Kiihdytinlaboratorio Cernin tutkijat tekivät tiistaina 24.3. historiaa: antimateriaa kuljetettiin maantiekulkuneuvolla ensimmäistä kertaa koskaan. Antimateria tunnetaan koko maailmankaikkeuden pahimpana räjähdysaineena, mutta mikroskooppisen määrän takia se ei aiheuttanut mitään vaaraa.
Antimateriaa on kuljetettu maantiekulkuneuvolla ensimmäistä kertaa koskaan koko maailmassa. Tämän historiallisen suorituksen tekivät Euroopan hiukkaskiihdytinlaboratorio Cernin tutkijat tiistaina 24. maaliskuuta aamulla. Kuljetus tapahtui Cernin tontilla Ranskan ja Sveitsin rajalla.
Kuorma-auton kontissa kuljetettiin kaikkiaan 92 antiprotonia, Cern tiedottaa. Ne saivat kyytiä neljän kilometrin verran.
Antiprotonit oli vangittu magneettisen tyhjiöpullon eli Penningin pullon sisään. Pulloa ympäröi jäähdytysjärjestelmän sisältävä kontti. Se painoi kaikkineen 850 kilogrammaa, New Scientist kertoi muutama päivä ennen kuljetuksen h-hetkeä.
Magneettikentän tarkoituksena on estää antihiukkasia koskettamasta tavallista ainetta. Jos antihiukkaset ottaisivat osumaa tavalliseen aineeseen, ne tuhoutuisivat heti. Jäähdytystä järjestelmä puolestaan tarvitsee siksi, että magneettikenttä luodaan suprajohtavissa langoissa kulkevasta vahvasta sähkövirrasta sähkömagneettisella induktiolla. Suprajohtavuus ei toimi normaalilämpötilassa.
Maailman vahvinta räjähdettä
Antimateria tunnetaan koko maailmankaikkeuden voimakkaimpana räjähdysaineena, sillä edellä mainittu tavallisen aineen ja antiaineen reaktio vapauttaa energiaa valtavasti. 92 antiprotonia on kuitenkin määränä niin valtavan pieni, että mitään käytännön vaaraa Cernin antimateriakuljetuksesta ei aiheutunut.
- Lue myös Tekniikka&Taloudesta:
Yhden protonin massa on 1,6726 × 10⁻²⁷ kg, ja antiprotonin ja protonin massat yhtä suuret. Niinpä Cernin rahtaamien 92 antiprotonin massaksi tulee 1,54 × 10⁻²⁵ kg eli 0,154 zg.
Tämä määrä ei uhkaa mitään eikä ketään, vaikka aine onkin väkevintä koko avaruudessa. Myöskään minkäänlaista säteilyvaaraa antimateriakuljetus ei aiheuttanut, Cern korostaa.
Toisaalta jo noin 10 nanogramman antiainelasti olisi erittäin vaarallinen ja lauetessaan panisi koko kuorma-auton päreiksi. Kiistattomasti turvallisen kuljettamisen rajana voitaneen pitää noin 0,1 nanogrammaa eli 10⁻¹⁰ grammaa eli 0,000 000 000 1 grammaa.
10 grammaa antimateriaa olisi jo verrattavissa strategisiin 400 tnt-kilotonnin ydinpommeihin. Tämän tiedon laskemme jutun lopussa.
Tavoitteena lähes 1000 km kuljetus maanteillä
Tiistain kuljetus oli vasta kokeellinen, mutta Cernin tutkijat tähtäävät sillä todelliseen hyötyyn. Tavoitteena on saada antiprotoneja rahdattua Cernin Base-nimisestä laboratoriosta eli ”antimateriatehtaasta” Saksaan Düsseldorfin yliopistoon. Siellä voitaisiin tutkia tarkemmin antiprotonien ominaisuuksia, kuten niiden magneettista momenttia.
Düsseldorfin ja Cernin välimatka linnuntietä on noin 560 kilometriä. Maanteitse Sveitsin keskusalangon ja Reininlaakson kautta etäisyyttä kertyy 775 kilometriä, mikä kestää noin kahdeksan tuntia.
”Jotta pääsisimme sinne, meidän täytyisi pitää suprajohtava magneetti alle 8 kelvinin lämpötilassa koko tuon ajan. Niinpä nestemäisen heliumin lisäksi tarvitsisimme jäähdyttimen ja sille sähköt. Tutkimme sitä mahdollisuutta parhaillaan”, kertoo kuljetushankkeen johtaja Christian Smorra.
Jos kuljetus Düsseldorfiin onnistuu lähitulevaisuudessa, Cern saattaa alkaa toimittaa antimateriaa myös muihin eurooppalaisiin yliopistoihin.
Välineet antiprotonien tutkimista varten löytyisi Cerniltä itseltäänkin, mutta paikan päällä tehtäviä mittauksia vaivaa yksi ongelma. Base-laboratorion omat massiiviset laitteet aiheuttavat sähkömagneettisia häiriöitä, jotka rajoittavat magneettikentän mittaustarkkuuden noin yhden nanoteslan tasolle.
Olettaen että Cernin kuljetuksessa kuorma-auto ja kuljetuskontti yhdessä painoivat reilut 10 tonnia, saadaan hyötykuorman osuudeksi noin 10⁻²⁹ eli noin 10⁻²⁷ prosenttia. Auki kirjoitettuna se tekee 0,000000 000000 000000 000000 001 prosenttia.
Ainoa antiprotonitehdas maailmassa
Cern on ainoa paikka koko maailmassa, jossa antiprotoneja kyetään nykyisin tekemään.
Positroneja eli antielektroneja sitä vastoin voidaan tuottaa pieniä määriä aivan helposti tiettyjen beetahajoamis-tyyppisten ydinreaktioiden kautta. Koska positronit ovat näinkin triviaaleja tuttavuuksia, antimateriasta puhuttaessa tarkoitetaan käytännössä usein juurikin antiprotoneja.
Toisaalta myös positronien tapauksessa säilytys missään astiassa on hyvin vaikeaa. Ydinreaktioissa spontaanisti vapautuvat positronit hajoavat nopeasti pois.
Protonit ja niiden sukulaishiukkaset neutronit löytyvät tunnetusti atomien ytimistä. 99,95–99,97 prosenttia (*) kaiken tavallisen aineen massasta ympärillämme on protoneissa ja neutroneissa. Atomiytimiä kiertävät elektronit ovat erittäin kevyitä, samoin positronit.
Mitä antiaine on?
Antimateria eli antiaine tarkoittaa ainetta, joka koostuu tavallisen aineen antihiukkasista eli vastahiukkasista. Kunkin antihiukkasen massa on sama kuin tavallisen vastaavan hiukkasen, mutta sähkövaraus ja muut ominaisuudet vastakkaiset.
Antimaterian magneettisten ominaisuuksien tutkimusta, jota Cern pyrkii edistämään, motivoi yksinkertainen kysymys: Onko asia todella täsmälleen kuten edellä sanottiin? Vai saattaisiko antiaineen ja tavallisen aineen joissakin ominaisuuksissa olla pieniä eroja?
Antimateria on siinä mielessä luonnollista, että sen olemassaolo on suorastaan välttämätön osa maailmankaikkeuden rakennetta. Antihiukkaset ovatkin tyhjiössä stabiileja aina, jos niitä vastaava tavallinen hiukkanen on stabiili. Antihiukkaset voivat myös muodostaa atomeja, molekyylejä ja jopa makroskooppisia kappaleita – mutta vain keskenään.
- Lue myös Tekniikka&Taloudesta:
Käytännössä antiainetta ei esiinny luonnostaan missään, paitsi ohimenevästi eräissä ydinreaktioissa. Tämä johtuu edellä mainitusta antimaterian kummallisesta ominaisuudesta: jos se koskee tavallista ainetta, se räjähtää.
Esimerkiksi protonin ja antiprotonin kohdatessa niiden puoliintumisaika on 1,0 mikrosekuntia eli 0,000 001 sekuntia. Tätä runsaasti energiaa vapauttavaa reaktiota nimitetään annihilaatioksi.
Paljon energiaa: Näin se lasketaan
Annihilaatiossa miltei kaikki hiukkasparin ominaisuudet katoavat olemasta. Esimerkiksi vastakkaiset sähkövaraukset kumoutuvat, eikä niitä enää ole. Massa ja energia eivät kuitenkaan voi olla negatiivisia, eikä energiaa voi kadota.
Juuri tästä syystä hiukkasten massaa vastaava energia vapautuu ilmoille. Energian määrä lasketaan Albert Einsteinin yksinkertaisella mutta kuuluisalla yhtälöllä:
E = mc²
Tässä m tarkoittaa energiaksi muuttuvan massan kokonaismäärää. Koska annihilaatiossa katoaa itse antihiukkasen lisäksi myös sitä vastaava tavallinen hiukkanen, yhtälö muuttuu muotoon
E = 2mc²
missä E on energia, m antimaterian massa ja c valon nopeus.
Jos kaavaan sijoitetaan massaksi 1 kg ja valon nopeus 299 792 458 m/s, saadaan vastaukseksi noin 180 petajoulea.
Koska yksi tnt-tonni on määritelty yhdeksi gigakaloriksi (4,184 GJ), vastaisi yksi kilogramma antimateriaa 43 tnt-megatonnin ydinpommia. Se on lähes yhtä paljon kuin historian suurin ydinpommi, Neuvostoliiton lokakuussa 1961 räjäyttämä Tsar Bomba (50 Mt).
10–30 grammaa antiainetta on toisin sanoen samassa suuruusluokassa ydinasevaltojen nykyisten noin 400–1200 tnt-kilotonnin strategisten ydinkärkien kanssa.
Vastaavasti 0,5 grammaa tarkoittaisi pienehköä reilun 20 kilotonnin pientä ydinpommia, jollaiset Yhdysvallat pudotti vuonna 1945 Hiroshimaan ja Nagasakiin Japanissa.
10 nanogrammaa vastaisi noin 400 grammaa tnt:tä. Se tuhoaisi todennäköisesti koko kuormurin, vaikka kuljettaja saattaisikin jäädä henkiin – jopa luultavasti, jos välissä olisi turvaseinä.
Jos 43 megatonnin pommi räjäytettäisiin optimaalisella korkeudella noin 11 km ilmassa, se aiheuttaisi 3. asteen palovammoja noin 55 kilometrin etäisyydelle. Tätä voidaan pitää suurin piirtein tappavana välimatkana ulkoilmassa seisovalle ihmiselle.
Räjähdyksen paineaalto romahduttaisi suurimman osan puutaloista noin 25 km päähän. Tulipallo olisi halkaisijaltaan 9–10 kilometriä eli säteeltään vajaat 5 km.
Räjähdyksissä maanpinnalla maaperä ottaa itseensä osan energiasta. Kolmannen asteen palovammoja 43 Mt pommista saisikin pintaräjähdyksessä ”vain” noin 50 km päähän. Puutalot tuhoutuisivat reilun 15 km päähän.
Toisaalta tulipallo olisi hieman isompi, halkaisijaltaan 12-kilometrinen, koska kiehuvan kallioperän paine laajentaisi sitä.
Tuhovaikutukset on laskettu ydinasehistorioitsija Alex Wellersteinin toteuttamalla Nukemap-karttalaskurilla.
(*) Tarkka prosentti riippuu siitä, miten paljon kulloinkin tutkittavassa aineessa on vetyä. Vety-ytimet ovat pelkkiä protoneja, mutta muiden alkuaineiden ytimissä on protoneja ja neutroneja suunnilleen yhtä monta.
- Lue myös Tekniikka&Taloudesta:
