אנטי-חומר

אטום אנטי-מימן הוא "תמונת מראה" של אטום המימן. אטום המימן מורכב מפרוטון (מטען חשמלי 1+) ואלקטרון (1-), בעוד שאנטי-מימן מורכב מאנטי-פרוטון (1-) ומפוזיטרון (אנטי-אלקטרון בעל מטען 1+).

אנטי-חומר הוא ישות, המורכבת מאנטי-חלקיקים, שהם "בני-זוג" של חלקיקים "רגילים" ודומים להם בתכונותיהם, אך בעלי מטען הפוך. לדוגמה: אטום המימן מורכב מפרוטון (מטען חשמלי 1+) ואלקטרון (1-), בעוד שאנטי-מימן (ראו איור) מורכב מאנטי-פרוטון (1-) ומפוזיטרון (אנטי-אלקטרון בעל מטען 1+). לחומר ולאנטי חומר אותה המסה, עם אותו סימן, ולכן מבחינה כבידתית, אנטי-חומר מתנהג כחומר רגיל. האנטי-חלקיקים נצפו באופן תאורטי בשנת 1928 על ידי פול דיראק, וכבר בשנת 1932 נמצא הפוזיטרון בקרינה קוסמית.

כאשר חומר ואנטי-חומר נפגשים, הם עוברים אניהילציה, כלומר הופכים לאנרגיה (בצורת פוטונים), או לזוגות חלקיק - אנטי-חלקיק אחרים.

אנטי-חלקיקים מסומנים במקרים אחדים כמו החלקיקים ה"רגילים", בתוספת קו עליון: כך, האנטי-פרוטון יסומן כ- $\bar p$. במקרים אחרים אנטי-חלקיקים טעונים מסומנים על פי מטענם, למשל הפוזיטרון, שסימנו $\ e^+$.

הסימטריה בין חומר לאנטי-חומר אינה מדויקת, וקיימים הבדלים קטנים במסה בין חלקיקים לאנטי-חלקיקים, ובתכונות אחרות שלהם. תופעה זו מכונה בשם שבירת סימטריית CP, והובילה להיווצרות היקום כפי שהוא מוכר כיום, כלומר מורכב מחומר ולא מאנטי-חומר. היבט אחר של שבירת סימטרית CP הוא תופעת ה‏בָּ‏‏רִיוֹ‏גֶ‏נֶ‏זיס, כלומר יצירה של ‏בָּ‏‏רִיוֹ‏נים.

אנטי-חומר בטבע

לאחר גילוי האנטי-חלקיקים, נשקלה בתקופה מסוימת השערה לפיה יש ביקום אזורים שמורכבים מאנטי-חומר בלבד, אולם כיום השערה זו אינה מקובלת. כיום, מקובל להניח שהאנטי-חומר נוצר מיד לאחר המפץ הגדול בשלב הבריוגנזה, ועבר אניהילציה עם החומר שנוצר יחד אתו. התאוריה גורסת שבשל הפרת סימטריית-CP, נוצר יותר חומר מאנטי-חומר, ולכן נשאר חומר לאחר האניהילציה המסיבית, וממנו בנוי היקום שלנו.

עם זאת, אנטי-חלקיקים בודדים קיימים בעולם: קרינה קוסמית יכולה, כיוון שהיא נושאת אנרגיה רבה, להפוך אליהם, למשל בתגובה בה שני פוטונים הופכים לאלקטרון ולפוזיטרון; או כתוצאה מהתנגשויות בין חלקיקים אנרגטיים מאוד ובאזורים עם טמפרטורה ממוצעת גבוהה.

ייצור אנטי-חומר

ייצור אנטי-חלקיקים בודדים הושג עוד בשנות ה-50 וה-60, במהלך ניסויים במאיצי חלקיקים; אך ייצור של אנטי-חומר, כלומר של קבוצות של אנטי-חלקיקים המאוחדות על ידי כוחות פיזיקליים, בדומה לאטומים ה"רגילים", קשה יותר בסדר-גודל. הדבר נהיה אפשרי רק בראשית שנות ה-90, כאשר עובדי מכון "פרמילאב" גילו, שאם אנטי-פרוטון אנרגטי מאוד עובר בסמוך לגרעין של אטום, הדבר יכול לגרום ליצירה של אלקטרון ופוזיטרון; אם האנטי-פרוטון יצליח "למשוך" אחריו את הפוזיטרון בהשפעת הכוח האלקטרומגנטי, הרי שעל ידי כך ייווצר אטום של אנטי-מימן, שהוא סוג של אנטי-חומר.

תסריט תאורטי זה הפך למציאות בשנת 1995, כאשר מכון CERN הודיע, כי אנשיו הצליחו לייצר 9 אטומי אנטי-מימן בעזרת השיטה של עובדי "פרמילאב". תוצאה זו אומתה מאוחר יותר על ידי "פרמילאב" עצמו, כאשר עובדיו הצליחו לייצר קרוב למאה אטומי אנטי-מימן.

לאחר ניסויים אלה, המדענים חיפשו דרך "לצנן" את האנטי-פרוטונים, על-מנת שיהיה נוח יותר לחקור אותם. לשם כך נבנה ב-CERN בשנת 1999 מאט האנטי-פרוטונים (Antiproton Decelerator), שבעזרתו יוצר לראשונה אנטי-מימן "קר" בשנת 2002. בשנת 2004 פותחה שיטה נוספת לייצור אנטי-חומר "קר", המבוססת על התנגשויות של חלקיקים חמים עם חלקיקים קרים, שבעקבותיהן מושג שיווי משקל תרמי, וכך מקוררים החלקיקים החמים. משערים, כי בשיטה זו ניתן יהיה לייצר 100 אטומי אנטי-חומר בשנייה.

האטה ואחסון של אנטי-חומר

כאמור, בעת יצירת מרכיבי האנטי-חומר (אנטי פרוטון, פוזיטרון ואנטי נייטרון), נדרשים המדענים לצנן את מהירות החלקיקים הנעים במהירות הקרובה למהירות האור עקב היווצרותם במאיצי חלקיקים. על כן, נדרשת שליטה רבה בכיוון תנועת האנטי חלקיקים בעודם "חמים", וכן שליטה בהם לאחר שהצטננו על-מנת לאחסנם. בשיטה הנפוצה במעבדות CERN מניעים את האנטי-חלקיקים (רק האנטי פרוטון ופוזיטרון) במעגל העטוף בסלילים מוליכי-על היוצרים שדה מגנטי המקביל לשדה המגנטי של אותו החלקיק (שדה שלילי לפוזיטרון וחיובי לאנטי פרוטון), ובכך ממרכזים את החלקיקים לנקודת המרכז ומונעים מבעדו להתנגש במעטפת המעגל העשויה חומר רגיל. הסלילים עצמם בנויים כך שחלק מהם מייצרים שדה מגנטי חזק הממרכז את האנטי חלקיקים לאמצע, ואילו חלק אחר מייצר שדה מגנטי חלש הגורם לזעזועים באנטי-חלקיק הנע בתווך (הדבר דומה לנהג המאיץ ומאט לחלופין), זעזועים אלו מזרזים את האטת האנטי-חלקיק ומסייעים בלכידתו.

לאחר לכידת האנטי-חלקיק הוא מאוחסן לזמן קצר במכלים העטופים סלילי על-מוליך היוצרים שדה מגנטי הדוחה את האנטי חלקיק למרכז. על שלב זה להיות קצר שכן בניגוד לאנטי פרוטונים בעלי משך החיים הארוך מאוד, לפוזיטרונים משך חיים קצר בהרבה. לאחר אחסונם מפגישים בין הפוזיטרונים לאנטי-פרוטונים ובכך מביאים ליצירת אנטי-מימן. מרגע זה תמה השליטה על תנועתו של האנטי-חומר שכן במצב זה מטענו החשמלי נייטרלי ולכן אינו מגיב לשדה מגנטי. תוך זמן קצר פוגשים חלקיקי האנטי-חומר בחלקיקי החומר במעטפת, הם מתאיינים הדדית, וכתוצאה מכך, משתחררת אנרגיה בצורה של גלים אלקטרומגנטיים (קרני גמא).

דרך צינון ושימור זאת אינה פועלת על האנטי-נייטרון שאינו מגיב לשדות מגנטיים כלל. ניתן אומנם לצנן אותו באמצעות התנגשות באנטי-חומר קר יותר ואולם עדיין ישנם קשיים באחסונו.

ב-2010 הצליחו חוקרים במרכז המחקר CERN ללכוד לראשונה אטומים של אנטי-חומר ולשמר אותם לזמן קצר באמצעות טכניקות חדשניות שפיתחו. ביוני 2011 פורסם כי מדענים במרכז המחקר CERN לכדו חלקיקי אנטי חומר למשך יותר מ-16 דקות.

ראו גם

• אנטי-חלקיק

קישורים חיצוניים

• דוידסון אונליין - מאגר מדע: חומר ואנטי חומר סרטון עם הסברים.
• אסף שטול-טראורינג, הישג במרכז האירופי לחקר הגרעין בשווייץ: פיזיקאים לכדו אנטי-חומר למשך זמן שיא, באתר הארץ, 7 ביוני 2011