Antimateria

Historia

Työskenneltyään relativistisen kvanttimekaniikan parissa vuonna 1928 Paul Dirac oivalsi, että antimateriaa täytyy olla olemassa. Ensimmäinen havaittu antihiukkanen oli elektronin antihiukkanen, positroni. Sen löysi Carl David Anderson vuonna 1932. Antiprotoni havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 1955 ja antimateriaa onnistuttiin valmistamaan vuonna 1995 antivetynä ja antideuteriumina. Vaikka antimateriasta saatiin ensimmäisiä viitteitä 1920-luvulla, oli sen olemassaolosta spekuloitu jo aiemmin. Muun muassa brittifyysikko Arthur Schuster spekuloi kokonaisten antimateriasta koostuvien aurinkokuntien olemassaolosta ja vuonna 1898 hän otti käyttöön termit "antimateria" ja "antiatomi".
Fyysikot ovat arvelleet, että maapallon magneettikenttä vangitsee avaruuden antimateriahiukkasia. Niinpä vuonna 2011 tiedelehti Astrophysical Journal Letters kertoi satelliittimittauksiin perustuen, että maapalloa ympäröivälle ohuelle vyöhykkeelle on kertynyt paljon antimateriahiukkasia. Tämä osoitettiin, kun antimateriaa onnistuttiin löytämään Van Allenin vyöhykkeiltä, varsinkin niin sanotulta Etelä-Atlantin anomalian alueelta. Löytö mahdollistaa ehkä antimaterian hyödyntämisen avaruusmatkailussa.

Valmistus

Antiprotoneja valmistetaan hiukkaskiihdyttimessä kiihdyttämällä vetyioneja, eli protoneja, lähes valonnopeuteen ja törmäyttämällä esteeseen (yleensä kuparilevyyn tai iridiumiin), jolloin syntyy tavallisten hiukkasten lisäksi antiprotoneja. Antiprotonit ohjataan erilleen protoneista magneettien avulla ja ohjataan magneettikentillä varastorenkaaseen, jossa niitä hidastetaan edelleen magneetein. Osa antiprotoneista tuhoutuu matkalla. Antiprotoneja voidaan käyttää tämän jälkeen antivedyn muodostamista tai muuta tutkimuskäyttöä varten.
Positronien valmistaminen on paljon helpompaa. Niitä saadaan beeta+-hajoamisen (Positroniemissio) tuloksena, esimerkiksi ²²Na:sta. ja ne ohjataan talteen samoin kuin antiprotonit.
Antivetyä on vielä hankalampaa valmistaa kuin yksittäisiä hiukkasia (antiprotoneja ja positroneja). Antivetyä saadaan aikaan ohjaamalla antiprotonit ja positronit samaan tilaan oikeissa olosuhteissa (noin −258 °C:n lämpötilassa). Antivety kuitenkin annihiloituu melkein heti ja se havaitaan sen annihiloitumisesta syntyvästä gammasäteilystä.
Antimateriaa valmistetaan hiukkaskiihdyttimissä tutkimuskäyttöön 1–10 nanogrammaa (gramman miljardisosaa) vuodessa.  Antimaterian valmistaminen ei ole edullista nykyisillä hiukkaskiihdyttimillä; on arvioitu, että yhden antimateriagramman hinta olisi noin 25 miljardia dollaria vuonna 2013. Tulevaisuuden energianlähteenä antimateria on kuitenkin kiistaton. Antimaterian sovellukset ovat välttämättömiä esimerkiksi tähtienvälisiin avaruuslentoihin, joissa kemialliset polttoaineet eivät luonteensa puolesta sovellu pidemmän tähtäimen suunnitelmiin.

Varastointi

Antimaterian varastointi on hankalaa, koska se pitäisi tehdä tilassa, jossa ei olisi lainkaan tavallista materiaa, sillä antiaine ja materia tuhoutuvat ja luovat omansalaatuista säteilyä osuessaan toisiinsa. Antiprotonien ja positronien varastointi on kuitenkin mahdollista magneeteilla varustetussa tyhjiössä niin sanottu magneettiloukussa, jossa magneettikenttä pitää antimaterian tyhjiökammiossa, matalassa lämpötilassa, eikä päästä sitä kosketuksiin kammion reunojen kanssa.

Käyttö

Positroneja käytetään tällä hetkellä sekä lääketieteessä PET-kuvauslaitteissa että tutkimuskäytössä esimerkiksi CERN:ssä ja 
Fermilabissa.
CERN:ssä vuonna 2004 antimaterian valmistaminen muutaman pikogramman verran maksoi 20 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria, josta suuri osa kului energian tuotantoon. Tällä hetkellä myös antimaterian valmistukseen kuluvan energian määrä on suurempi kuin mitä siitä annihiloituessa purkautuu. Valmistamiskustannukset ovat siis korkeammat kuin antimateriasta saatava hyöty.
Erityisiin käyttötarkoituksiin antimateria kuitenkin voisi periaatteessa soveltua. Antimateriaa voitaisiin käyttää esimerkiksi fotonirakettien polttoaineena erityisesti avaruusaluksissa ja mahdollisesti lentokoneissa. Antimaterian käyttö toisi suuren harppauksen avaruusalusten polttoainetekniikkaan, koska se vapauttaa niin suuren määrän energiaa annihiloituessaan. Antimaterian tehokkaasta käytöstä polttoaineena ollaan kuitenkin vielä kaukana.