R. Michael Barnett z Lawrence Berkeley National Laboratory i Helen Quinn ze Stanford Linear Accelerator Center proponują następującą odpowiedź, której fragmenty zostały sparafrazowane z ich książki The Charm of Strange Quarks:
W 1930 roku Paul Dirac sformułował kwantową teorię ruchu elektronów w polu elektrycznym i magnetycznym, pierwszą teorię, która poprawnie uwzględniała Einsteinowską teorię szczególnej względności w tym kontekście. Teoria ta doprowadziła do zaskakującego przewidywania – równania opisujące elektron opisywały również, a w zasadzie wymagały, istnienia innego rodzaju cząstki o dokładnie takiej samej masie jak elektron, ale o dodatnim, a nie ujemnym ładunku elektrycznym. Cząstka ta, zwana pozytonem, jest antycząstką elektronu i była pierwszym przykładem antymaterii.
Jej odkrycie w eksperymentach wkrótce potwierdziło niezwykłe przewidywania dotyczące antymaterii w teorii Diraca. Zdjęcie z komory chmurowej wykonane przez Carla D. Andersona w 1931 roku pokazało cząstkę wchodzącą od dołu i przechodzącą przez płytkę ołowianą. Kierunek zakrzywienia ścieżki, spowodowany polem magnetycznym, wskazywał, że była to cząstka naładowana dodatnio, ale o tej samej masie i innych właściwościach co elektron. W dzisiejszych eksperymentach rutynowo produkuje się duże ilości pozytonów.
Przewidywania Diraca dotyczą nie tylko elektronu, ale wszystkich podstawowych składników materii (cząstek). Każdy typ cząstki musi mieć odpowiadający mu typ antycząstki. Masa każdej antycząstki jest identyczna z masą cząstki. Wszystkie pozostałe jej właściwości są również ściśle związane, ale z odwróconymi znakami wszystkich ładunków. Na przykład proton ma dodatni ładunek elektryczny, ale antyproton ma ujemny ładunek elektryczny. Istnienie partnerów antymaterii dla wszystkich cząstek materii jest obecnie dobrze zweryfikowanym zjawiskiem, przy czym zaobserwowano istnienie obu partnerów dla setek takich par.
Nowe odkrycia prowadzą do nowego języka. Wymyślając termin „antymateria”, fizycy w rzeczywistości na nowo zdefiniowali znaczenie słowa „materia”. Do tego czasu „materia” oznaczała wszystko, co posiada substancję; nawet dzisiaj podręczniki szkolne podają taką definicję: „materia zajmuje przestrzeń i ma masę”. Dodając pojęcie antymaterii jako odrębnej od materii, fizycy zawęzili definicję materii tak, aby odnosiła się ona tylko do niektórych rodzajów cząstek, w tym jednak do wszystkich tych, które można znaleźć w codziennym doświadczeniu.
Każda para pasujących do siebie cząstki i antycząstki może zostać wytworzona w dowolnym momencie, gdy dostępna jest wystarczająca ilość energii, aby zapewnić niezbędną masę-energię. Podobnie, gdy cząstka napotka odpowiadającą jej antycząstkę, obie mogą unicestwić się nawzajem, czyli zniknąć, pozostawiając swoją energię przekształconą w inną formę.
Nie ma żadnej wewnętrznej różnicy pomiędzy cząstkami i antycząstkami; pojawiają się one zasadniczo na tej samej stopie we wszystkich teoriach cząstek. Oznacza to, że prawa fizyki dla antycząstek są niemal identyczne jak dla cząstek; każda różnica jest niewielka. Ale z pewnością istnieje dramatyczna różnica w liczbie tych obiektów, które znajdujemy w otaczającym nas świecie; cały świat jest zbudowany z materii. Każda antymateria, którą wyprodukujemy w laboratorium, wkrótce zniknie, ponieważ napotka odpowiadające jej cząstki materii i ulegnie anihilacji.
Nowoczesne teorie fizyki cząstek i ewolucji wszechświata sugerują, a nawet wymagają, aby antymateria i materia były równie powszechne w najwcześniejszych etapach, dlaczego więc antymateria jest dziś tak rzadka? Obserwowana nierównowaga pomiędzy materią i antymaterią jest zagadką, która nie została jeszcze wyjaśniona. Bez niej dzisiejszy wszechświat byłby z pewnością o wiele mniej interesującym miejscem, ponieważ nie byłoby w nim w zasadzie żadnej materii; anihilacje przekształciłyby już wszystko w promieniowanie elektromagnetyczne. Tak więc najwyraźniej ta nierównowaga jest kluczową właściwością świata, który znamy. Próby jej wyjaśnienia są dziś aktywnym obszarem badań.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy lepiej zrozumieć tę maleńką część praw fizyki, która różni się dla materii i antymaterii; bez tej różnicy nie byłoby sposobu na zaistnienie nierównowagi. Różnica ta jest przedmiotem badań w wielu eksperymentach na całym świecie, które koncentrują się na różnicach w rozpadach cząstek zwanych mezonami B i ich antycząsteczkowych partnerów. Eksperymenty te będą przeprowadzane zarówno w zakładach zderzających elektrony z pozytonami, zwanych fabrykami B, jak i w wysokoenergetycznych zderzaczach hadronów, ponieważ każdy typ zakładu oferuje inne możliwości przyczynienia się do badania tego szczegółu praw fizyki – szczegółu, który odpowiada za tak ważną właściwość wszechświata, jak fakt, że w ogóle coś tam istnieje!
Maria Spiropulu jest doktorantką fizyki na Harvardzie. Jej odpowiedź znajduje się poniżej:
Zacznijmy od zdefiniowania materii. Ludzie pytają „czym jest materia?” od bardzo dawna. Demokryt, starożytny grecki filozof i matematyk, wyobraził sobie strukturę w elementach składowych wszystkiego i nazwał podstawę tej struktury atomem; napisał, że „nic nie istnieje poza atomami i pustą przestrzenią: wszystko inne jest opinią.” Na poziomie atomowym, świat może być opisany w kategoriach pierwiastków, w tym wodoru, tlenu, węgla i tym podobnych.
Jak się jednak okazuje, atomy nie są podstawowymi składnikami materii. Kiedy przybliżamy się do materii, badając ją z mniejszych odległości, odsłania się świat subatomowy. Im bliżej się przyglądamy, tym dziwniej zachowuje się ten świat, świat kwantowy. Nie możemy nawiązać z nim bezpośredniego kontaktu: w małej skali obiekty nie zachowują się jak pręty, kule, fale, chmury czy cokolwiek, czego kiedykolwiek bezpośrednio doświadczyliśmy. Jednak mechanika kwantowa tego świata pozwala nam opisać, jak atomy tworzą cząsteczki.
Pozwala nam również przedstawić „ruch” pewnych cząstek wewnątrz atomów. W istocie, atomy składają się z elektronów, które krążą wokół nieruchomych protonów i neutronów w ich jądrach, zbudowanych z kwarków. Wszystkie te cząstki oddziałują ze sobą za pomocą cząstek „posłańców sił”, takich jak fotony, gluony, W i Z. Na podstawie cech tych cząstek nadajemy im numery identyfikacyjne, czyli liczby kwantowe. Za pomocą symetrii i praw zachowania dotyczących liczb kwantowych cząstek możemy opisać ich oddziaływania. Przykładami takich liczb są ładunek i własny moment pędu, czyli spin.
Jeżeli a jest dowolną cząstką i ta cząstka nie ma żadnych atrybutów poza liniowym i kątowym momentem pędu (które obejmują energię i spin), to a jest swoją własną antycząstką – jednym ze składników antymaterii. Na przykład, foton jest swoją własną antycząstką. Jeśli cząstka ma inne atrybuty (takie jak ładunek elektryczny Q), to antycząstka ma atrybuty przeciwne (lub ładunek -Q). Proton i neutron mają takie atrybuty. W przypadku protonu, jego dodatni ładunek odróżnia go od ujemnie naładowanego antyprotonu. Neutron – choć elektrycznie obojętny – ma moment magnetyczny przeciwny do momentu antyneutronu. Protony i neutrony mają jeszcze jedną liczbę kwantową zwaną liczbą barionową, która również ma przeciwny znak w odpowiadających im antycząstkach.
Operacja zamiany cząstek z antycząstkami nazywana jest koniugacją ładunków (C). Cząstki i antycząstki mają dokładnie taką samą masę i równe, lecz przeciwne ładunki i momenty magnetyczne; jeśli są niestabilne, mają taki sam czas życia. Okres ten nazywany jest niezmiennikiem sprzężenia ładunków, parzystości i czasu (CPT), który stwierdza fakt, że jeśli zamienisz cząstki na antycząstki (C), spojrzysz w trójwymiarowe lustro (P) i odwrócisz czas (T), nie będziesz w stanie odróżnić ich od siebie. Najbardziej rygorystyczne testy CPT do tej pory to pomiary stosunku momentów magnetycznych elektronu i pozytonu z dokładnością do dwóch części na bilion (R. Van Dyck, Jr. i P. B. Schwinberg, University of Washington, 1987) oraz pomiary ładunku na masę protonu i antyprotonu – stwierdzone jako 0.999,999,999,91 do 90 części na trylion (G. Gabrielse, Harvard, 1998).
Antymateria powstała jako rozwiązanie faktu, że równanie opisujące swobodną cząstkę w ruchu (relatywistyczna zależność między energią, pędem i masą) ma nie tylko dodatnie rozwiązania energetyczne, ale również ujemne! Gdyby to była prawda, nic nie powstrzymałoby cząstki przed spadaniem do nieskończenie wielu stanów o ujemnej energii, emitując przy tym nieskończoną ilość energii – co się nie zdarza. W 1928 r. Paul Dirac postulował istnienie dodatnio naładowanych elektronów. Rezultatem było równanie opisujące zarówno materię jak i antymaterię w kategoriach pól kwantowych. Praca ta była prawdziwie historycznym triumfem, ponieważ została potwierdzona eksperymentalnie i zainaugurowała nowy sposób myślenia o cząstkach i polach.
W 1932 roku Carl Anderson odkrył pozyton podczas pomiaru promieniowania kosmicznego w eksperymencie w komorze Wilsona. W 1955 r. w Bevatronie w Berkeley Emilio Segre, Owen Chamberlain, Clyde Wiegand i Thomas Ypsilantis odkryli antyproton. A w 1995 roku w CERN naukowcy po raz pierwszy zsyntetyzowali atomy anty-wodoru.
Kiedy cząstka i jej antycząstka zderzają się, anihilują, zamieniając się w energię, która jest przenoszona przez cząstki „posłańców sił”, które następnie mogą rozpadać się na inne cząstki. Na przykład, gdy proton i antyproton anihilują przy wysokich energiach, może powstać para kwarków górny-antygórny!
Intrygująca zagadka pojawia się, gdy weźmiemy pod uwagę, że prawa fizyki traktują materię i antymaterię niemal symetrycznie. Dlaczego więc nie spotykamy się z anty-ludźmi zbudowanymi z anty-atomów? Dlaczego gwiazdy, pył i wszystko inne, co obserwujemy, jest zbudowane z materii? Jeśli kosmos zaczął się od równych ilości materii i antymaterii, to gdzie jest antymateria?
Doświadczalnie, brak promieniowania anihilacyjnego z gromady Virgo pokazuje, że w odległości ~20 megaparseków (Mpc), typowej wielkości gromad galaktyk, można znaleźć niewiele antymaterii. Mimo to, istnieje bogaty program poszukiwań antymaterii w promieniowaniu kosmicznym. Między innymi, wyniki z balonowego eksperymentu promieniowania kosmicznego High-Energy Antimatter Telescope, jak również wyniki 100 godzin danych z Alpha Magnetic Spectrometer na pokładzie promu kosmicznego NASA, potwierdzają dominację materii w naszym Wszechświecie. Wyniki z orbitującego Obserwatorium Promieniowania Compton Gamma NASA, jednakże, odkrywają to, co może być chmurami i fontannami antymaterii w Galaktycznym Centrum.
Stwierdziliśmy, że istnieje przybliżona symetria pomiędzy materią i antymaterią. Uważa się, że ta niewielka asymetria jest przynajmniej częściowo odpowiedzialna za to, że materia przewyższa antymaterię w naszym wszechświecie. Ostatnio zarówno eksperyment NA48 w CERN-ie, jak i eksperyment KTeV w Fermilabie zmierzyły bezpośrednio tę asymetrię z wystarczającą precyzją, aby ją ustalić. Wiele innych eksperymentów, w tym eksperyment BaBar w Stanford Linear Accelerator Center i Belle w KEK w Japonii, zmierzy się z tym samym pytaniem w różnych układach cząstek.
Antymateria przy niższych energiach jest wykorzystywana w pozytonowej tomografii emisyjnej (patrz obraz mózgu w PET). Jednak antymateria wzbudziła zainteresowanie opinii publicznej głównie jako paliwo dla fikcyjnego statku kosmicznego Enterprise w serialu Star Trek. W rzeczywistości NASA zwraca uwagę na antymaterię jako możliwe paliwo do napędu międzygwiezdnego. Na Uniwersytecie Penn State grupa Antimatter Space Propulsion zajmuje się problemem wykorzystania anihilacji antymaterii jako źródła energii dla napędu. Do zobaczenia na Marsie?
Odpowiedź pierwotnie opublikowana 18 października 1999