Horisondi logo
<< | Arhiiv | Lingid | Tellimine | Impressum | e-post
Horisont 2/2000
ILMARUUMI ANTIAINE JAHILE
HENN KÄÄMBRE

   Mis on antiaine?

   Liide anti- (kr. k.) tähendab vastu-, vastas-. Mis siis võiks olla "vastas-aine"? Teame, et aine koosneb molekulidest, molekulid aatomitest, aatomid aga omakorda prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Positiivse elektrilaenguga prootonid koos laenguta neutronitega moodustavad aatomituuma, mille ümber tiirlevad negatiivse laenguga elektronid. Aatom on siis nagu pisitilluke päikesesüsteem: positiivselt laetud tuum päikeseks, negatiivse laenguga elektronid planeetideks. Erinevalt Päikesesüsteemist ei hoia aatomit koos raskus- ehk ravitatsioonijõud, vaid sellest võrratult tugevam elektrijõud, tõmme positiivsete ja negatiivsete laengute vahel. (See aatomipilt on väga tugevasti lihtsustatud, ta ei seleta hoopiski kõike aatomimaailmas toimuvat. Meile aga piisab järgneva mõistmiseks sellest primitiivsestki mudelist.)

   Kas on olemas ainult ühesuguse, positiivse laenguga prootoneid ja negatiivseid elektrone? Kas ei või olla ka negatiivseid prootoneid ja positiivseid elektrone? Selgub, et võib küll. Positiivseid elektrone kutsutakse positronideks ja negatiivseid prootoneid antiprootoniteks. Nende olemasolu ennustas 1928 teoreetiliselt Paul Dirac. Katses, kosmilisi kiiri uurides avastas positronid 1932. a. Carl D. Anderson ja anti-prootonid 1955. a. Emilio Segré koos kaastöölistega hiidkiirendil töötades. Nad on antiosakesed, vastas-osakesed prootonile ja elektronile. Osakesed ja antiosakesed on karvapealt ühesuguse massiga, kuid vastasmärgilise laenguga. Kuigi neutron on neutraalne, laenguta, on temalgi oma antiosake – antineutron. Mispoolest ta erineb neutronist, kui kumbki ei kanna elektrilaengut? Algosakesi iseloomustab rida teisigi tunnuseid peale elektrilaengu. Nendest mitmete, näiteks magnetomaduste poolest erinebki antineutron neutronist.

   Nüüd hakkame ka taipama mõiste antiaine sisu: antiaine koosneb antiaatomitest, mille tuumades on prootonite asemel antiprootonid ja antineutronid ning tuumade ümber ringlemas positronid (vt. joonis).

   Kas antiainet ongi olemas?

   On tuvastatud, et antielektronid, positronid võivad elektronidega paaris tekkida gammakiirguse piisava energiaga footonite põrgetel aatomituumadega. Neid tekib ka mõnede ainete radioaktiivsel lagunemisel (positroonne beetalagunemine). Antiprootoneid on "nähtud" hiigelenergiateni kiirendatud prootonite põrgetel aatomituumadega. Ent kuidas on lugu antiainega? Kiirendikatsetes on õnnestunud saada üksikuid antivesiniku ja antiheeliumi (täpsemalt, heeliumi isotoobi 3He) tuumi. Aga looduses, Universumis? Tuleb tõdeda, et siiamaani pole veel leitud ainsatki vihjet loodusliku antiaine olemasolust kusagil kosmoses, meie koduplaneedist rääkimata.

   Lepitamatu vastuolu

   Kas osakesed ja antiosakesed, aine ja antiaine üldse võivadki rahumeelselt koos eksisteerida? Ei, hoopiski mitte. Nad on tõelised antagonistid, lausa "verivaenlased", kes ei talu teineteist. Antiosakese ja osakese kohtumisel toimub midagi dramaatilist, katastroofilist, toimub vältimatult nende annihilatsioon. Nihil on ladina keeles eimiski. See käibetermin pole aga eriti õnnestunud. Algosakesed ei hävi täielikult, ei muutu eimiskiks, vaid uuteks algosakesteks. Näiteks elektroni ja positroni põrkel, annihilatsioonil, muunduvad nad kaheks gammafootoniks, gammakiirguse osakeseks.

   Antiaine ja aine annihilatsioonil vabaneks päratud energiahulgad. Energiasaagis oleks tuhandeid kordi suurem kui isegi termotuumareaktsioonidel. Nt tikupea massiga aine ja antiaine hulkade annihilatsioonil vabaneva energiaga saaks üles lennutada kosmoseraketi. Võib vaid õlgu väristades kujutleda, mis juhtuks siis, kui Maale lendaks kusagilt antiainest meteoriit. Eks Tunguusi meteoriidiplahvatust olegi selliseks hiidkatastroofiks peetud, kuid siiski piisava põhjenduseta.

   Kuidas antimaailmu ära tunda?

   Võib siiski oletada, et mõni kauge galaktika koosneb tervenisti antiainest. Kuidas selliseid antimaailmu ära tunda? Kas nüüdisaegsed võimsad teleskoobid ja tähespektromeetrid seda kuidagi ei näita? Kahjuks tuleb teooriale tuginedes siiski tõdeda, et aine ja antiaine aatomite spektrid üldsegi ei erine, astronoomide käsutuses olevate vahenditega pole lootust antimaailmu leida.

   Tõsi küll, Universum pole staatiline, vaid alalises liikumises ja muutumises. Kui mingi ruumiosa hõlvanuks antiaine, pidanuks see ajapikku, aastamiljardite jooksul vältimatult sattuma kokkupuutesse ainega ja sellega annihileeruma. Siis aga pidanuks maailmaruumis olema täheldatav annihileerumisel tekkiva gammakiirguse taust. Sellest pole aga hoolsatele otsingutele vaatamata leitud mingit märki.

   Miks meie maailm koosneb üksnes ainest? Miks loodus, mis nii tihti (kuigi mitte päris alati) eelistab sümmeetriat, sallib üksnes positiivse laenguga prootoneid ja negatiivseid elektrone, mitte aga nende vastaslaenguga paarilisi? Teoreetikud on välja arvutanud, et meie maailma sünnihetkel, hiidplahvatusel, mida kutsutakse Suureks Pauguks, pidi osakesi ja antiosakesi tekkima võrdsetes kogustes. Siis peaks ka ainet ja antiainet olema Universumis ühepalju. Kui aga miski ei vihja antiaine olemasolule, kuhu ta siis jäi? See on üks tänapäeva füüsika ja kosmoloogia painavamaid mõistatusi. On küll pakutud hüpoteese selle aine/antiaine järsu asümmeetria seletamiseks. Nii näiteks väljendas Andrei Sahharov 1967. a. arvamust, et "loomise" alghetkedel toimunud teatavate pöördumatute protsesside tagajärjel võinuks ainet tekkida õige pisut (nt. miljardikosa) rohkem kui antiainet. Varsti pärast seda ülejäänud aine ja antiaine annihileerusid, ja tänapäeva Universumi kogu aines põlvneb tollest pisiliiast. Kuid siiamaani on oletused jäänud ikkagi vaid oletusteks.

   Kummatigi ei või nõnda keskses ja otsustavas küsimuses, nagu seda on aine/antiaine vahekord, piirduda vaid oletustega ja loobuda edasistest otsingutest. Võib ju näiteks olla, et senikasutatud aparatuur antiaine tuvastamiseks pole olnud küllalt tundlik või on sel muid puudusi.

   Kui kusagil oleks antiainet, peaks meieni jõudma vähemasti üksikuid antiaine aatomeid (või vähemalt nende tuumi), millel on õnnestunud Kosmose ääretus tühjuses vältida põrkumist aineaatomitega. Nende avastamine oleks kõige veenvamaks ja otsesemaks tõestuseks antiaine eksistentsile Universumis. Neid ei saa aga põhimõtteliselt avastada maapinnal, isegi kõrgmägedes asuvates laborites: juba atmosfääri ülakihtides ei õnnestuks neil annihileerumis-hukku vältida. "Võrk" nende püüdmiseks, kogu otsinguaparatuur tuleb viia avakosmosse, küllalt suurel kõrgusel tiirlevasse kosmosejaama, kus jääkgaas on ülihõre.

   Antiaine jahile

   1994. aastal tegigi nimekas füüsik Massachusettsi Tehnoloogiainstituudist, Nobeli laureaat Samuel Ting USA kosmoseagentuurile NASA ettepaneku luua labor antiaine otsinguiks tehiskaaslasele. NASA soostus. Selle üpris keeruka projekti elluviimiseks moodustas Ting rahvusvahelise teadlasmeeskonna, haarates peale USA asjatundjate kaasa teadlasi Hiinast, Venemaalt, Taiwanilt, Saksamaalt, Itaaliast, Šveitsist jt. Euroopa maadest. See on täiesti uudne kosmonautika ja osakestefüüsika sümbioos, suland. Kosmoselend esitab, võrreldes maapealse laboriga, katseseadmele sootuks raskemaid tingimusi. Lisaks seadme suuruse, kaalu ja elektritarbe rangeile piiranguile, ei tohi ta häirida kosmosejaama enda seadmete funktsioneerimist ega seada ohtu astronautide elu. (Meenutagem, et isegi lennukis keelatakse reisijail kasutada elektroonikaseadmeid, et mitte häirida navigatsiooniaparatuuri.) Aparatuur peab taluma hiiglaslikke kiirendusi kosmosesõiduki tõusul/maandumisel (need ulatuvad 15-kordse raskuskiirenduseni), pöörast müranivood (kuni 150 detsibelli), kannatama järske temperatuurikõikumisi avakosmoses, radiatsiooni, funktsioneerima ilmaruumi ülivaakumis. Loomulikult peab ta olema käsitsetav peaasjalikult kaugjuhtimise teel, vaid ühe või väheste kosmoselendurite abil.

   Pingne ühistöö oli viljakas ning 2. juunil 1998 lennutati Kennedy neemelt esimene katseeksemplar, kolmetonnine alfa-magnetspektromeeter (AMS) kosmosesüstiku Discovery pardal kümnepäevasele lennule. See polnud spektromeeter tavamõistes, ta ei lahutanud valgust vikerkaarevärvideks – nagu nägime, poleks antiaine otsingul sellest mingit kasu. AMS annab hoopis aineosakeste spektri, näidates, kui palju igat erinevat tüüpi osakesi/antiosakesi teda läbib.

   Ehituselt ja mõõdetelt meenutab AMS umbes meetrise kõrguse ja läbimõõduga tünni. Tünni külgseinte osas on tugev püsimagnet, mis on kokku monteeritud 6000st neodüümi, raua ja boori sulamist valmistatud magnetklotsist. Magnetväljal on osakeste ja antiosakeste eristamisel otsustav osa. Ta kõverdab osakeste teed ühes, antiosakeste oma vastassuunas, nõnda et välja kõrvuti sisenenud osakese-antiosakese paari trajektoorid lahknevad kreeka tähe ° taoliseks. Püsimagnet tuli valida muidugi seepärast, et kosmoselaeval pole küllalt võimsaid energiaallikaid tugeva elektromagneti käitamiseks. Tünni sees on 6 kihti õhukesi osakeste pooljuhtdetektoreid. Tünni kaane ja põhja moodustavad veel mitut tüüpi osakestetajurid. Koostöös arvutitega annavad kõik need tajurid ühtekokku kolmemõõtmelise väga täpse pildi "tünni" läbinud osakeste trajektooridest, määravad osakeste kiiruse, laengu, lennusuuna ja massi1. Mällu salvestatud miljonitest trajektooridest valitakse vastava programmi abil välja huvipakkuvad, mis lähevad edasistele uuringutele. Magnet valmistati ja testiti Hiinas, detektoritesüsteem Euroopa Tuumauuringutekeskuses (CERN), seade monteeriti kokku Šveitsis, Zürichis ja transporditi sealt kosmosesüstikule paigaldamiseks ja üleslennutamiseks USAsse.

   Praegu on AMSi abil saadud hiiglaslik andmepank (AMSi läbistas kokku 100 miljonit osakest) alles pingsas töötluses. Esialgu pole sensatsioonilisi teateid antituumade avastamisest veel saabunud. Ainsad antiosakesed, mida kosmosest tulevas kiirguses seni on täheldatud, on positronid ja antiprootonid. (Kosmilist kiirgust uurides ju positron avastatigi.) Kummatigi võib väga kindlalt väita, et nii ühed kui teised on tekkinud põrkeprotsessides Maa lähikonnas ega ole kauged kosmosekülalised.

   Kuid tunamullune on alles algus, proovikatse. See näitas, et säärane kosmoseseade töötab ja on kasutamiskõlblik. Algaval aastatuhandel läkitatakse ilmaruumi suuremad ja võimsamad antituumade püünised.

   Antiaine-probleemi 1998 teoorias süvitsi käsitlenud Andy Cohen, Alvaro de Rújula ja Sheldon Glashow arvavad: "Antiaatomite tuumade avastamine kosmilises kiirguses võib kõigutada meie praegusi arusaamu kosmose ehitusest." Jääme ootama olulisi täiendusi meie maailmapildile.


   1 Kui osakesed ja antiosakesed on nii altid annihileeruma, siis kerkib küsimus, kuidas neid üldse saab ainest valmistatud detektoritega tuvastada, miks antiosakesed ei hävi juba detektorisse sisenemisel. Asi pole siiski nii lihtne. Annihileerumiseks peab neil olema sobiv energia (kiirus aineosakeste suhtes), lisaks peavad nad mööduma aineosakestest küllalt lähedalt. Enne annihileerumist detektoris aineaatomeist "ohutuski" kauguses möödudes suudavad nad signaali esile kutsuda.

   HENN KÄÄMBRE (1935) on
Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi vanemteadur.
Füüsika-matemaatikadoktor.

Pildid:

Viimati uuendatud 6. juuni 2003