Antycząstka to cząstka mająca te same własności masowe co odpowiadająca jej cząstka materialna, lecz z przeciwnym sygnałem niektórych wielkości, przede wszystkim ładunku elektrycznego. Istnieje antycząstka odpowiadająca większości rodzajów cząstek. Ma ona taką samą masę i przeciwny ładunek elektryczny, a także zwykle przeciwny moment pędu i magnetyczny moment dipolowy w stosunku do cząstki materii.

Neutralne cząstki i przypadki szczególne

Nawet cząstki elektrycznie obojętne, takie jak neutron, nie są identyczne ze swoimi antycząstkami — antyneutron składa się z antykwarków, podczas gdy neutron z kwarków. W przykładzie neutronu, "zwykła" cząstka zbudowana jest z kwarków, a antycząstka z antykwarków. Istnieją jednak cząstki, które mogą być własnymi antycząstkami — to tzw. bozony neutralne (np. foton) i hipotetyczne fermiony typu Majorany (w fizyce cząstek trwają badania, czy neutrina są cząstkami typu Majorana).

Anihilacja

Pary cząstka–antycząstka mogą się wzajemnie anihilować, jeśli znajdują się w odpowiednich stanach kwantowych. Podczas anihilacji energia masy spoczynkowej i kinetycznej zamienia się na inne cząstki — najczęściej fotony (np. dwie charakterystyczne wiązki promieniowania gamma 511 keV w anihilacji elektron–pozyton) lub hadrony (mezony) w przypadku cięższych par. Proces ten podlega zasadom zachowania: energii, pędu, ładunku, liczby barionowej (w sensie całkowitym) i innych odpowiednich wielkości kwantowych.

Powstawanie antycząstek

Antycząstki można wytwarzać w różnych procesach. Jednym z podstawowych mechanizmów jest tworzenie par cząstka–antycząstka z energii (pair production) — gdy foton o wystarczająco dużej energii oddziałuje z jądrem lub polem elektrycznym, może powstać para elektron–pozyton. Procesy te są wykorzystywane w akceleratorach cząstek do tworzenia nowych cząstek i testowania teorii fizyki cząstek elementarnych. W laboratoriach wytwarza się także antyprotony, pozytony czy atomy antywodoru przez hamowanie i łączenie antycząstek w pułapkach magnetycznych i elektrycznych.

Wysokoenergetyczne procesy zachodzące w przyrodzie mogą tworzyć antycząstki. Są one widoczne w promieniach kosmicznych i w niektórych reakcjach jądrowych. Detektory kosmiczne i naziemne rejestrują np. antyprotony i pozytony pochodzenia kosmicznego, co jest również badane w kontekście poszukiwania sygnałów ciemnej materii.

Zastosowania, badania i ograniczenia

  • Medicina: pozytony stosuje się w tomografii emisyjnej PET — rozpady β+ prowadzą do anihilacji pozytonów z elektronami i emisji par fotonów, co umożliwia obrazowanie procesów metabolicznych.
  • Badania podstawowe: eksperymenty z antywodorem (np. w CERN — projekty ALPHA, ATRAP) badają symetrię pomiędzy materią a antymaterią, właściwości widmowe i wpływ grawitacji na antymaterię.
  • Technologie przechowywania: antycząstki muszą być przechowywane w pułapkach elektromagnetycznych lub w próżni, ponieważ kontakt ze zwykłą materią prowadzi do natychmiastowej anihilacji. Przechowywanie dużych ilości antymaterii jest obecnie praktycznie niemożliwe i bardzo kosztowne.
  • Przyszłe i spekulatywne zastosowania: napędy rakietowe oparte na anihilacji lub magazynowanie energii — są to na razie koncepcje teoretyczne, ograniczone przez trudności w produkcji i bezpieczeństwie.

Asymetria materii i antymaterii

Mimo że prawa fizyki w skali mikroskopowej w większości procesów są symetryczne względem zamiany cząstek na antycząstki (symetria C i CP częściowo łamana), obserwujemy we Wszechświecie dominację materii nad antymaterią. Wyjaśnienie tej asymetrii (baryogeneza) wymaga warunków opisanych przez Sakharova i jest jednym z głównych problemów współczesnej kosmologii i fizyki cząstek.

Bezpieczeństwo i koszty

Produkcja antymaterii jest energochłonna i kosztowna — w praktyce otrzymanie mikrograma antymaterii wymaga ogromnej ilości energii i działań akceleratorów. Ze względu na natychmiastową anihilację przy kontakcie z materią, przechowywanie i transport są skomplikowane i niebezpieczne przy większych ilościach. Dlatego na dzień dzisiejszy antymateria znajduje zastosowanie głównie w badaniach naukowych i medycynie.

Słowo antymateria właściwie odnosi się do (elementarnych) antycząstek, złożonych nich antycząstek (takich jak anty-wodór) oraz do większych zespołów tych cząstek. Badania nad antycząstkami pozwalają testować podstawowe zasady fizyki, rozumieć pochodzenie Wszechświata i rozwijać praktyczne zastosowania diagnostyczne.