αντισωμάτιο

Όρος με τον οποίο προσδιορίζεται στην πυρηνική φυσική ένα στοιχειώδες σωμάτιο που έχει ιδιότητες αντίθετες από τις ιδιότητες ενός καθορισμένου ατομικού σωματίου. Ένα α. είναι ένα είδος κατοπτρικής εικόνας ενός σωματίου: όταν ένα σωμάτιο και το αντίστοιχο α. συναντώνται, αλληλοκαταστρέφονται ελευθερώνοντας μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας (γενικά, ηλεκτρομαγνητική ενέργεια ή ακτίνες γάμμα). Αυτό το φαινόμενο λέγεται εξουδένωση. Πράγματι, η θεωρία της σχετικότητας στη φυσική προβλέπει σαφώς τη δυνατότητα, που έχει επιπλέον επαληθευτεί και πειραματικά με πολυάριθμες δοκιμές, μετατροπής υλικής μάζας σε ενέργεια, και το αντίστροφο, σύμφωνα με την περίφημη σχέση του Αϊνστάιν E = mc². Σε αυτόν τον τύπο, το m παριστάνει τη μάζα που εξαφανίζεται, το E την ενέργεια που αντίστοιχα ελευθερώνεται και το c² το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός. Με άλλα λόγια, η υλική μάζα εμφανίζεται τελικά ως μία από τις διάφορες δυνατές μορφές ενέργειας. Μια συνέπεια αυτού του νόμου που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι η παραγωγή ενέργειας κατά τη σχάση του ουρανίου. Θεωρητικά, αυτή η αρχή θα μπορούσε να επιτρέψει την παραγωγή υλικών σωματίων, π.χ. ηλεκτρονίων, εάν ήταν διαθέσιμη μόνο ενέργεια σε ικανοποιητική ποσότητα. Παρ’ όλα αυτά, o νόμος της διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου απαγορεύει την παραγωγή ηλεκτρονίων, σωματίων φορτισμένων με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Από ένα οποιοδήποτε σώμα ηλεκτρικά ουδέτερο μπορούν πράγματι πάντοτε να ληφθούν μόνο φορτία ηλεκτρικά, θετικά και αρνητικά, σε ίσες ποσότητες. Γι’ αυτό είναι αδύνατον από ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που δεν μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο να παραχθεί το ηλεκτρικό αρνητικό φορτίο ενός ή περισσότερων ηλεκτρονίων. Το 1932, ωστόσο, ο Αμερικανός φυσικός Καρλ Ντέιβιντ Άντερσον παρατήρησε ότι όταν έστελνε μια ακτίνα γάμμα με επαρκή ενέργεια μέσα από ένα λεπτό στρώμα ενός οποιουδήποτε υλικού, εκπέμπονταν δύο σωμάτια: το ένα ήταν κανονικό ηλεκτρόνιο, το άλλο της ίδιας μάζας με το πρώτο αλλά αντίθετου φορτίου. Αυτό ονομάστηκε θετικό ηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο. Επειδή τα δύο σωμάτια έχουν την ίδια μάζα, αλλά ηλεκτρικό φορτίο αντίθετου σημείου, η μετατροπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε υλική μάζα μπορεί να γίνει με τον ακόλουθο τρόπο: η ακτίνα γάμμα υλοποιείται σε ένα ζεύγος ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο. Το ποζιτρόνιο είναι επομένως το α. του ηλεκτρονίου. Την ύπαρξη του α. που αντιστοιχεί στο ηλεκτρόνιο και, κατά συνέπεια, τη δυνατότητα παραγωγής του ζεύγους ηλεκτρόνιο-ποζιτρόνιο είχε προβλέψει θεωρητικά o διάσημος Άγγλος φυσικός Πολ Α. Μ. Ντιράκ με βάση την εφαρμογή των νόμων της σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής. Όταν ένα ποζιτρόνιο συναντά ένα ηλεκτρόνιο, αυτά εξουδετερώνονται αμοιβαία ελευθερώνοντας από την αρχή την ενέργεια που αντιστοιχεί στη μάζα τους με μορφή ακτίνων γάμμα: γι’ αυτό τα ποζιτρόνια έχουν μια εξαιρετικά σύντομη ζωή μέσα στην ύλη, εφόσον υπάρχει αυξημένη πιθανότητα να συναντήσουν το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου, ενώ στο κενό μπορούν να ζουν αιώνια. Για πολλά χρόνια ερευνήθηκε αν ήταν δυνατόν να παραχθούν τα α. τα οποία αντιστοιχούν στα βασικά στοιχειώδη σωμάτια που αποτελούν τον ατομικό πυρήνα, δηλαδή τα νουκλεϊνικά πρωτόνια και νετρόνια. Επειδή αυτά έχουν πράγματι μια μάζα περίπου 1.840 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα των ηλεκτρονίων, ήταν απαραίτητο να έχουμε στη διάθεσή μας πηγές ακτινοβολιών επαρκούς ενέργειας. Μόνο το 1955 στο Μπέρκλεϊ, με την έναρξη της λειτουργίας του μπέβατρου (το οποίο επιτρέπει να επιταχυνθούν πρωτόνια μέχρι μια ενέργεια της τάξης των 6GeV), o Εμίλιο Σεγκρέ και ο Όουεν Τσάμπερλεν κατόρθωσαν να παραγάγουν ζεύγη πρωτονίων και αντιπρωτονίων. Επειδή το πρωτόνιο είναι θετικό, το αντιπρωτόνιο έχει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Ακόμα και τα νετρόνια, αν και δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, μπορούν να παραχθούν μόνο κατά ζεύγος με ένα αντινετρόνιο. Τόσο τα πρωτόνια όσο και τα νετρόνια έχουν μια ολόκληρη σειρά από ιδιότητες (μαγνητική ροπή, εσωτερική στροφορμή ή, αλλιώς, σπιν, πυρηνικό φορτίο), οι οποίες στα α. έχουν αντίθετο σημείο και έτσι αντισταθμίζονται κατά τη δράση παραγωγής και εξουδένωσης του ζεύγους. Ακόμα και σε αυτή την περίπτωση, o μετασχηματισμός ενέργειας σε υλική μάζα, ή και αντίστροφα, συμβαίνει σύμφωνα με τις προβλέψεις του Αϊνστάιν. Αυτά τα πειράματα και άλλα ακόμα πιο πρόσφατα που απέδειξαν με βεβαιότητα ότι σε κάθε συνηθισμένο σωμάτιο αντιστοιχεί πραγματικά στη φύση ένα α. (π.χ. η παραγωγή ζευγών υπερόνιο αντι-υπερόνιο) έθεσαν τις προϋποθέσεις ώστε να μπορέσουμε να φανταστούμε την ύπαρξη των ατόμων της αντιύλης, που αποτελούνται από έναν πυρήνα αντι-πρωτονίων και αντι-νετρονίων, που περιβάλλεται από ένα νέφος ποζιτρονίων. Ελάχιστοι απλοί πυρήνες αντιύλης έχουν παρασκευαστεί εργαστηριακά, επειδή καθένα από τα α. που την αποτελούν εξουδετερώνεται μέσα σε συντομότατο χρονικό διάστημα από την παρουσία των ατόμων της κανονικής ύλης. Ένα τέτοιο είναι το αντι-δευτερόνιο, ενώ το 1995 εννέα άτομα αντι-υδρογόνου παρασκευάστηκαν στο Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Σωματιδιακής Φυσικής από μια μεικτή ιταλο-γερμανική ομάδα, υπό την καθοδήγηση του Γουόλτερ Έλερτ (επιβίωσαν μόλις 40 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου). Ωστόσο, τέτοια άτομα αντιύλης θα ήταν τελείως σταθερά μέσα στο απόλυτο κενό και θα είχαν τις ίδιες χημικές ιδιότητες όπως και τα κανονικά άτομα. Αντισωμάτιο. Η ιστορική αυτή φωτογραφία επέτρεψε στον Καρλ Ντέιβιντ Άντερσον να διαπιστώσει την ύπαρξη του ποζιτρονίου. Η φωτογραφία είχε τραβηχτεί με τη βοήθεια θαλάμου του Γουίλσον, ο οποίος είχε τοποθετηθεί σε μαγνητικό πεδίο μεγάλης έντασης και ήταν χωρισμένος με παραπέτασμα μολύβδου 6 χιλιοστών. Η μεγαλύτερη καμπύλωση του τόξου BC δείχνει ότι το σωμάτιο διαπερνώντας το παραπέτασμα χάνει κινητική ενέργεια και επιτρέπει να καθοριστεί η διεύθυνση της κίνησής του (ABC). Η ύπαρξη της καμπυλότητας και η διεύθυνσή της, όταν είναι γνωστή η ένταση του μαγνητικού πεδίου, δείχνουν ότι το σωμάτιο είναι θετικά φορτισμένο και με λόγο «ηλεκτρικό φορτίο-μάζα» ίσο με εκείνον του ηλεκτρονίου: πρόκειται επομένως για θετικό ηλεκτρόνιο. Στο σχέδιο πάνω, το πρωτόνιο και το αντιπρωτόνιο: οι μάζες ίσες, φορτία και μαγνητικές ροπές με ίδια απόλυτη τιμή, αλλά με αντίθετο πρόσημο.