אנטי-חומר

אַנְטִי-חֹמֶר הוא חומר שמרכיביו הם אנטי-חלקיקים. אנטי-חלקיקים דומים לחלקיקים בתכונותיהם (מסה, גודל הספין, גודל המטען החשמלי), אך מטענם החשמלי הפוך. לדוגמה: אטום מימן מכיל פרוטון (שמטענו החשמלי p+) ואלקטרון (שמטענו החשמלי e-). אנטי-מימן, לעומתו (ראו איור), מכיל אנטיפרוטון (שמטענו החשמלי p-) עם פוזיטרון (אנטי-אלקטרון, שמטענו החשמלי e+). ככל הידוע לחומר ולאנטי-חומר אותה מסת התמד, אך מבחינה כבידתית לא ידוע אם אנטי-חומר מתנהג כחומר רגיל כמתחייב מעקרון השקילות. קיומם של אנטי-חלקיקים נצפה 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 לחלקיקים שונים מהמקוריים, כגון פוטונים אנרגטיים (קרני גמא), נייטרינו וצמדי חלקיק - אנטי-חלקיק אחרים שמסתם נמוכה יותר. אנטי-חלקיקים מסומנים במקרים אחדים כמו החלקיקים ה"רגילים", בתוספת קו עליון: כך, האנטי-פרוטון יסומן כ- p ¯ {\displaystyle {\bar {p}}} . במקרים אחרים אנטי-חלקיקים טעונים מסומנים על פי מטענם, למשל הפוזיטרון, שסימנו   e + {\displaystyle \ e^{+}} . האטום הגדול ביותר של אנטי חומר שנצפה עד כה הוא של אנטי הליום. ב-1928 פרסם פול דיראק את משוואת דיראק לתיאור תכונות אלקטרון שנע במהירות קרובה למהירות האור. המשוואה שילבה לראשונה את חוקי מכניקת הקוואנטים עם חוקים של תורת היחסות הפרטית, ורמת הדיוק שלה הוכחה בניסויי מעבדה. אלא שלמשוואה היו שני פתרונות, האחד אנרגיה והשני אנרגיה לכאורה שלילית, ובהתאמה אחד שבו לאלקטרון מטען שלילי כרגיל והשני אלקטרון עם מטען חיובי. היו שסברו שזוהי תוצאה מתמטית ללא משמעות פיזיקלית, וגם דיראק עצמו התלבט, אך לבסוף השתכנע שאם אלה תוצאות המשוואה פירוש הדבר שקיימים אלקטרונים עם מטען חיובי, וקיים בעולם אנטי-חומר. האלקטרונים בעלי המטען החיובי, שכונו פוזיטרונים, אכן התגלו במעבדה שנים ספורות לאחר מכן. קארל אנדרסון עסק בחקר חלקיקים מהקרינה הקוסמית בתא ערפל, שאותו הקיף במגנטים כדי לכוון את מסלול החלקיקים הטעונים. ב-1932 הוא הבחין בחלקיק שנתיבו זהה בצורתו לנתיבם של אלקטרונים, אך הוא נע בכיוון ההפוך, זה היה פוזיטרון. על כך הוא זכה ב-1936 בפרס נובל, כשהיה בן 31. אחת השאלות הבלתי פתורות בפיזיקה של ימינו היא מדוע כמות האנטי חומר ביקום כה קטנה ביחס לכמות החומר הרגיל. לאחר גילוי האנטי-חלקיקים הועלתה השערה לפיה יש ביקום אזורים המאוכלסים באנטי-חומר בלבד, אולם כיום השערה זו אינה מקובלת. ישנן כמה תאוריות לפיהן האנטי-חומר נוצר מיד לאחר המפץ הגדול בשלב הבאריוגנזה ועבר אניהילציה עם החומר שנוצר יחד איתו, אך בשל הפרת סימטריה בשלב כלשהו (בהתאם לאינטראקציות הבין-חלקיקיות שמציעה כל אחת מתאוריות אלה) נשאר יותר חומר מאנטי-חומר. נכון להיום אין אישוש ניסויי להפרת סימטריית CP הנדרשת על פי תאוריות אלה. עם זאת, אנטי-חלקיקים בודדים נוצרים ביקום כל הזמן, למשל בהתנגשויות בין קרני גמא שמקורן בקרינה הקוסמית לבין אטומים באטמוספירה. ייצור אנטי-חלקיקים בודדים הושג עוד בשנות ה-50 וה-60, במהלך ניסויים במאיצי חלקיקים. לעומת זאת, ייצור של אנטי-חומר - קבוצות של אנטי-חלקיקים המאוחדות באמצעות כוחות גרעיניים וחשמליים בדומה לאטומים ה"רגילים" הוא משימה קשה הרבה יותר. פריצת הדרך הראשונה לקראת אפשרות כזאת הושגה בראשית שנות ה-90, כשעובדי מכון פרמילאב גילו שאנטי-פרוטון אנרגטי מאוד העובר בסמוך לגרעין של אטום יכול לגרום ליצירה של אלקטרון ופוזיטרון; אם האנטי-פרוטון יצליח "לחטוף" אליו את הפוזיטרון בהשפעת הכוח האלקטרומגנטי, ייווצר אנטי-מימן, שהוא האטום הכי פחות מורכב של אנטי-חומר. ב-1995 הצליחו במכון CERN לייצר 9 אטומי אנטי-מימן בשיטה שהציעו עובדי פרמילאב, שמאוחר יותר הצליחו לחקות השיטה וייצרו קרוב ל-100 אטומי אנטי-מימן. לאחר ניסויים אלה, חיפשו המדענים דרך "לצנן" את האנטי-פרוטונים, כדי 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. ייצור מיליגרם אחד של אנטי-מימן בקצב זה ייארך כ-170 מיליארד שנה. העלויות הכבדות הכרוכות בייצור אנטי חומר וקצב ייצורו הנמוך יחסית לרצוי לצורכי מחקר ולשימושים אפשריים אחרים, הביאו את מכון NIAC של נאס"א לממן מחקרים הבודקים את האפשרות לאסוף ולהביא לכדור הארץ אנטי-חומר מוכן ממקומות במערכת השמש שם הוא נוצר ומצוי, כגון חגורות ואן אלן והמגנטוספרה של צדק. 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 אלקטרו-מגנטיים (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. בספר "מלאכים ושדים" מאת דן בראון ובסרט בעל אותו שם שהופק על פי הספר משמש מכל אנטי-חומר שנגנב מ-CERN, ומשמש שם כחומר נפץ חדשני ורב עוצמה. ה"מוח הפוזיטרוני" - טכנולוגיה בדיונית ליצירת מוחות לרובוטים נפוצה במדע הבדיוני, למשל בספריו של אייזק אסימוב, או בסדרה "מסע בין כוכבים - הדור הבא", באנדרואיד דאטה. אנטי-חלקיק בוב לזר איאן סטיוארט, מטמון האוצרות המתמטיים של פרופסור סטיוארט, כנרת, זמורה-ביתן, 2016, "מה זה בכלל אנטי־חומר", עמ' 106–112. מדיה וקבצים בנושא אנטי-חומר בוויקישיתוף ארז גרטי, חומר ואנטי חומר, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 2 ביולי 2011 אסף שטול-טראורינג, הישג במרכז האירופי לחקר הגרעין בשווייץ: פיזיקאים לכדו אנטי-חומר למשך זמן שיא, באתר הארץ, 7 ביוני 2011 חגי אדרי, לראות אנטי-חומר, במדור "חדשות מדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 10 בינואר 2017 לי פלג, מכון ויצמן למדע, מכון דוידסון לחינוך מדעי, סודותיו של האנטי-חומר, באתר ynet, 1 בספטמבר 2017 אנטי-חומר, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) מאמר מאת חוקרים במעבדה הלאומית בלוס אלאמוס, ארצות הברית, הקוראים לחקור את התאוצה הגרביטציונית של אנטי-פרוטון מאמר מאת חוקרים באוניברסיטת ברמן, גרמניה, המזכיר את האפשרות שלאנטי חומר יש מסת כבידה שלילית הצילום הראשון של פוזיטרון. הפוזיטרון בצילום נע מלמטה למעלה. אנדרסן הניח בתא הבועות פיסת עופרת כדי להאט את תנועת החלקיקים שחוצים אותה וכך לגרום למסלול שלהם להתעקל. שיטה זו איפשרה לו לזהות אם החלקיקים שנתיבם מצולם נעו מלמטה למעלה או להפך הוצע להשתמש באנטי-חומר כ"דלק" להנעת חלליות