ปฏิสสาร: กระจกเงาของสสาร

ในปี ค.ศ. 1928 พอล ดิแรก หาสมการที่รวมกลศาสตร์ควอนตัมกับสัมพัทธภาพพิเศษสำหรับอิเล็กตรอน สมการของเขามีคำตอบที่แปลก คือมีอนุภาคที่เหมือนอิเล็กตรอนทุกอย่างแต่มีประจุบวก สี่ปีต่อมา คาร์ล แอนเดอร์สัน พบอนุภาคนี้ในรังสีคอสมิก และตั้งชื่อว่าโพซิตรอน นี่คือปฏิยานุภาคชนิดแรกที่ถูกค้นพบ

ทุกอนุภาคมีคู่

ปัจจุบันรู้ว่าอนุภาคทุกชนิดมีปฏิยานุภาค ซึ่งมีมวลและสปินเท่ากัน แต่ประจุและคุณสมบัติควอนตัมบางอย่างตรงข้าม เช่น ปฏิโปรตอน ปฏินิวตรอน และนักวิทยาศาสตร์ที่เซิร์นสร้างปฏิไฮโดรเจน (ปฏิโปรตอนกับโพซิตรอน) และกักไว้ได้นานหลายนาที เพื่อตรวจว่าปฏิสสารตกลงในสนามโน้มถ่วงเหมือนสสารหรือไม่ ผลในปี ค.ศ. 2023 พบว่าตกลงเหมือนกัน

การประลัย

เมื่ออนุภาคพบปฏิยานุภาคของมัน ทั้งคู่จะหายไปและมวลทั้งหมดกลายเป็นพลังงาน มักเป็นรังสีแกมมา เช่น อิเล็กตรอนกับโพซิตรอนที่อยู่นิ่งให้รังสีแกมมาสองตัว แต่ละตัวมีพลังงานราว 511 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ เท่ากับพลังงานมวลของอิเล็กตรอนหนึ่งตัว

รังสีแกมมาพลังงาน 511 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์นี้ตรวจพบได้จากบริเวณใจกลางทางช้างเผือก แปลว่ามีโพซิตรอนเกิดขึ้นและประลัยอยู่ที่นั่นตลอดเวลา แหล่งที่มาที่แน่ชัดยังเป็นที่ถกเถียงกัน การประลัยของสสารหนึ่งกิโลกรัมกับปฏิสสารหนึ่งกิโลกรัมปล่อยพลังงานราว 1.8 × 10¹⁷ จูล มากกว่าระเบิดนิวเคลียร์ที่ใหญ่ที่สุดที่เคยทดสอบ

ปฏิสสารในชีวิตจริง

• เครื่องสแกน PET ในโรงพยาบาลใช้สารที่ปล่อยโพซิตรอน แล้วจับรังสีแกมมาจากการประลัยเพื่อสร้างภาพการทำงานของร่างกาย
• กล้วยหนึ่งลูกปล่อยโพซิตรอนออกมาเป็นครั้งคราวจากการสลายตัวของโพแทสเซียม-40 ตามธรรมชาติ
• ฟ้าผ่าและพายุฝนฟ้าคะนองบางครั้งสร้างโพซิตรอนได้

ปริศนา: ปฏิสสารหายไปไหน

ตามความเข้าใจปัจจุบัน บิกแบงควรสร้างสสารและปฏิสสารในปริมาณเท่ากัน ซึ่งเมื่อเอกภพเย็นลงก็ควรประลัยกันหมดจนเหลือแต่แสง แต่เอกภพของเราเต็มไปด้วยสสาร การสังเกตไม่พบดาราจักรที่ทำจากปฏิสสาร (ถ้ามี บริเวณรอยต่อจะเปล่งรังสีแกมมาอย่างเห็นได้ชัด) จากการนับโฟตอนในรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง พบว่าในยุคแรก มีสสารมากกว่าปฏิสสารเพียงราวหนึ่งส่วนในพันล้านส่วน ส่วนเกินเล็กน้อยนี้คือทุกสิ่งที่เหลืออยู่ในปัจจุบัน รวมทั้งตัวเรา กลไกที่ทำให้เกิดความไม่สมดุลนี้ยังเป็นหนึ่งในคำถามใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์