Atom do składania

Konstruując świat Matka Natura nie grzeszyła rozrzutnością. Niemal wszystko, z czym stykamy się na co dzień, składa się z atomów zbudowanych na podstawie tego samego, dość prostego przepisu: trójki kwarków (dolnych i górnych) należy odpowiednio posklejać w protony i neutrony, po czym utworzyć z nich większe kompleksy – jądra atomowe. Te ostatnie trzeba jeszcze otoczyć chmurami elektronów i gotowe. Kwarki zaledwie dwóch rodzajów plus elektrony to zadziwiająco skromny zestaw podstawowych klocków. Fizycy znają znacznie więcej cząstek elementarnych. Próbują tworzyć z nich atomy, które w naturze nie występują.

Jak zbudować egzotyczny atom? Można byłoby zrobić coś z jądrem, na przykład wymienić znajdujące się w nim cząstki na inne. Ten pomysł jest jednak trudny do zrealizowania. Znacznie prostsze są zabawy z zewnętrznymi częściami atomów – tymi, w których przebywają elektrony. Cząstki te można dość łatwo zastąpić innymi, byle o tym samym, ujemnym ładunku elektrycznym. Dobrym kandydatem są miony. Ponieważ mion ma masę ok. 200 razy większą od elektronu, przebywa bliżej jądra. Tak skonstruowany atom jest więc mniejszy, bardziej zwarty. Ten wyścig w kategorii wagowej można kontynuować, bo na liście cząstek elementarnych znajdziemy jeszcze kilka z ujemnym ładunkiem elektrycznym i dużą masą. Należą do nich na przykład niektóre mezony (270 mas elektronu) oraz mezony K (prawie 1000 mas elektronu).

Mezony nie są fundamentalnymi cegiełkami natury. Każdy z nich to kompleks – para, w której cząstka ze świata materii (kwark) oddziałuje z cząstką antymaterialną (antykwarkiem). Fizycy szybko zrozumieli, że antymateria jest niezwykle atrakcyjnym tworzywem do budowy egzotycznych atomów. Antycząstki najważniejszych cegiełek naszego świata – kwarków i elektronów – różnią się znakiem ładunku elektrycznego. Zatem jeśli elektron ma ładunek elektryczny ujemny, jego antycząstka – pozyton – musi mieć dodatni. Podobnie jeśli w dodatnio naładowanym protonie podmienimy oba kwarki górne i dolny na odpowiadające im antykwarki, otrzymamy antyproton o ujemnym ładunku elektrycznym. A skoro antyproton jest ujemny, nic nie stoi na przeszkodzie, aby wykorzystać go w charakterze superciężkiego zamiennika elektronu. Wówczas w atomie zaczynają się dziać naprawdę ciekawe rzeczy.

Jak to się dzieje, że elektron krążąc wokół jądra atomowego nie spada? Gdyby poruszał się jak planety, powinien stopniowo tracić energię, co skończyłoby się uderzeniem w jądro. Atomy byłyby nietrwałe, a przecież nie są. Sporo czasu zajęło, zanim zrozumieliśmy, że w rzeczywistości elektrony także spadają, lecz skokami, i że proces ten kończy się długo przed dotarciem do jądra. W pewnym momencie elektron po prostu dociera na „orbitę”, na której ma najmniejszą energię z możliwych. Ta „orbita” znajduje się bardzo daleko od centrum, dlatego zwykłe atomy są ok. 10 tys. razy większe od jąder i są trwałe. A my możemy istnieć.

Gdy antyproton porusza się wokół jądra, wyrzuca z atomu elektrony i emituje promieniowanie rentgenowskie, a to oznacza utratę energii i związany z tym spadek na niższą „orbitę”. Tym razem nie ma happy endu. Antyproton ma masę niemal 2 tys. razy większą od elektronu i najbardziej wewnętrzna „orbita”, odpowiadająca najniższej energii, znajduje się wewnątrz atomowego jądra. Musi dojść do zderzenia. Antykwarki w antyprotonie anihilują wówczas z kwarkami w protonach lub neutronach jądra (podczas tych oddziaływań cząstka i odpowiadająca jej antycząstka zostają zamienione na fotony), przy okazji prowadząc do zniszczenia całego kompleksu.

Ten efektowny proces jest niezastąpionym narzędziem w badaniu struktury jąder atomowych. Podczas spadku antyproton cały czas emituje promieniowanie rentgenowskie. Fizycy mierzą je bardzo skrupulatnie, zazwyczaj od momentu, w którym antyproton wyrzucił już wszystkie elektrony z atomu. Gdy emisja rentgenowska ustanie i pojawi się promieniowanie anihilacyjne, wiemy, że antyproton dotarł do jądra. W ten sposób możemy wnioskować o rozmiarach i strukturze tego ostatniego. Egzotyczne atomy z antyprotonami zamiast elektronów są więc doskonałymi narzędziami do badania zjawisk zachodzących wewnątrz atomowych jąder.

Największym producentem antyprotonów jest CERN – ośrodek Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, którego kluczowe urządzenia znajdują się pod Genewą. Antyprotony miesza się tam ze zwykłymi jądrami atomowymi, co w części przypadków prowadzi do powstania egzotycznych atomów. – Badania atomów antyprotonowych prowadzi się od 30 lat. Takie działania to obecnie standard – mówi prof. Sławomir Wycech z Instytutu Problemów Jądrowych (IPJ) w Świerku. Naukowcy planują jednak pójść dalej. Chcą zbudować dziwaczne atomy na dziwacznych jądrach, które będą się składać (podobnie jak zwykłe) z protonów i neutronów, ale tych ostatnich będzie więcej niż w pierwiastkach występujących obecnie w przyrodzie.

W normalnych jądrach atomowych znajdują się zarówno protony, jak i neutrony. Lecz gdy dodamy trochę neutronów, będą one słabiej związane i w konsekwencji wypłyną na powierzchnię jądra. Mogą też wystąpić inne sytuacje. Jądro zazwyczaj jest małe – ma rozmiary kilku femtometrów (1 fm = 10–15 m). Dodatkowy neutron może być z nim słabo związany i wtedy jądro robi się bardzo duże. Antyproton przywiązany do takiego dużego jądra wyczuwałby ze sporej odległości to, co dzieje się na jego powierzchni, pełniłby więc znów funkcję sondy. Ale po co sondować dziwaczne, neutronowo nadmiarowe jądra? – Poznanie ich właściwości jest istotne, bo mogły mieć znaczenie w procesie powstawania pierwiastków we Wszechświecie – wyjaśnia dr hab. Zygmunt Patyk z IPJ. – Ciężkie pierwiastki narodziły się najprawdopodobniej podczas wybuchów gwiazd. Przypuszczamy, że podczas eksplozji supernowych uwalniają się ogromne ilości neutronów, które są chętnie wychwytywane przez jądra atomowe. Cykl wytwarzania ciężkich pierwiastków zapewne przebiegał
właśnie szlakiem jąder neutronowo nadmiarowych.

Jądra atomowe z nadmiarem neutronów zazwyczaj żyją bardzo krótko. Nie jest to przeszkodą w badaniach, bo gdy „sonda” – antyproton – już zwiąże się z jądrem, spada na nie w ciągu zaledwie 10–12–10–13 s. Wystarczy więc, aby jądro żyło 10–10 s. Najpierw trzeba je jednak wytworzyć. Najlepszym miejscem byłby CERN, gdzie mogłyby się spotykać wiązki antyprotonów oraz dziwacznych jąder atomowych, ale przeprowadzenie tego eksperymentu pod Genewą kosztowałoby zbyt drogo. Jest bardziej prawdopodobne, że produkcję podwójnie egzotycznych atomów uda się uruchomić w ośrodku GSI w Darmstadt w Niemczech, gdzie po 2016 r. będą wytwarzane antyprotony i jądra atomowe z nadmiarem neutronów.

Jest też trzeci ciekawy projekt, w którym oprócz naukowców z Japonii, Niemiec i Finlandii brałby udział prof. Sławomir Wycech. Japończycy od pewnego czasu uruchamiają w Tokio nadprzewodzący synchrotron RIKEN RIBF – największe na świecie źródło nieistniejących w naturze jąder atomowych. Lecz skoro akcelerator wytwarzający dziwaczne jądra jest w Japonii, a antyprotony powstają w CERN, coś trzeba będzie do jednego z laboratoriów dowieźć. Nietrudno ustalić co, bo egzotyczne jądra w najlepszym przypadku żyją kilka godzin. Zatem trzeba by transportować antymaterię. Na szczęście jest czym, bo Japończycy mają odpowiednią walizkę. – Widziałem ją. Na razie ma dość duże rozmiary, około metra sześciennego – opisuje prof. Wycech. – Ale to się szybko zminiaturyzuje.

Antyprotony są cząstkami naładowanymi. Można więc tak ukształtować pola elektryczne i magnetyczne, aby antyprotony krążyły w nich, nie dotykając ścian walizki. Czy więc antymateria trafi do luków bagażowych w samolotach? Naukowcy nie mają złudzeń, że jakakolwiek linia lotnicza zgodzi się przewieźć antyprotony, zwłaszcza po sukcesie filmu „Anioły i demony”, w którym iluminaci zamierzają zniszczyć Watykan za pomocą antymaterii wykradzionej z genewskiego laboratorium. Dlatego walizki z antymaterią popłyną do Japonii statkami. Czas transportu wydłuży się do wielu tygodni, ale w końcu antyprotony dotrą na miejsce.

Procesy zatrzymywania się antyprotonów w materii nie są dobrze zrozumiane. Mają jednak ogromne znaczenie, bo dzięki nim możemy analizować strukturę powierzchni jądra i jego otoczkę neutronową. Być może przy okazji rozwikłamy zagadkę różnic między materią a antymaterią i znajdziemy odpowiedź na pytanie, dlaczego istnieje Wszechświat? Tuż po Wielkim Wybuchu wypełniały go równe liczby cząstek i antycząstek, które szybko zaczęły anihilować. Z jakichś powodów odrobina materii przetrwała tę apokalipsę. Dlaczego? Dziś nikt nie potrafi odpowiedzieć.

Badania nad egzotycznymi atomami są ważne nie tylko dla fizyków i kosmologów. Wiązki antyprotonowe można bowiem wykorzystać do niszczenia komórek rakowych. Od 2003 r. w CERN prowadzi się badania nad oddziaływaniem wiązek wolnych antyprotonów na komórki rakowe. Okazuje się, że przy tych samych efektach leczniczych wiązki te mogą być czterokrotnie słabsze od dotychczas stosowanych protonów. To istotna różnica, bo oznacza, że podczas naświetlania zostanie uszkodzonych mniej zdrowych komórek.

Przy tym zachowanie antyprotonów jest bardziej przewidywalne. W ciele nie mają z czym anihilować, bo kwarki są tylko w małych jądrach atomowych, a w nie trudno trafić. Dopiero gdy energia antyprotonów spadnie, mogą z daleka związać się z jądrami atomowymi, a następnie na nie spaść. Antyprotony zatrzymują się więc w organizmie na dość dobrze określonej głębokości, zależącej od ich energii.

Być może dzięki badaniom egzotycznych atomów poznamy również mechanizmy, które w przyszłości pozwolą tak dopasować energie antyprotonów, aby te wchodziły w oddziaływanie tylko z jądrami określonych pierwiastków. Mielibyśmy wówczas w ręku doskonałe narzędzie do walki z komórkami rakowymi. Ale aby takie narzędzia bezpiecznie stosować, potrzebna jest szczegółowa wiedza o tym, co dzieje się z antyprotonem podczas spadku na jądro i jakie własności mają produkty anihilacji.

Dziś już nietrudno przewidzieć, że z zabaw z egzotycznymi atomami skorzystają pacjenci z chorobami nowotworowymi. I że za 10 czy 20 lat antyprotony, śladem tomografów pozytonowych PET, trafią do szpitali.

Jarosław Chrostowski