Anihilacja polska

22 listopada 2023
Blog szalonych naukowców

Polskę czeka anihilacja! – mieliśmy okazję usłyszeć ostatnio z ust znanego polityka. Brzmi strasznie, ale jak już się przerazimy i odetchniemy, zastanówmy się, co to słowo właściwie znaczy.

Anihilacja to termin używany w dzisiejszej fizyce. Pochodzi od łacińskiego nihil, czyli nic (np. creatio ex nihilo – stworzenie z niczego, nihil novi – nic nowego). Dosłownie unicestwienie, obrócenie w nicość.

Ale w przyrodzie przecież nic nie ginie, czyż nie obowiązują zasady zachowania? W tym wypadku zasady mechaniki kwantowej, wedle których liczba cząstek danego typu pozostaje stała? Na przykład zasada zachowania liczby leptonowej – w każdej przemianie liczba leptonów (cząstek takich jak elektron) pozostaje stała.

Żeby to wyjaśnić, należy odnieść się do pojęcia antymaterii. Za jej odkrywcę uważa się wielkiego fizyka Paula Diraca. Wyprowadził on relatywistyczne (uwzględniające osiągnięcia szczególnej teorii względności Einsteina) równanie opisujące elektron. Po czym zauważył, że spełnia je jeszcze inna, nieobserwowana dotychczas cząstka.

Rozpatrzmy znacznie prostsze równanie x2 = 4. Na pierwszy rzut oka rozwiązaniem otrzymywanym przez spierwiastkowanie obu stron jest x = 2. Po chwili namysłu zauważamy, że istnieje jeszcze drugie rozwiązanie: x = -2.

Podobnie równanie Diraca spełnia cząstka o masie równej masie elektronu i wszystkich innych jej wartościach równych wartościom elektronu pomnożonym przez -1. Tak więc liczba leptonowa postulowanej cząstki byłaby równa -1 (dla elektronu wynosi 1), a ładunek +1. Taką antycząstkę nazwano pozytonem (od dodatniego, czyli pozytywnego ładunku). Dla każdej standardowej cząstki możemy wprowadzić antycząstkę. I tak zdefiniowaną antymaterię w postaci pozytonu niedługo później zaobserwowano.

Elektron i pozyton mają przeciwne ładunki i przyciągają się. Mogą się okrążać, tworząc quasi-stabilny układ zwany pozytonium. Liczba leptonów w tym układzie wynosi 1 + (- 1) = 0. Całkowity ładunek również wynosi 0. Prędzej czy później (piko- albo nanosekundy) cząstki stykają się i anihilują.

Jedynymi wartościami, które w przypadku pozytonium nie sumują się do 0, są masa i zależne od niej energia i pęd. Einstein zweryfikował prawo zachowania masy – jest formą energii i to nie masa, ale całkowita energia zostaje zachowana, zgodnie ze słynnym przelicznikiem E = mc2. Co się więc dzieje z masą anihilowanych cząstek? Przekształca się w czystą energię fotonów (przenoszą także pęd – dlatego w najprostszym ujęciu powstają dwa fotony rozbiegające się w przeciwnych kierunkach, by sumaryczny pęd był zachowany). Przed anihilacją mieliśmy w sumie 0 leptonów (1 dodatni i 1 ujemny) o w sumie zerowym ładunku, po anihilacji mamy tyle samo: żadnych leptonów. Masa przeszła w energię.

Co ciekawe, jeśli prawie cała energia powstających fotonów pochodzi z masy anihilujących cząstek, będzie to energia dość dobrze określona. Korzystając z kolejnego wzoru, tym razem autorstwa Maxa Plancka, E = hv, możemy obliczyć ich częstotliwość v (upraszczając, będą wszystkie mniej więcej tego samego koloru).

Wprowadźmy do organizmu człowieka 18-fluorodeoksyglukozę. To cząsteczka cukru, w której grupa OH została zastąpiona atomem radioaktywnego izotopu fluoru, 18-F. Fluor ten będzie rozpadał się na tlen, dokładniej proton w jego jądrze rozpadnie się na neutron, pozyton i neutrino (niewielką cząstkę o licznie leptonowej 1 – by zrównoważyć powstanie pozytonu, sumarycznie liczba leptonów musi się zgadzać). To tzw. rozpad β+.

Powstały pozyton dość szybko napotyka na swojej drodze elektron naszego ciała, po czym ulegają one anihilacji. Tworzą się dwa fotony o charakterystycznej częstotliwości pędzące w przeciwne strony. Fotony takie łatwo wykryć. Będą dobiegać z tych miejsc w organizmie, gdzie gromadzi się stanowiący źródło energii cukier. Szczególnie aktywne metabolicznie są np. komórki nowotworowe. W ten sposób można wykryć niewidoczne innymi metodami przerzuty. Tak działa PET, pozytonowa tomografia emisyjna.

W zakładach medycyny nuklearnej anihilacja służy diagnostyce od lat. Pozytony wytworzone w cząsteczkach obcej (nie wiadomo, czy na pewno nie niemieckiej) fluorodeoksyglukozy napotykają nasze polskie elektrony naszych polskich ciał i obracają je w nicość, w czystą energię. Panie Prezesie, jest znacznie gorzej, niż Pan mówi. Anihilacja Polski od lat twa w najlepsze.

Marcin Nowak

Ilustracja: Manticorp, Pozytonium, za Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0