— Published on 20/04/2015 / Bug.hr.
Svemir je građen gotovo isključivo od materije. A materiju čine čestice poput protona i elektrona. Na najmanjoj skali, u svijetu subatomskih čestica, postoji simetrija između materije i antimaterije. Antimateriju čine antičestice, primjerice antiprotoni i antielektroni (ili pozitroni). Poput zlog blizanca iz znanstvene fantastike (koji je fizička kopija izvornog lika s jednom suprotnom karakteristikom – moralom) antičestica je fizička kopija čestice također s jednom suprotnom karakteristikom – električnim nabojem. Tako je pozitron po svemu jednak elektronu osim što je suprotnoga naboja. Doduše, ta suprotna karakteristika ne mora biti baš naboj. Neutron nema električni naboj pa se od antineutrona razlikuje po smjeru magnetskog momenta. Neke elementarne čestice, poput fotona, identične su svojim antičesticama. No, vratimo se na antiprotone i pozitrone. Oni mogu graditi antiatome, što je laboratorijski dobro provjereno. Antiatomi mogu dalje graditi antitvar. I to je već učinjeno u laboratoriju, par godina nakon što se Dan Brown poigrao s tom idejom u svojem romanu Anđeli i demoni. Načelno, mogli bi postojati antisvjetovi: antiplaneti, antizvijezde i antigalaksije. No, po svemu što znamo – oni ne postoje. Postoje, međutim, kozmički pozitroni i kozmički antiprotoni. Njih redovito opažamo kao dio kozmičkog zračenja. AMS-02, trenutno najbolji instrument koji traga za antimaterijom, nedavno je otkrio veliko neslaganje između opaženog i teorijski predviđenog spektra antiprotona iz svemira. Tim su povodom ovih dana organizirani Dani AMS-a na CERN-u te službeno objavljeni zadnji rezultati koji su privukli veliku pozornost znansvene zajednice.
Antimaterija ima jedno vrlo nezgodno svojstvo, koje ujedno objašnjava zašto je nema u našoj blizini. Naime, pri dodiru s materijom ona anihilira. To doslovno znači da se poništi, nestane, iščezne. Doduše, poništi se svaki par čestica-antičestica, ali ostane njihova energija koja je bila sadržana u masi. Ako je masa čestice bila m, što znači da je i masa antičestice bila m, onda je energija oslobođena anihilacijom minimalno 2mc2. Taj minimalni iznos, koji odgovara dvjema energijama mirovanja, odnosi se na slučaj u kojem su čestica i antičestica početno mirovale. Ako nisu mirovale, onda u igru ulaze i njihove kinetičke energije. Tada je energija koja preostane nakon anihilacije jednaka zbroju dviju kinetičkih energija i dviju energija mirovanja. Kuda odlazi ta energija? Najčešće ju odnesu dva fotona. Ne jedan nego dva, zato što očuvana mora biti i količina gibanja, ne samo energija. Fotoni nastali anihilacijom neke čestice i antičestice, zbog ogromne energije koju dobiju, redovito pripadaju području gama-zraka.
Zapravo, anihilacija je pojava koja se ne svodi samo na to da materija i antimaterija iščeznu u strahovitom bljesku gama-zraka. Primjerice, mirni elektron i pozitron mogu anihilirati samo tako da stvore dvije gama-zrake. No, mirni mion (čestica slična elektronu, ali 200 puta teža) i antimion imaju veći izbor. Njihova će anihilacija u nekim slučajevima rezultirati s dvije gama-zrake, ali u nekim slučajevima i s nastankom para elektron-pozitron. Razlika u energijama mirovanja bit će pretvorena u kinetičku energiju elektrona i pozitrona. Moguć je i obrnut proces. Elektron i pozitron s dovoljno velikom kinetičkom energijom mogu anihilacijom izravno stvoriti mion-antimion. Uz dovoljno veliku energiju mogu stvoriti i neki teži par čestica-antičestica. Zapravo, to je način kako neki sudarači čestica "stvaraju" nove čestice. I antičestice, naravno. Čestica i antičestica uvijek moraju nastati u paru.
Sad smo konačno pripremili teren za odgovor na ključno pitanje: otkud antičestice u svemiru, ako ne postoje makroskopski antiobjekti s kojih bi te čestice eventualno potjecale? Kozmičke antičestice nastaju u kozmičkim "akceleratorima". Čestica i antičestica mogu primjerice nastati u "sudaru" fotona s fotonom, pod određenim uvjetima. Takvi su uvjeti u laboratoriju neostvarivi, ali u svemiru postoje razna okruženja s ekstremnim uvjetima u kojima se tako nešto redovito događa. Čestica i antičestica mogu, nadalje, nastati pri anihilaciji čestica tamne tvari. Uglavnom, astrofizičari su nastojali uzeti u obzir sve poznate procese i proračunati očekivani tok antičestica (njihov broj po jedinici površine po jedinici vremena) te njihov spektar (raspodjelu po energijama). A onda su dizajnirali i izgradili detektore na satelitima. PAMELA je, primjerice bila lansirana 2006. i koštala oko 30 milijuna dolara. AMS-02, čiji su troškovi procijenjeni su na čak 2 milijarde dolara, postavljen je na Međunarodnu svemirsku postaju 2011. godine. PAMELA je, uz mnoštvo zanimljivih rezultata, dala i naznaku da nešto ne štima s našim očekivanjima brojnosti kozmičkih antičestica. AMS-02 je, ovih dana na CERN-u, to i potvrdio.
Glavni istraživač grupe AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), nobelovac Samuel Ting održao je 15. travnja uvodno predavanje u velikom auditoriju CERN-a. Prvi je pokazao preliminarne rezultate energijskog spektra kozmičkih antiprotona. Pri najvećim energijama, koje su bile nedostupne eksperimentu PAMELA, pouzdano je utvrđeno veliko odstupanje od teorijskih očekivanja. Pod odstupanjem se misli na broj opaženih antiprotona po energijskom intervalu koji je veći od očekivanog. A pod teorijskim očekivanjem misli se na broj antiprotona po energijskom intervalu koji mogu stvoriti isključivo kozmičke zrake. Dakle, postoje još neki izvori visokoenergijskih antiprotona, osim kozmičkih zraka. Možda je to tamna tvar, a možda i neki potpuno nepoznati izvor. "Točnost i karakteristike podataka, dobivenih istodobno za više različitih vrsta kozmičkih zraka, zahtijevaju jedan sveobuhvatan teorijski model da bi se moglo utvrditi potječu li antiprotoni iz tamne materije, iz nekih astrofizičkih izvora, nepoznatih akceleracijskih mehanizama, ili kombinacije svega toga", rekao je Ting na kraju svojeg izlaganja.