Bouřka vyrábí antihmotu

Každý den probíhá na světě okolo 18 tisíc bouřek a do zemského povrchu udeří více než tři miliony blesků. Pokud zrovna teď zuří bouře nad vámi, dost možná nějakých 15 kilometrů nad vaší hlavou vzniklo více antihmoty, než kolik dokáže vyrobit urychlovač v CERNu.

„Skřítci“ nad oblaky
Je známo, že při bouřce vzniká napětí mezi mrakem a zemí, které se vybíjí ve formě blesků. Až donedávna se ale nevědělo, co se při tom děje nad bouřkovým mrakem. Vše začalo informacemi pilotů létajících ve velkých výškách o divných modrých a červených a blescích směřujících vzhůru. Nikdo jim dlouho nevěřil, ale pak se výzkum jevů nad bouřkou rozeběhl. V roce 2003 uveřejnila skupina tchajwanských a japonských fyziků svá pozorování nadoblačných výbojů nad Jihočínským mořem. Další poznatky přišly z kosmu – od družic, které mají za úkol sledovat gama záření ze vzdáleného vesmíru.Kromě vzdáleného vesmíru se jim občas připletla do zorného pole i Země. Jaké bylo překvapení vědců, když zjistili, že i naše planeta je zdrojem nesmírně krátkých, ale intenzivních gama záblesků.

Místo kvasaru měří Zemi
První gama záblesky zemského původu zaznamenalo čirou náhodou zařízení na palubě Comptonovy gama observatoře. Důkladnou prohlídkou družicových snímků se zjistilo, že v místě, kde se objevil záblesk, zuřila prudká bouře. Za osm let provozu zaznamenala sonda 70 záblesků. Ne proto, že by jich bylo tak málo, ale protože tato událost trvá jen necelé dvě milisekundy a sonda byla nastavena na měření podstatně delších kosmických událostí. Ještě větší množství záblesků zaznamenala další citlivější družice RHESSI. Nyní jejich pozorování potvrdila družice Fermi vypuštěná roku 2008. Zaznamenala i záblesky o energii 0,51 MeV, která odpovídá anihilaci elektronu s pozitronem. Za necelé tři roky spatřila 130 záblesků, ale předpokládá se, že pozemské bouře vysílají až 500 gama záblesků denně.

Odkud se bere antihmota?
Kde se ovšem v mraku vezme gama záření a dokonce antihmota? Předpokládaný mechanismus vzniku je následující: silná elektrická pole panující na vrcholku bouřkového mraku dokáží za určitých podmínek urychlit spršku elektronů až na rychlost blízkou rychlosti světla. Tyto elektrony směřují vzhůru z atmosféry, ale cestou se mohou s nějakým atmosférickým atomem srazit. Při srážce vygenerují záření gama, které pak spatří družice. Ovšem i to se může potkat s nějakou molekulou atmosféry a zrodit dvojici elektron – pozitron. A máme tu antihmotu!

Magnetické zrcadlo
Další osud částic záleží mimo jiné na zemském magnetickém poli. Všechny nabité částice, tedy i pozitrony, jsou ovlivňovány magnetickým polem. To je může zanést třeba k družici na oběžné dráze ve výšce 550 km. Pro pozitron takové setkání sice znamená anihilaci a konec, ale opět se vygeneruje záření gama, které může družice změřit. Když se družice Fermi 14. prosince 2009 vznášela nad Egyptem, zpozorovala dokonce ispršku pozitronů z 4 400 kilometrů vzdálené bouře v Zambii. Viděla ji dokonce dvakrát – pozitrony putující po magnetické silokřivce dorazily do místa, kde na ně magnetické pole Země zapůsobilo jako zrcadlo, odrazily se a dostaly druhou šanci střetnout se s detektorem družice Fermi.

---

Jak funguje magnetické zrcadlo
Na částici s nábojem e letící rychlostí v v magnetickém poli B působí síla F, která má velikost F = Bev a směr kolmý na B i na v. Pokud částice letěla na magnetické pole kolmo, začne se pohybovat po kružnici. Pokud letěla trochu našikmo, letí dál v závitnici podél magnetické siločáry – „navíjí se na siločáru“. V oblasti, kde magnetické pole sílí, se její dopředný pohyb zpomaluje, až při určité síle pole se částice začne pohybovat opačným směrem. (Kolem siločáry se přitom točí pořád ve stejné orientaci.) Zesílení magnetického pole (siločáry jsou u sebe blíž) tedy působí jako zrcadlo.

Princip magnetického zrcadla se využívá ve výzkumu fúze na udržení plazmatu. Zemské magnetické pole funguje také jako dvě velká magnetická zrcadla, nabité částice slunečního větru se pohybují sem a tam mezi magnetickými póly. Této oblasti se říká Van Allenovy pásy.

---

Zpráva z NASA:
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2010/11jan_antimatter

Družice Fermi:
http://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/main/index.html

Nadoblačné blesky:
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/klasicka-energetika-a-fyzika/765-nadoblacne-blesky

Video:
Ke stažení zde: http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2010/11jan_antimatter

O tématu jsme již psali v článku Nadoblačné blesky
http://www.3pol.cz/cz/rubriky/klasicka-energetika-a-fyzika/765-nadoblacne-blesky