Antičástice

Rozbalit box

Obsah boxu

Antičástice je v částicové fyzice protějšek elementární nebo subatomární částice, který má stejnou hmotnost a spin, ale opačné znaménko elektrického náboje a dalších kvantových čísel (jako je leptonové číslo nebo baryonové číslo). Každá známá částice má svou antičástici. Například antičásticí elektronu je pozitron (označovaný jako e⁺), který má stejnou hmotnost, ale kladný elektrický náboj.

Setká-li se částice se svou antičásticí, dojde k procesu zvanému anihilace, při kterém obě částice zaniknou a jejich celková hmota se přemění na energii ve formě jiných částic, nejčastěji fotonů vysokoenergetického záření gama. Existence antičástic byla teoreticky předpovězena britským fyzikem Paulem Diracem v roce 1928 a experimentálně potvrzena v roce 1932 objevem pozitronu Carlem D. Andersonem.

Hmota složená z antičástic se nazývá antihmota. Přestože Standardní model částicové fyziky předpokládá symetrii mezi hmotou a antihmotou, pozorovaný vesmír je téměř výhradně tvořen hmotou. Důvod této baryonové asymetrie je jednou z největších nevyřešených záhad moderní fyziky.

📜 Historie

Diracova rovnice a teoretická předpověď

Koncept antičástic se zrodil na pomezí kvantové mechaniky a speciální teorie relativity. V roce 1928 se britský teoretický fyzik Paul Dirac pokusil formulovat relativistickou vlnovou rovnici pro elektron. Výsledkem byla slavná Diracova rovnice, která elegantně popisovala chování elektronů při vysokých rychlostech a správně předpovídala jejich spin.

Rovnice však měla nečekaný důsledek: kromě řešení s kladnou energií, která odpovídala známým elektronům, poskytovala i symetrická řešení se zápornou energií. Dirac zpočátku interpretoval tato řešení jako "díry" v moři elektronů se zápornou energií. Taková "díra" by se navenek jevila jako částice se stejnou hmotností jako elektron, ale s opačným, tedy kladným, nábojem. Tuto hypotetickou částici nazval "anti-elektron". Jeho předpověď byla zpočátku přijímána s velkou skepsí, protože žádná taková částice nebyla známa.

⚛️ Objev pozitronu

Experimentální důkaz Diracovy teorie přišel o čtyři roky později. V roce 1932 americký fyzik Carl David Anderson studoval stopy kosmického záření pomocí mlžné komory umístěné v silném magnetickém poli. Na jedné z fotografických desek zaznamenal stopu částice, která se zakřivovala opačným směrem než stopa elektronu, což indikovalo kladný náboj. Z míry zakřivení a délky stopy Anderson usoudil, že částice musí mít hmotnost srovnatelnou s elektronem.

Objevil tak první antičástici – pozitron (e⁺). Za tento objev obdržel v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku. Diracova teoretická předpověď byla brilantně potvrzena.

🔬 Objev antiprotonu a antineutronu

Po objevu pozitronu fyzici předpokládali, že i další částice, jako proton a neutron, musí mít své antičástice. Jejich vytvoření však vyžadovalo mnohem vyšší energie, protože jsou přibližně 2000krát hmotnější než elektron. Potřebná technologie byla k dispozici až v 50. letech 20. století.

V roce 1955 tým fyziků vedený Emiliem Segrèm a Owenem Chamberlainem na urychlovači Bevatron v Berkeley v Kalifornii úspěšně vytvořil a detekoval antiproton (p̄). O rok později, v roce 1956, byl na stejném urychlovači objeven i antineutron (n̄). Za objev antiprotonu získali Segrè a Chamberlain Nobelovu cenu za fyziku v roce 1959.

🧪 Vytvoření prvních atomů antihmoty

Dalším logickým krokem bylo vytvoření kompletních atomů antihmoty. První atomy antivodíku (složené z antiprotonu a pozitronu) byly vytvořeny v roce 1995 v CERNu v experimentu PS210. Tyto atomy však byly vysoce energetické a anihilovaly téměř okamžitě po svém vzniku. Pozdější experimenty, jako ATHENA a ATRAP, a následně ALPHA v CERNu, dokázaly antivodík nejen vytvořit, ale i zpomalit, zachytit v magnetických pastech a studovat jeho vlastnosti.

⚙️ Vlastnosti antičástic

Antičástice jsou definovány jako zrcadlové obrazy svých částicových protějšků. Jejich klíčové vlastnosti jsou:

• Hmotnost: Antičástice má naprosto stejnou klidovou hmotnost jako její odpovídající částice.
• Elektrický náboj: Má přesně opačný elektrický náboj. Pokud má částice náboj +1, antičástice má náboj -1, a naopak.
• Spin: Spin, což je vnitřní moment hybnosti částice, je u antičástice stejný jako u částice.
• Magnetický moment: Magnetický dipólový moment je u antičástice opačný vzhledem k jejímu spinu.
• Ostatní kvantová čísla: Všechna aditivní kvantová čísla, jako je baryonové číslo, leptonové číslo, podivnost nebo půvab, mají u antičástice opačné znaménko.

Některé elektricky neutrální částice jsou samy sobě antičásticemi. Takové částice se nazývají "pravé neutrální částice" nebo někdy majoranovské částice. Patří mezi ně například foton, gluon, Z boson, Higgsův boson nebo hypotetický graviton. Naopak jiné neutrální částice, jako neutron nebo neutrino, mají své odlišné antičástice (antineutron a antineutrino), protože se liší v jiných kvantových číslech (např. baryonovém nebo leptonovém čísle).

💥 Anihilace

Nejcharakterističtějším jevem spojeným s antičásticemi je anihilace. Když se částice setká se svou antičásticí, obě zaniknou a jejich celková klidová energie (podle vzorce E=mc²) a kinetická energie se přemění na jiné částice.

Při tomto procesu se musí zachovávat zákony zachování, především zákon zachování energie a zákon zachování hybnosti. Typickým příkladem je anihilace elektronu a pozitronu při nízkých energiích:

$e^{-}+e^{+}\to \gamma +\gamma$

Při této reakci vznikají dva fotony záření gama, které se rozletí v opačných směrech, aby byla zachována hybnost. Energie každého fotonu je přibližně 511 keV, což odpovídá klidové energii elektronu (a pozitronu).

Při anihilaci těžších částic, jako je proton a antiproton, vzniká složitější směsice částic, například piony a miony, které se dále rozpadají. Anihilace je nejefektivnější známý proces přeměny hmoty na energii.

🌌 Antihmota a vesmír

Baryonová asymetrie

Podle teorie Velkého třesku by měl na počátku vesmíru vzniknout stejný počet částic a antičástic. Pokud by tomu tak bylo, téměř veškerá hmota a antihmota by krátce po vzniku vesmíru anihilovala a zanechala by po sobě jen vesmír vyplněný zářením. Náš vesmír je však zjevně tvořen téměř výhradně hmotou.

Tato nerovnováha, známá jako baryonová asymetrie, je jednou z největších záhad kosmologie. Předpokládá se, že v raném vesmíru musely existovat procesy, které mírně favorizovaly vznik hmoty nad antihmotou. Tyto procesy, popsané Sacharovovými podmínkami, zahrnují narušení CP symetrie, narušení zachování baryonového čísla a odchylku od termodynamické rovnováhy. Přesný mechanismus však stále není znám.

Hledání antihmoty ve vesmíru

Vědci aktivně pátrají po zbytcích primordiální antihmoty ve vesmíru. Experimenty jako Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) na Mezinárodní vesmírné stanici hledají v kosmickém záření jádra antihelia nebo jiných těžších anti-prvků. Jejich nález by byl silným důkazem existence celých galaxií tvořených antihmotou. Doposud však žádná taková jádra nebyla spolehlivě detekována, což naznačuje, že pokud nějaké anti-galaxie existují, musí být extrémně vzácné a vzdálené.

Přirozený výskyt

Antičástice se v našem hmotném světě přirozeně vyskytují, i když jen na krátkou dobu. Vznikají například:

• Při beta plus rozpadu některých radioizotopů, kdy se proton v jádře mění na neutron za emise pozitronu a elektronového neutrina.
• Při interakcích vysokoenergetického kosmického záření s atmosférou.
• V okolí extrémních astrofyzikálních objektů, jako jsou neutronové hvězdy a černé díry.
• Byly detekovány i v pozemských bouřkách, kde silná elektrická pole mohou generovat spršky gama záření, které následně produkují páry elektron-pozitron.

💡 Využití a aplikace

🩺 Medicína (PET)

Nejvýznamnější praktickou aplikací antičástic je pozitronová emisní tomografie (PET). Pacientovi je do krevního oběhu vpravena látka (např. upravená glukóza) označená radioizotopem, který emituje pozitrony (např. Fluor-18). Tyto pozitrony v těle po krátké dráze anihilují s elektrony okolní tkáně. Vzniklé dva gama fotony letící v opačných směrech jsou detekovány prstencem detektorů. Počítač následně zrekonstruuje trojrozměrný obraz míst s vysokou koncentrací radiofarmaka, což typicky odpovídá oblastem se zvýšeným metabolismem, jako jsou nádory nebo aktivní oblasti mozku.

🔬 Vědecký výzkum

Antičástice jsou klíčovým nástrojem v částicové fyzice. V urychlovačích, jako je Velký hadronový srážeč v CERNu, jsou sráženy svazky částic a antičástic (např. protonů a antiprotonů) při extrémně vysokých energiích. Anihilace při těchto srážkách uvolní obrovské množství energie, z níž mohou vznikat nové, exotické a těžké částice, což umožňuje vědcům zkoumat fundamentální zákony přírody.

🚀 Potenciální pohon

Díky stoprocentní účinnosti přeměny hmoty na energii při anihilaci je pohon na antihmotu teoreticky nejvýkonnějším možným typem raketového pohonu. I miligramy antihmoty by mohly poskytnout energii pro meziplanetární lety. Hlavními překážkami jsou však extrémně náročná a neefektivní výroba antihmoty (současné metody mají účinnost hluboko pod jednou miliardtinou procenta) a její bezpečné a dlouhodobé skladování, které vyžaduje komplexní magnetické nebo elektrické pasti ve vysokém vakuu.

🧪 Pro laiky

Představte si každou základní stavební kostku našeho světa (jako je elektron nebo proton) jako malou kuličku. Antičástice je její "zrcadlový dvojník" nebo "zlý bratr". Má úplně stejnou váhu a velikost, ale má opačné vlastnosti, především opačný elektrický náboj. Elektron má záporný náboj, takže jeho antičástice, pozitron, má kladný náboj.

Kouzlo se stane, když se tato kulička setká se svým zrcadlovým dvojníkem. Místo aby se od sebe odrazily, obě zmizí v záblesku čisté energie. Tento proces se nazývá anihilace. Je to nejúčinnější způsob, jak přeměnit hmotu na energii, jaký známe.

Ačkoliv to zní jako science fiction, antičástice jsou skutečné. Vznikají v přírodě při kosmických srážkách nebo v laboratořích na obřích urychlovačích. Dokonce mají i praktické využití v medicíně – metoda zvaná PET skenování používá antičástice (pozitrony) k vytváření detailních obrazů vnitřku lidského těla, což pomáhá odhalovat například rakovinu. Velkou záhadou zůstává, proč je celý náš vesmír postaven z "normální" hmoty a ne z antihmoty, když by obě měly být rovnocenné.

Šablona:Aktualizováno