Mohou jakékoliv částice anihilovat?

Téměř vše kolem nás, včetně naší planety Země, hvězd a galaxií, je tvořeno normální hmotou. Další složkou vesmíru je antihmota, která může existovat jen ve velmi malém množství. Je velmi podobná normální hmotě, ale některé její fyzikální vlastnosti jsou opačné. Abychom lépe pochopili, z čeho se antihmota skládá a jak interaguje s normální hmotou, musíme lépe porozumět hmotě samotné.

Hmota je to, s čím se setkáváme v každodenním životě: voda, vzduch, kameny… Skládá se z velmi malých částí, kterým se říká atomy. Každý atom má atomové jádro, které obsahuje protony s kladným elektrickým nábojem a neutrony bez náboje neboli neutrální. Atomové jádro obklopují elektrony se záporným elektrickým nábojem. V normálním atomu je tolik elektronů jako protonů, takže atom je celkově neutrální. Protony a neutrony nejsou základní částice, což znamená, že je lze dále dělit. Jsou tvořeny dvěma „vůněmi“ (anglicky „flavour“) kvarků [1], které se nazývají „nahoru“ a „dolů“. Proton má dva kvarky nahoru a jeden kvark dolů, zatímco neutron má jeden kvark nahoru a dva kvarky dolů. Elektron je základní částice, neskládá se tedy z kvarků nebo jiných složek.

Pro každou částici hmoty existuje odpovídající antičástice. Antičásticí elektronu je pozitron. Antičástice protonu a neutronu se nazývají antiproton a antineutron. Jak je to s jejich kvarkovým složením? Možná jste to uhodli: jsou tvořeny antikvarky „nahoru“ a „dolů“. Tyto antičástice mají opačný náboj než jejich protějšek, což znamená, že pozitron je kladný a antiproton záporný. Antineutron je stále neutrální.

Částice a antičástice mohou při interakci (dostatečném přiblížení) anihilovat, čímž se přemění na nové částice a uvolní se velké množství energie. Když anihilují elektron a pozitron, obvykle se přemění na dva fotony (tzv. gama záření). Energie přenášená těmito dvěma fotony odpovídá hmotnosti anihilovaných částic podle známé rovnice E = mc². Protože fotony nemají hmotnost, někdy říkáme, že elektron a pozitron anihilovaly na „čistou energii“.

Podobně mohou anihilovat proton a antiproton (nebo neutron a antineutron). Jen to bude složitější proces, protože se nejedná o základní částice. Nejprve proton a antiproton přeuspořádají své kvarky za vzniku nových částic zvaných mezony [2]. Ty jsou velmi nestabilní, a proto se rychle rozpadají na lehčí částice. Nakonec vznikne směs fotonů, elektronů a neutrin, tedy částic, které se nemohou dále rozpadat ani anihilovat. Neutrino je velmi lehká částice, která snadno prochází hmotou, aniž by na ni nějak působila.

Energie uvolněná při anihilaci je obrovská. Předpokládejme, že anihilujeme jeden kilogram atomů antivodíku, tedy jen antiprotonů s odpovídajícím počtem pozitronů, s normální hmotou (jakýmkoliv prvkem). Uvolnila by se energie odpovídající 43 megatunám TNT, přičemž naprostá většina z ní pochází z anihilace proton-antiproton. Tato energie je srovnatelná s energií bomby Car [3], která byla nejsilnější odpálenou jadernou zbraní. Tato bomba uvolnila tolik energie, že rázová vlna obkroužila Zemi třikrát a mohla způsobit popáleniny v okruhu 100 km od místa výbuchu.

Částice a antičástice odlišných typů mohou v některých případech také anihilovat. Proton a antineutron (nebo antiproton s neutronem) mohou snadno anihilovat přeuspořádáním svých kvarků na mezony velmi podobně jako v případě proton-antiproton. Opět z této anihilace získáme směs fotonů, elektronů a neutrin.

Pozitron naopak nemůže snadno interagovat s kvarky neutronu. Pokud bychom měli dostatek času (pokud by se nám například podařilo pozitron a neutron pevně uvěznit), neutron by nakonec pozitron zachytil, přeměnil by se na proton a uvolnil by neutrino.

A konečně, ten samý pozitron nemůže normálně anihilovat s protonem, a to ze dvou důvodů. Zaprvé tyto částice mají stejný náboj, a proto se mnohem raději odrážejí, než anihilují. Zadruhé pozitron nemůže přeměnit proton na jinou částici kvůli zachování energie a hmotnosti. Všechny možné výsledné kombinace kvarků by byly těžší než proton, a proto nejsou dostupné. Pokud by však bylo zapojeno více energie (například pomocí urychlovače částic [4]), bylo by to možné.

I když si tedy často představujeme částice a antičástice jako výbušnou směs, ne všechny typy se mohou snadno anihilovat. Naopak jaderný fyzik se správným vybavením může anihilovat téměř cokoli.

Pro Zeptej se vědce odpovídal Benoit