 1{,}7975\cdot 10^{14}{\rm {\ J}}$ eli noin 180 terajoulea energiaa. Vertailun vuoksi Hiroshimaan pudotetussa atomipommissa vapautui "vain" 84 TJ (terajoulea) energiaa, eli, kun 1 gramma antiainetta ja 1 gramma materiaa kohtaavat, vapautuu energiaa yli kaksinkertainen määrä Hiroshiman atomipommiin verrattuna.

Historia

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

Fyysikot ovat arvelleet, että maapallon magneettikenttä vangitsee avaruuden antiainehiukkasia. Niinpä vuonna 2011 tiedelehti Astrophysical Journal Letters kertoi satelliittimittauksiin perustuen, että maapalloa ympäröivälle ohuelle vyöhykkeelle on kertynyt paljon antiaineahiukkasia. Tämä osoitettiin, kun antiainetta onnistuttiin löytämään Van Allenin vyöhykkeiltä, varsinkin niin sanotulta Etelä-Atlantin anomalian alueelta. Löytö mahdollistaa ehkä antiaineen hyödyntämisen avaruusmatkailussa.

Vuonna 2023 vahvistettiin, että antimateria noudattaa painovoimaa kuten materiakin. Aiemmin on arveltu, että antimateria käyttäytyisi päinvastoin, mutta jo Albert Einstein ennakoi, että se käyttäytyy samoin. CERNin tutkimuksen tulos julkaistiin Nature-lehdessä.

Valmistus

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.

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

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.

Antiainetta valmistetaan hiukkaskiihdyttimissä tutkimuskäyttöön 1–10 nanogrammaa (gramman miljardisosaa) vuodessa. Antiaineen valmistaminen ei ole edullista nykyisillä hiukkaskiihdyttimillä; on arvioitu, että yhden antiainegramman hinta olisi noin 25 miljardia dollaria vuonna 2013. Tulevaisuuden energianlähteenä antiaine on kuitenkin kiistaton. Antiaineen sovellukset ovat välttämättömiä esimerkiksi tähtienvälisiin avaruuslentoihin, joissa kemialliset polttoaineet eivät luonteensa puolesta sovellu pidemmän tähtäimen suunnitelmiin.

Varastointi

Ensimmäisen sukupolven säilytysastia antivedylle.

Antiaineen varastointi on hankalaa, koska se pitäisi tehdä tilassa, jossa ei olisi lainkaan tavallista materiaa, sillä antiaine ja materia tuhoutuvat ja luovat omansalaatuista säteilyä osuessaan toisiinsa. Antiprotonien ja positronien varastointi on kuitenkin mahdollista magneeteilla varustetussa tyhjiössä niin sanottu magneettiloukussa, jossa magneettikenttä pitää antiaineen tyhjiökammiossa, matalassa lämpötilassa, eikä päästä sitä kosketuksiin kammion reunojen kanssa.

Antiainepareja

• 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.
• Taun neutriinon ja antineutriinon omat leptoniluvut ovat niin ikään vastakkaiset.

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

Käyttö

Hahmotelma mahdollisesta tulevaisuuden antiaineella kulkevasta avaruusaluksesta.

Positroneja käytetään tällä hetkellä sekä lääketieteessä PET-kuvauslaitteissa että tutkimuskäytössä esimerkiksi CERN:ssä ja Fermilabissa.

CERN:ssä vuonna 2004 antiaineen valmistaminen muutaman pikogramman verran maksoi 20 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria, josta suuri osa kului energian tuotantoon. Tällä hetkellä myös antiaineen valmistukseen kuluvan energian määrä on suurempi kuin mitä siitä annihiloituessa purkautuu. Valmistamiskustannukset ovat siis korkeammat kuin antiaineesta saatava hyöty.

Erityisiin käyttötarkoituksiin antiaine kuitenkin voisi periaatteessa soveltua. Antiainetta voitaisiin käyttää esimerkiksi fotonirakettien polttoaineena erityisesti avaruusaluksissa ja mahdollisesti lentokoneissa. Antiaineen käyttö toisi suuren harppauksen avaruusalusten polttoainetekniikkaan, koska se vapauttaa niin suuren määrän energiaa annihiloituessaan. Antiaineen tehokkaasta käytöstä polttoaineena ollaan kuitenkin vielä kaukana.

Kulttuurissa

Dan Brownin romaanissa Enkelit ja demonit antimateriaa kehitetään energianlähteeksi, mutta käytetäänkin aseena.

Aiheesta muualla

• Antimatter CERN. Viitattu 26.1.2019 (englanniksi).
• Helsingin yliopisto; Uusi hiukkasfysiikan tulos pyrkii selittämään antiaineen puuttumisen maailmankaikkeudesta (julk. 14.11.2018)
• Nummila, Sakari: Tavallinen aine ja antimateria käyttäytyvät eri tavoilla Tähdet ja avaruus. 1.3.2017. Viitattu 26.1.2019.
• Enqvist, Kari: Antimaterian syvin olemus Helsingin yliopisto. Viitattu 26.1.2019.
• 7.3.2012: Antimateria alkaa paljastaa salojaan Cernin suomalaistutkijoille Yle Uutiset. Kataja-Lian, Marika. Viitattu 26.1.2019.
• Hallamaa, Teemu: Uusi metodi kehitetty antimaterian tutkimiseen Yle Uutiset. 30.4.2013. Viitattu 26.1.2019.