Teooriad antiaine olemasolu kohta
Antiaine on üks intrigeerivamaid kontseptsioone tänapäeva füüsikas, sest see kõlab nagu meile teadaoleva aine "kaksik", millel on aga vastupidised omadused. Üldlevinud kujutlusvõimes kujutatakse antiainet sageli superkütusena või millegi ohtlikuna, kuna see võib ainega kokkupuutel "plahvatada". Kuid väljaspool ulmejutustust on antiaine reaalne füüsiline objekt, mida laboris vaadeldakse, toodetakse ja uuritakse. Suur küsimus on: kui antiainet peaks eksisteerima ainega võrreldavates kogustes, miks koosneb universum, mida me näeme, peaaegu täielikult ainest?
Antiaine mõistmine ja kontseptsiooni päritolu
Osakestefüüsikas on igal elementaarosakesel üldiselt antiosakese vaste. Antiosakestel on sama mass kui nende vastetel, kuid vastupidine elektrilaeng ja mitmed muud kvantarvud. Lihtsaim näide on negatiivselt laetud elektron, samas kui selle antiosakese vaste on positiivselt laetud positron. Samamoodi on prootonitel antiprootonid, neutronitel antineutronid jne.
Antiaine idee tekkis kvantteooria ja relatiivsusteooria arengust. 1920. aastate lõpus sõnastas Paul Dirac Diraci võrrandi, et kirjeldada elektrone relativistlikult. See võrrand andis matemaatilise lahenduse, mis oli esialgu hämmastav: lisaks positiivse energia lahendusele oli olemas ka "negatiivse" energia lahendus. Selle asemel, et seda lahendust eirata, tõlgendas Dirac seda kui teise elektroniga sarnase, kuid vastupidise laenguga osakese olemasolu näitajat. See ennustus sai kinnitust 1932. aastal, kui Carl Anderson avastas kosmiliste kiirte jäljes positroni. Sellest ajast alates on antiainest saanud osakestefüüsika põhiline osa.
Kuidas antiaine looduses "eksisteerib"
Teoreetiliselt võiks antiaine eksisteerida mitme mehhanismi kaudu:
1. Paaritootmine
Piisavalt kõrge energia korral saab osake-antiosake paarideks muutuda. Näiteks võib kõrge energiaga footon toota elektroni ja positroni. See protsess nõuab äärmuslikke tingimusi, näiteks raskete aatomituumade lähedal, neutrontähtede läheduses või kõrge energiaga osakeste kokkupõrgetes.
2. Kosmilised kiired ja astrofüüsikalised nähtused
Antiaine tekib ka looduslikult, kui kosmilised kiired põrkuvad atmosfääri või tähtedevahelise ainega. Seetõttu saab kosmoseinstrumentidega tuvastada positrone ja antiprootoneid. Nende kogused on aga väga väikesed, pigem nagu "tolm" kui universumi oluline komponent.
3. Kõrge energiaga tuumareaktsioonid
Erakordsetes sündmustes, nagu supernoova plahvatused, mustade aukude joad või gammakiirguse pursked, võib tohutu energia tekitada mitmesuguseid osakesi, sealhulgas antiosakesi.
Kuigi see esineb looduses, kipub antiaine kiiresti "kaduma", kui see kohtub ainega ja hävib.
Annihilatsioon: mateeria kohtub antimateeriga
Kui osake kohtub oma antiosakesega, võivad nad üksteist annihileerida, muutes massi energiaks, tavaliselt gammafootonite või muude osakeste kujul. Seetõttu tundub antiaine igapäevaelus „haruldane“: meie maailmas domineerib aine, seega kui antiaine peaks ilmuma, põrkaks see kiiresti ümbritseva ainega kokku.
Annihilatsioon ei tähenda "jäljetult kadumist", vaid pigem energia muundumist vastavalt Einsteini energia jäävuse ja mass-energia (E=mc²) printsiibile. See protsess muudab antiaine teoreetiliselt energia saamiseks nii atraktiivseks, kuid praktikas nii keeruliseks, kuna selle tootmine ja ladustamine on nii keerulised.
Aine ja antiaine tasakaalustamatuse teooria (barüoni asümmeetria)
Üks suurimaid küsimusi kosmoloogias on: miks domineerib universumis mateeria? Kui Suur Pauk tootis võrdses koguses mateeriat ja antimateeriat, oleksid nad pidanud teineteist hävitama, jättes maha universumi, mis oleks täidetud ainult kiirgusega. Fakt, et galaktikad, tähed, planeedid ja inimesed eksisteerivad, viitab sellele, et algselt oli mateeriat antimateeria suhtes väike "liig".
Seda nähtust nimetatakse barüonide asümmeetriaks. Selgitamaks, miks barüone (näiteks prootoneid ja neutroneid) on rohkem kui antibarüone, viitavad füüsikud tingimustele, mida tuntakse Sahharovi tingimustena (1967), mis on kolm tingimust, mille korral universum tekitab aine tasakaalustamatuse:
1. Peab eksisteerima protsess, mis rikub barüoniarvu jäävuse põhimõtet.
2. C (laeng) ja CP (laengupaarsus) sümmeetria peab olema rikutud.
3. Peab tekkima termilisest tasakaalust väljaspool olev seisund.
Osakestefüüsika standardmudelis eksisteerib küll CP rikkumine (näiteks teatud mesonite lagunemisel), kuid selle ulatus ei tundu olevat piisav, et selgitada meie vaadeldava mateeria domineerimist. See avab võimaluse uue füüsika tekkeks, mis ulatub standardmudelist kaugemale.
CPT sümmeetria ja antiaine füüsikalised omadused
Kvantvälja teooria raamistikus on olemas põhiprintsiip nimega CPT sümmeetria, mis on kolme teisenduse kombinatsioon: C (osakeste asendamine antiosakestega), P (ruumiliste koordinaatide ümberpööramine nagu peeglis) ja T (aja suuna ümberpööramine). Üldiselt ennustavad relatiivsusteooria ja kvantmehaanikaga kooskõlas olevad teooriad, et CPT peaks säilima.
Järelikult peaksid antiainel olema ainega väga sarnased omadused, näiteks sama mass ja sama aatomienergia spekter (vastupidiste laengumärkidega). Täppiskatsed, sealhulgas antivesiniku mõõtmised, jätkavad selle kontrollimist, kas antiaine on tõepoolest ainega identne kõigis ennustatud aspektides. Siiani pole leitud erinevusi, mis rikuksid CPT-d, kuid testid muutuvad aja jooksul rangemaks.
Antivesinik ja antiaine püüdmise püüdlus
Üks oluline verstapost oli antivesiniku, antiprootonist ja positronist koosneva aatomi, edukas loomine ja püüdmine. CERNi katsed, näiteks ALPHA, hoidsid antivesinikku edukalt magnetlõksus piisavalt kaua, et mõõta selle omadusi. Antivesiniku spektri mõõtmine tavalise vesiniku omaga võrreldes pakub ülitundlikku viisi fundamentaalsete sümmeetriate testimiseks.
Antiaine uurimise peamine väljakutse on ladustamine. Antiainet ei saa tavalistes anumates säilitada, kuna see puutuks kokku seintega, mis koosnevad ainest. Seetõttu kasutatakse elektromagnetilisi püüniseid kõrgvaakumis ja ülimadalatel temperatuuridel, et osakesed saaksid "lehvitada" ilma ainega kokku puutumata.
Antiaine ja gravitatsioon: kas need on sama asi?
Veel üks huvitav küsimus: kuidas antiaine gravitatsioonile reageerib? Üldrelatiivsusteooria kohaselt sõltub gravitatsioon energiast ja massist, seega peaks antiaine langema allapoole täpselt nagu aine. Selle otsene mõõtmine on aga väga keeruline, sest antiainet on raske luua ja taltsutada.
Kaasaegsed katsed püüavad mõõta antivesiniku langemise kiirendust. Kui selgub, et antiaine langeb erinevalt, oleks see suur avastus, mis raputaks meie arusaama gravitatsioonist ja looduse sümmeetriatest. Kuid enamik peavoolu teooriaid ei ennusta suuri erinevusi; nad otsivad võimalikke väikeseid kõrvalekaldeid, mis võiksid paljastada uusi füüsikaseadusi.
Antiaine teooria kosmoloogias: kas on olemas „antiaine universum”?
Üks kosmoloogias kauaaegne idee on võimalus, et universumis on suured piirkonnad, mida domineerib antiaine, näiteks antiaine galaktikad või galaktikaparved. Kui see on tõsi, siis tekitaks aine ja antiaine kokkupuutepunkt gammakiirgust, mis on iseloomulik ulatuslikule annihilatsioonile.
Praeguseks pole astronoomilised vaatlused leidnud tugevaid tõendeid "antiaine domeeni" olemasolu kohta lühikestel kosmoloogilistel kaugustel. Gammakiirguse andmed ja kosmilise kiirguse mõõtmised kipuvad viitama sellele, et vaadeldavas universumis domineerib aine. Otsingud aga jätkuvad, näiteks kasutades kosmoses detektoreid, mis otsivad antiheeliumi tuumasid või muid äärmiselt haruldasi raskeid antiosakesi.
Sulgemine
Antiaine olemasolu teooria ei ole pelgalt spekulatsioon, vaid füüsika reaalne osa, mida on katsetega kinnitatud. Antiaine eksisteerib relativistliku kvantmehaanika põhivõrrandite elegantse tagajärjena, mida on tõestanud positroni avastamine, antiosakeste tootmine kiirendites ja antivesiniku loomine. Suurim mõistatus jääb aga alles: miks universum "valib" antiaine asemel aine?
Sellele küsimusele vastamiseks testivad teadlased CP rikkumist, võrreldes täpselt vesiniku ja antivesiniku omadusi ning uurides, kuidas antiaine käitub gravitatsioonis. Iga üha täpsem mõõtmine võib avada ukse uutele teadmistele universumi päritolu, selle põhiseaduste ja võib-olla isegi standardmudelist kaugemale ulatuva füüsika kohta. Antiaine ei ole lõppkokkuvõttes mitte ainult aine vastand, vaid peegel, mis võib paljastada, kas meie arusaam loodusest on täielik või kas see hoiab endiselt sügavaid saladusi.
