Procesy zachodzące po Wielkim Wybuchu uformowały Wszechświat z materii. Antymateria, chociaż na początku było jej tyle samo, znikła. Jak to się stało? Na to pytanie ma pomóc odpowiedzieć międzynarodowy eksperyment z udziałem Polaków.
Jak poinformował we wtorek rzecznik Instytutu Problemów Jądrowych (IPJ) w Świerku, Marek Pawłowski, urządzenie o nazwie WASA (Wide Angle Shower Apparatus - ang. szerokokątny aparat strumieniowy), w którego budowie brali udział polscy naukowcy, od niedawna szuka rozwiązania zagadki dysproporcji między materią, a antymaterią. Specjaliści z IPJ biorą też udział w analizie danych zbieranych przez aparaturę.
Antymateria to fenomen znany fizykom od dziesięcioleci. Każda cząstka elementarna ma swój antyodpowiednik, który zasadniczo różni się od niej tym, że ma ładunek elektryczny o przeciwnym znaku. Czyli antyproton jest cząstką o masie i innych własnościach protonu, ale o ujemnym ładunku, zaś antyelektron (inaczej pozytron) ma masę elektronu, ale ładunek dodatni. Mówi się też, że cząstka i anty-cząstka są swoimi lustrzanymi odbiciami.
Jednak cząstki i antycząstki nie żyją ze sobą w przyjaźni. Gdy cząstka antymaterii zetknie się ze swoją bliźniaczą cząstką materii, to obie ulegają anihilacji, czyli znikają zamieniając się w fotony - czystą energię. Ta własność antymaterii została wykorzystana przez autora powieści "Anioły i demony", Dana Browna, który opisał ładunek wybuchowy, składający się z pojemnika z drobną antymaterią, której siła anihilacji mogła zniszczyć Watykan.
Z powodu wybuchowych konsekwencji zetknięcia materii z antymaterią nie jest możliwe zaobserwowanie antycząstek trwale istniejących w przyrodzie. Pojawiają się one np. w procesie rozpadu promieniotwórczego jąder atomów. Można też wytwarzać je w laboratoriach. Ale niezależnie od tego, jak powstały, cząstki antymaterii nie żyją długo - anihilują natychmiast po zetknięciu ze zwykłą materią, a wraz z nimi w energię zamienia się taka sama liczba zwykłych cząstek.
Natomiast w procesie odwrotnym do anihilacji, nazywanym kreacją (w trakcie zamiany energii w materię), regułą jest tworzenie się takiej samej liczby cząstek i antycząstek. Fizycy są więc zgodni, że w Wielkim Wybuchu musiało powstać tyle samo materii co antymaterii.
I tu pojawia się zagadka. Skoro antymaterii i materii było tyle samo, a po zetknięciu ze sobą te substancje anihilują, to nie powinien istnieć żaden Wszechświat, bo cała materia znikłaby, zamieniając się w światło. Stało się jednak inaczej.
Jedynym wytłumaczeniem jest koncepcja, że w gwałtownym i niestabilnym okresie pierwszych sekund po Wielkim Wybuchu, powstałe w wyniku serii gigantycznych aktów kreacji cząstki i antycząstki, zetknąwszy się ze sobą anihilowały, ale nie pozostała po nich tylko energia, ponieważ przed ostateczną anihilacją materia z jakiegoś powodu zyskała przewagę liczebną nad antymaterią. Skutek był taki, że anihilowała taka sama ilość materii i antymaterii, a "nadwyżka" materii pozostała. Umożliwiło to powstanie materialnego świata: gwiazd, planet i życia na planetach. Krótko mówiąc: nasza rzeczywistość powstała z resztek.
Naukowcy starają się zrozumieć, jak doszło do złamania symetrii i skąd wzięła się ta nadwyżka materii. W tym zadaniu ma pomóc właśnie urządzenie WASA. Jest to detektor cząstek, zainstalowany niedawno w niemieckim ośrodku badawczym Forschungszentrum, znajdującym się w miejscowości Juelich niedaleko Bonn. Wykorzystując działający w ośrodku akcelerator cząstek, naukowcy przeprowadzają zderzenia wiązki protonów z kropelkami zamrożonego wodoru. W trakcie zderzeń powstają mezony - specyficzne, bardzo nietrwałe cząstki, składające się z kwarka i antykwarka. Proces rozpadu takiej cząstki przypomina procesy, które mogły zachodzić krótko po Wielkim Wybuchu.
- Detektor WASA z wyglądu przypomina najeżoną wypustkami kulę. Jego charakterystyczną cechą jest możliwość identyfikacji i pomiaru cząstek rozbiegających się pod różnymi kątami - tłumaczył Pawłowski.
- Za pomocą WASA potrafimy zarejestrować produkty rozpadu rozchodzące się od punktu, w którym zaszło oddziaływanie, niezależnie od tego, czy polecą one w przód, do tyłu, czy też na boki - opisuje prof. Joanna Stepaniak z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku, biorąca udział w badaniach.
Naukowcy mają nadzieję, że dostarczone przez detektor WASA dane, w połączeniu z wynikami innych tego typu eksperymentów prowadzonych na świecie, pomogą ostatecznie wyjaśnić, co tak naprawdę się stało na początku Wszechświata i dlaczego antymateria znikła cała, a naszej "resztce" udało się przetrwać.
