כל פגישה – פיצוץ. כל מגע – חיסול הדדי. האמא של אהבת הניגודים

.
הזוגיות נוצרה במפץ הגדול, ומאז היא נשברת והולכת בהדרגה. חומר
ואנטי-חומר הם כנראה הצמד הראשון בתולדות היקום. אהבה גדולה מעולם
לא שררה ביניהם, אבל מצד שני, ההתאמה והניגוד ביניהם ממש מושלמים.
למעשה, כל מפגש בין חומר לאנטי-חומר מלווה פיצוץ כה עז, עד שכדי
לשרוד, עליהם להקפיד על קיום נפרד. כך, מי שחי חיים רגילים בעולם
חומרי, כמעט שאינו יכול לשער שביקום יש גם אנטי-חומר. עובדת יסוד
זו, הגיעה לתודעתו של המין האנושי כרעיון תיאורטי מופשט שעלה בדעתו
של הפיסיקאי האנגלי פול אדריאן מוריס דיראק, לפני יותר מ-80 שנה.
מאז התבסס הרעיון ועלה למדרגת עובדה מוסכמת. מתקנים רפואיים
מבוססים עליה, תקציבי ענק מוקצבים לחקרה, משפטים סנסציוניים
מתנהלים בעניינה, תופעות תרבותיות נובעות ממנה.
.
בשנת, 1928 בהיותו בן, 26 הציע דיראק דרך לאיחוד שיטתי של
מכניקת הקוונטים מיסודם של ורנר הייזנברג וארווין שרדינגר, עם תורת
היחסות של אלברט אינשטיין. זו הייתה ההצעה הראשונה בתחום זה, והיא
התבססה על ניתוח מתמטי מקורי של האירועים המתרחשים במעטפת
האלקטרונים של האטום. בדרך לניסוח ההצעה, ביטל דיראק את ההפרדה
שהייתה נהוגה עד אז במכניקת הקוונטים, בין ממד הזמן לבין שלושת ממדי
המרחב. למעשה, הוא הציע להשוות את מעמדם של ארבעת ממדי היקום גם
באופן קוונטי, ולא רק באופן קלאסי, כפי שציע איינשטיין.
.
אנרגיה שלילית
.
במבט ראשון זו נראית אולי הצעה הגיונית, מתבקשת ואולי אפילו "צודקת",
אבל אחת מהתוצאות שנבעו ממנה הייתה הנחת קיומה של "אנרגיה
קינטית שלילית". מה זו אנרגיה שלילית? דיראק הסביר את התופעה הזאת
בשיטה המזכירה את השיטה הישראלית לניהול התקציב המשפחתי: אם אין לי,
ואני רוצה להתנהג כאילו שיש לי, אני יכול לעשות זאת – ובלבד שארשום
סימן מינוס קטן ליד המספר המציין את היתרה בחשבון הבנק שלי.
.
שיטת האוברדראפט הישראלית מבוססת על כך שמדי פעם, נניח,
כשמתקבלת המשכורת, הופכת כמות מסוימת של "אנרגיה שלילית",
ל"אנרגיה חיובית". לפי דיראק, בעולמם של חלקיקי החומר הבסיסיים יכול
תהליך כזה להתרחש כתוצאה מהופעה של זוג חלקיקים מנוגדים ה"מאזנים"
זה את זה. למשל, אלקטרון ו"מינוס אלקטרון", או כפי שדיראק כינה אותו
"אנטי-אלקטרון".
.
תמונת ראי חשמלית
.
האלקטרון וה"אנטי-אלקטרון" הם הזוג המושלם, או אולי הניגוד
המושלם. הם שווים כמעט בכל תכונותיהם הפיסיקליות, אלא שמטעניהם
החשמליים מנוגדים. כלומר, מכיוון שמטענו החשמלי של האלקטרון הוא
שלילי, הרי שמטענו החשמלי של ה"אנטי-אלקטרון", חייב להיות חיובי.
במלים אחרות, מדובר בחלקיקים שכל אחד מהם מהווה מעין תמונת ראי
חשמלית של משנהו. הם שווים אך הפוכים, כמו הטוב והרע, כריסט
ואנטי-כריסט, אלוהים והסיטרא-אחרא.
.
דיראק קרא לחלקיקים ההפוכים האלה חלקיקי "אנטי-חומר". הוא אמר
שכנגד כל סוג של חלקיק חומר, יש בטבע "תמונת מראה" שהיא למעשה סוג
של חלקיק "אנטי-חומר". הרעיון הזה ניתן להבנה מופשטת. הוא גם התאים
להפליא לתיאוריו המתמטיים של דיראק. אלא שכאשר מדובר בחקר הקיום
החומרי, ולא בפילוסופיה טרנסצנדנטלית, אין די בפתרונות תיאורטיים,
יפים ו"הגיוניים" ככל שיהיו. הפיסיקאים אינם מקבלים שום רעיון, עד
שהוא אינו מוכח באותות ובמופתים, כלומר, בניסויים פיסיקליים חוזרים
ונשנים.
.
את ההוכחה הראשונה לקיומם של "אנטי-אלקטרונים" או, כפי שהם
כונו בהמשך, "פוזיטרונים", סיפק הפיסיקאי האמריקאי קרל דוד
אנדרסון. בשנת 1932 בחן אנדרסון תצלומים של מסלוליהם של חלקיקי
קרינה קוסמית שבוצעו במתקן שנקרא "תא וילסון". אחד מהמסלולים האלה
יכול היה להיווצר רק על-ידי חלקיק אחד: פוזיטרון. שנה לאחר מכן,
ב-1933, בעת ובעונה אחת עם צוותי מחקר אחדים במקומות שונים בעולם,
הראה אנדרסון כיצד נוצר זוג של אלקטרון ופוזיטרון – חומר ואנטי
חומר – מפוטון אנרגטי של קרינת גאמה שהיא קרינה אלקטרו-מגנטית.
באותה שנה זכו דיראק ושרדינגר, במשותף, בפרס נובל בפיסיקה. שלוש
שנים לאחר מכן, ב-1936, זכה גם אנדרסון בפרס נובל בפיסיקה, במשותף
עם ויקטור פרנץ הס, שגילה את הקרינה הקוסמית.
.
סופר המדע הבדיוני, אייזיק אסימוב, אימץ לעצמו במהירות את
הרעיון הפוזיטרוני. היו אלה ימיה הראשונים של האלקטרוניקה, ואסימוב
שאל את עצמו, מדוע שלא תתקיים גם טכנולוגיה מקבילה שתתבסס על
אנטי-חומר. כך הומצאה הפוזיטרוניקה, שבמסגרתה פותחו, לימים, כל
הרובוטים הפוזיטרוניים שידעו לפעול בדרכים שונות לחלוטין מכל רובוט
אלקטרוני. הרובוטים הפוזיטרוניים התבססו על טכנולוגיה נגדית,
אלטרנטיווית לטכנולוגיה האלקטרונית המציאותית. הרובוט שבמוחו זורמים
אנטי-חלקיקים, התקבל בפשטות כאנטי-אדם, כפילו, בן-זוגו, עזר כנגדו,
היפוכו המוחלט של האדם. אולי משום כך הרובוטים הפוזיטרוניים עוררו
אימה שחייבה את המצאת" שלושת חוקי הרובוטיקה", אותם חוקים שעליהם
מבוסס תת-ז'אנר שלם במדע הבדיוני.
.
עוד כעשרים שנים חלפו, עד שבשנת 1955 הונחה על שולחנם של
הפיסיקאים הוכחה "כבדה" יותר בדבר קיומו של האנטי-חומר ביקום. זה
קרה עם גילויו של האנטי-פרוטון בסדרת ניסויים שבוצעה במאיץ החלקיקים
הגדול של אוניברסיטת קליפורניה בברקלי. למעשה, לגילוי האנטי-פרוטון
קדם גילויים של אנטי-חלקיקים אחרים: אנטי-מיואון ופיון חיובי, אבל
גילויו של האנטי-פרוטון המאסיווי, נחשב להוכחה מאסיווית, משכנעת
ולמעשה מכריעה בדבר קיומו של אנטי-חומר ביקום.
.
האנטי-פרוטון התגלה בידי קבוצת פיסיקאים בהנהגתם של אמיליו
סגרה ואוון צ'מברליין, שקיבלו בשל גילויו את פרס נובל בפיסיקה.
במהלך הניסוי שיגרו סגרה, צ'מברליין ועמיתיהם, קרן של פרוטונים לעבר
מטרת חומר נייחת. ההתנגשות האנרגטית פירקה את הפרוטונים והפיקה מהם
שלל חלקיקים – ובין אלה נצפו לראשונה גם אנטי-פרוטונים.
.
שאלה של קרדיט
.
זכייתם של סגרה וצ'מברליין בפרס נובל, העלתה אל פני השטח את
אחד מהמאבקים ה"מלוכלכים" בתולדות הפיסיקה. מדובר בטענותיו
של הפיסיקאי אורסטה פיצ'יוני כנגד הזוכים בפרס. פיצ'יוני טען כי
בתקופה שקדמה לביצוע הניסוי, עבד במעבדות מאיץ החלקיקים של
ברקלי, ושיתף פעולה עם סגרה וצ'מברליין. לדבריו, מתכונת הניסוי
שבו נתגלו האנטי-פרוטונים לראשונה, הוצעה ותוכננה על-ידו, אך
בוצעה על-ידי סגרה וצ'מברליין רק לאחר שהוא עצמו עזב את
מעבדות מאיץ החלקיקים. על-אף זאת, נאמר בכתב התביעה, נמנעו
מבצעי הניסוי מלרשום את שמו של פיצ'יוני, המתכנן, כאחד ממחברי
המאמר שפירסמו על תוצאות הניסוי.
.
סגרה וצ'מברליין לא התכחשו לחלקו של פיצ'יוני בניסוי, אך טענו
שבאותם ימים קבעו נוהלי העבודה בברקלי, שרק חוקרים המועסקים
באוניברסיטה יכולים להופיע כמחברי דו"חות מחקר המתארים מחקרים
שבוצעו במתקני ברקלי, וכאמור, הניסוי בוצע לאחר שפיצ'יוני עזב את
ברקלי. נציגי אוניברסיטת קליפורניה אישרו את קיום הנוהל הזה, אך
נמנעו מלנמק את סיבת קיומו. בסופו של דבר זוכו סגרה וצ'מברליין
במשפט, אבל הכרתם האישית בעוול שנעשה לפיצ'יוני באה לידי ביטוי
בנאום שנשא צ'מברליין בטקס קבלת פרס נובל, שבו תיאר בהרחבה את
תרומתו של פיצ'יוני לניסוי.
.
גילויו של האנטי-פרוטון העלה אל פני השטח את אחת מהשאלות
המרכזיות בפיסיקה המודרנית: האם ייתכנו אטומים שלמים של
אנטי-חומר? מדוע שלא ייווצרו גרעינים שיכילו אנטי-פרוטונים
ואנטי-ניטרונים, ומדוע שסביבם לא יחוגו אנטי-אלקטרונים
("פוזיטרונים").
.
למעשה, אין מניעה לקיומם של אטומי אנטי-חומר, אלא שצפייה בהם
-בעולם החומר שבו אנו חיים – כרוכה בקשיים טכניים אדירים. כאמור
חומר ואנטי-חומר אינם יכולים לדור יחד בכפיפה אחת. כאשר חלקיק של
חומר (למשל פרוטון), בא במגע עם חלקיק מתאים של אנטי-חומר במקרה
זה, אנטי-פרוטון, הם "מבטלים" ו"מחסלים" זה את זה – כמו שסכומים
זהים של זכות וחובה בחשבון הבנק מבטלים זה את זה. בתהליך החיסול
ההדדי, מומרים למעשה החלקיק והאנטי-חלקיק באנרגיה. למשל, כאשר
אלקטרון פוגש פוזיטרון, שניהם נעלמים ובמקומם מופיעים פוטונים
אנרגטיים של קרינת גאמה.
.
אנטי עולם
.
מכיוון שכך, לאנטי-חומר יכולה להיות תקווה לקיום, רק הרחק
ממרכזי הקיום של החומר ה"רגיל". כלומר, ייתכן שאי שם במרחבי היקום,
במרחק בטוח מעולמות החומר, סובבות על ציריהן גלקסיות המורכבות
מאנטי-חומר, שבהן נוצרו כוכבי אנטי-חומר, כוכבי-לכת של אנטי-חומר,
ואולי אפילו חיים של אנטי-חומר.
.
האם מערכות הבנויות מ"אנטי-חומר" באמת פועלות באותה דרך כמו
מערכות הדומות להן בכל, פרט לעובדה שהן עשויות חומר רגיל? האם
אפשר להבדיל ביניהן על-פי תכונותיהן הפיסיקליות הקובעות את מערך
היחסים שבין חלקיהן הפנימיים ללא בדיקה חיצונית?
.
כדי לנסות ולענות על השאלות האלה, דרושה "אוכלוסיית ניסוי" של
חלקיקי אנטי-חומר רבים, שכאמור, קשה מאוד לצפות בהם בעולם החומר
הרגיל שבו אנו חיים. אחד המקומות שבהם למדו הפיסיקאים להפיק
חלקיקי אנטי-חומר, היא תשלובת מאיצי החלקיקים של הארגון האירופי
לחקר פיסיקת החלקיקים, סר"ן, שליד ג'נבה, על גבול שווייצריה וצרפת.
בעומק של כמאה מטרים מתחת לפני הקרקע, חפורה באזור כפרי שקט ורגוע
זה, מנהרה מעגלית שהיקפה 27 קילומטרים, ובה מותקן מאיץ החלקיקים
הגדול בעולם. ה"מעגל הגדול" מצוי בחלקו בשטח שווייצריה ובחלקו בשטח
צרפת, כך שחלקיקים הנעים בו חוצים פעמיים בכל היקף את הגבול בין שתי
המדינות. מכיוון שהם נעים במהירות הקרובה למהירות האור – 300,000
קילומטרים בשנייה, הם חוצים את הגבול כ 22,000-פעמים בכל שנייה.
.
לצד ה"מעגל הגדול", מצויה גם מנהרה מעגלית קטנה יותר, שהיקפה
כששה קילומטרים. במאיץ הקטן הזה, למדה קבוצה של פיסיקאים בהנהגתם של
מנהל מאיץ החלקיקים, בעל פרס נובל לפיסיקה קרלו רובייה, והפיסיקאי
סימון ואן-דר-מיר, להפיק כמויות "מסחריות" של אנטי-פרוטונים.
.
כמו פצצת מימן
.
רובייה ועמיתיו היו זקוקים לאנטי-פרוטונים כדי ליצור התנגשויות
רבות עוצמה ומבוקרות בינם לבין פרוטונים "רגילים". כאמור, כאשר חומר
פוגש אנטי-חומר, שניהם מתחסלים ובמקומם מופיעה אנרגיה. כאשר
ההתנגשות ביניהם מתבצעת במהירויות מנוגדות גבוהות מאוד, מופקת
אנרגיה רבה עוד יותר. למעשה, האנרגיה הקינטית המופקת בחיסול הדדי של
חלקיק ואנטי-חלקיק, רבה יותר מכמות האנרגיה הקינטית הנפלטת מגרעין
של אטום בפצצת מימן. בתוך זמן קצר, שברירי שנייה, מתגלגלת האנרגיה
הזאת בחומר, לפי נוסחת שוויון האנרגיה והמאסה של איינשטיין
("האנרגיה שווה למכפלת המאסה בריבוע מהירות האור"). כך נוצרים
באזור ההתנגשות חלקיקי חומר שונים, שאותם חוקרים הפיסיקאים.
.
רובייה וואן-דר-מיר, מצאו דרך להשוות את מהירויותיהם של חלקיקי
האנטי-חומר, שלאחר שנוצרו נעו במהירויות שונות, באופן
"אינדיווידואלי" לחלוטין. באמצעות עדשה מגנטית הם האטו את המהירים
שבהם והאיצו את האטיים שבהם, עד ש"כינסו את העדר" באלומה אחת
מרוכזת, הנחוצה לצורך יצירת ההתנגשויות המבוקרות. פיתוח השיטה
הזאת, זיכה אותם בפרס נובל בפיסיקה.
.
הקושי המרכזי בטיפול בחלקיקי האנטי-חומר היא מניעת כל מגע בינם
לבין חלקיקי חומר "רגילים", דבר שיגרום, כמובן, לחיסולם ההדדי.
הטכניקה לשימור אנטי-פרוטונים, שפותחה בידי רובייה וואן-דר-מיר
שוכללה במידה משמעותית בידי הפיסיקאי ג'רלד גבריאלס, גם הוא
מסר"ן. בטכניקה זו מוחזקים האנטי-פרוטונים במרכזם של צינורות חלולים
המוקפים בשדות מגנטיים חזקים. השדות האלה גורמים לחלקיקים להתנודד
בין שני קצוות הצינור, אך הם אינם מאפשרים להם לגשת ממש עד לגבולות
החומר הרגיל.
.
אז יש לנו אנטי-פרוטונים בקופסה אחת, ופוזיטרונים בקופסה אחרת.
האם זה אומר שאפשר, באמצעות יצירת מפגש מתוכנן היטב ביניהם, ליצור
אטומים שלמים של אנטי-חומר, שיורכבו מפוזיטרונים שינועו מסביב
לגרעין שיכיל אנטי-פרוטונים ואנטי-ניטרונים ?התשובה העקרונית על כך
היא: כן. התשובה המעשית, למרבה הצער, היא: לא. כלומר, אנטי-אטום
כזה, גם אם ייווצר, לא יוכל להתקיים זמן רב. כאמור, כדי להרחיק את
האנטי-פרוטונים מהחומר הרגיל, משתמשים החוקרים בשדות מגנטיים חזקים
הפועלים על המטען החשמלי של האנטי-פרוטון. אבל, אטומים שלמים של
חומר או של אנטי-חומר, הם גופים ניטרליים מבחינה חשמלית, שכן הם
מורכבים מחלקיקים בעלי מטענים חשמליים חיוביים ושליליים כאחד.
פירוש הדבר הוא, שהם לא "יתרשמו" במיוחד מהשדות המגנטיים, ובכל
מקרה, אלה לא ימנעו מהם את הגישה והמגע עם דפנות הכלי שבו הם
מוחזקים. וכאמור, מגע כזה בין חומר לאנטי-חומר, גורם לחיסולם ההדדי
ולהמרתם לאנרגיה.
.
בחזרה למרחבי היקום
.
כך חוזרים החוקרים אל מרחבי היקום. שם, בהפרדה ראויה מהגופים העשויים
חומר רגיל, יכולים להתקיים – עקרונית – כוכבים העשויים אנטי-חומר, ואפילו
גלקסיות שלמות של אנטי-חומר. לפי השערות מסוימות, הקוואזארים שהם
גופים שמימיים הפולטים כמויות גדולות ולא מוסברות של קרינה, אינם
אלא איזורים שבהם כמויות פחות או יותר שוות של חומר ואנטי-חומר
("אמביפלאסמה"), מצויות בעיצומם של תהליכי חיסול הדדי. לפי השערה
אחרת, מטאורים של אנטי-חומר, עלולים לפגוע ולהתנגש בגופים העשויים
חומר רגיל. ייתכן, למשל, שההתפוצצות הגדולה שהתחוללה בטונגוסקה
שבסיביר הצפונית בשנת, 1908 נגרמה כתוצאה מהתנגשות מטאור עשוי
אנטי-חומר, בכדור-הארץ. כתוצאה מההתנגשות נעקרו עצים בשטח גדול מאוד
ונמדדו הפרעות בשדה המגנטי של כדור-הארץ. על-אף כל אלה, לא נוצר
במקום מכתש ולא נמצאו שום רסיסים של חומר מטאורי, ולפיכך עלתה השערה
שהמטאור שפגע בטונגוסקה היה עשוי אנטי-חומר, שהתחסל הדדית עם כמות
מקבילה של חומר" ארצי.
.
קשה לאמת את ההשערות האלה, בין היתר מכיוון שאטומי חומר ואטומי
אנטי-חומר אינם נבדלים אלה מאלה באשר לקרינה האלקטרומגנטית שהם
עשויים לפלוט. למעשה, חוקרים רבים סבורים שיש בידם סיבות טובות
להאמין שגם אם כוכבים וגלקסיות של אנטי-חומר היו קיימים בעברו הרחוק
של היקום, הם אינם קיימים עוד.
.
לפי ההנחה המקובלת, בעת בריאת היקום במפץ הגדול, נפוצו לכל עבר
כמויות שוות של חומר ואנטי-חומר. ואז, מסיבה לא ידועה, התפתח אי
שוויון מספרי קל ביניהם וחלקיקי החומר הפכו לרוב יחסי. ייתכן
שהתהליך הזה התחולל, מכיוון שחלקיקי האנטי-חומר התפרקו בקצב מהיר
יותר, בהשוואה לקצב ההתפרקות של חלקיקי החומר. לאחר מכן, כל חלקיקי
האנטי-חומר התנגשו בחלקיקי חומר, דבר שגרם "חיסול הדדי" המוני,
והיעלמות של כל חלקיקי האנטי-חומר, יחד עם כמות שווה של חלקיקי
חומר. אבל, לאחר שלא נותרו עוד חלקיקי אנטי-חומר, נותרו ביקום
חלקיקי החומר ה"עודפים" – אותם חלקיקים שהעניקו לחומר את היתרון
המספרי הקל על האנטי-חומר. חלקיקי החומר האלה מהווים את כל החומר
הקיים כיום ביקום הידוע.
.
כאמור, הגורם לתהליך שהעניק את היתרון המספרי הראשוני לחלקיקי
החומר על-פני חלקיקי האנטי-חומר, יתרון התחלתי שהפך אחר כך לייתרון
סופי, אינו ידוע. כדי לגלות את הגורם הזה, מבוצעים ומתוכננים ניסויים
רבים.
.
לצורך ביצוע ניסוי אחד כזה, נבנה מאיץ חלקיקים חדש במנהרה של המאיץ
הקיים בסטנפורד. התקציב לבניית המאיץ הזה ניתן לקהילת הפיסיקאים
האמריקאיים, על-ידי מימשל קלינטון, כפיצוי מה על ביטול בנייתו של
מאיץ החלקיקים הענק שתוכנן להיבנות בטקסס. המאיץ החדש המכונה "בי
פקטורי" ("בית-חרושת לחלקיקי בי"), מאיץ זו מול זו אלומות של
אלקטרונים ופוזיטרונים שבהתנגשות ביניהם נוצרת אנרגיה של 10.6
מיליארד אלקטרון וולט. כאשר האנרגיה הזאת מומרת לחומר, נוצרים בין
היתר חלקיקי אופסילון, שדועכים במהירות ומייצרים כמויות שוות של חלקיקי
מסון בי, ואנטי-חלקיקים תואמים, הקרויים "אנטי-מסון בי". מסון בי
הוא חלקיק המהווה מעין "שק" שבתוכו מצויים קווארק "תחתי",
ואנטי-קווארק "עילי").
.
גם החלקיקים האלה (מסונים בי ואנטי-מסונים בי), דועכים בתורם,
והופכים לחלקיקים יציבים יותר. אבל, מתוך התבוננות ומדידה של תהליך
הדעיכה הזה, מקווים החוקרים להבין את הסיבות והתהליכים שהביאו לאבדן
הסימטריה שבין חומר ואנטי-חומר ביקום.
.
זה בראש שלנו
.
חקר המוח קיבל בשני העשורים האחרונים תנופה משמעותית, עם פיתוחו של
הממפה הפוזיטרוני PET. מתקן זה מאפשר לחקור את פעילותם של מוחות חיים
בזמן אמת, ולעקוב אחר תנועה והתקשרות של חומרים שונים לאתרים ידועים
במוח, דבר שעשוי ללמד רבות על אופן תפקודם של האתרים האלה, ועל
השפעתם של החומרים השונים על התפקוד הזה.
.
לצורך המיפוי מועברים אל המוח, דרך זרם הדם, חומרים "מסומנים".
ה"סימון" מתבצע באמצעות החלפת חלק ממרכיביהם של החומרים
האלה, באיזוטופים רדיואקטיוויים מיוחדים. איזוטופ הוא מעין גרסה
שונה של אותו יסוד. לכל האיזוטופים גרסאות של יסוד מסוים, יש
מספר זהה של פרוטונים ואלקטרונים, אבל מספר הניטרונים המצויים
בגרעיניהם יכול להשתנות. כך יש גרסאות כבדות יותר ופחות, של אותו
יסוד עצמו.
.
שתולים
.
מבחינות רבות, האיזוטופים השונים של אותו יסוד יכולים למלא את
תפקידיהם של "אחיהם" בתרכובות השונות. ועם זאת, ההבדלים שבין
האיזוטופים יכולים להיות משמעותיים. למשל, איזוטופ נפוץ של יסוד
מסוים אינו רדיואקטיווי, בעוד איזוטופ אחר של אותו יסוד עצמו, הוא
רדיואקטיווי. כאשר מחליפים איזוטופ לא רדיואקטיווי כזה, המהווה חלק
מתרכובת, באיזוטופ הרדיואקטיווי, התרכובת תמשיך לפעול – כמכלול –
ללא שינוי. אבל, באמצעות מעקב אחר הקרינה הרדיואקטיווית שפולט
האיזוטופ ה"שתול", אפשר לעקוב אחר מסלולה המדוייק של מולקולת
התרכובת. זה בדיוק מה שעושים באמצעות הממפה הפוזיטרוני.
.
המיוחד שבמתקן הזה, הוא העובדה שחומרי המעקב שמשתמשים בהם, הם
איזוטופים רדיואקטיוויים הפולטים קרינת ביתא חיובית. קרינת ביתא
רגילה, מורכבת מאלקטרונים, הנושאים מטען חשמלי שלילי. אבל כאן
משתמשים באיזוטופים רדיואקטיוויים נדירים יחסית, שקרינת הביתא שלהם
מורכבת מפוזיטרונים – חלקיקי אנטי-חומר השווים לאלקטרונים אך
הנושאים מטען חשמלי חיובי. כאשר הפוזיטרון נפלט, כמעט מיד הוא נתקל
באלקטרון של אחד מאטומי החומר הרגיל המצויים בסביבתו. השניים מחסלים
איש את רעהו, נעלמים, ובמקומם מופיעים פוטונים של קרינת גאמא. קרינה
זו, שהיא קרינה אלקטרומגנטית הדומה לקרינת X ("רנטגן"), נקלטת היטב
על-ידי הממפה הפוזיטרוני.
.
לדוגמה: במחקרים מסוימים מחדירים לגוף חומר דמוי דופמין
המסומן בחומר הרדיואקטיווי ברום 76, הפולט קרינת ביתא חיובית, כלומר
המורכבת מפוזיטרונים. דופמין הוא נירוטרנסמיטר (מתווך עצבי) המעורב
במחלת פרקינסון. כאשר תחליף הדופמין מגיע למוח, הוא נקשר לאתרים
שבהם מתקיימת הפעילות שאותה מנסים למפות. במקרה זה אלה האתרים שבהם
מתרחשת פעילות הקשורה במחלת פרקינסון. הברום 76 הכלול בתחליף
הדופמין, פולט פוזיטרונים. כאשר הפוזיטרון פוגש אלקטרון, תופעה
המתרחשת למעשה מיד עם פליטת הפוזיטרון, מחסלים הללו איש את חברו
ובמקומם בוקעת קרינת גאמא, הנקלטת היטב במכשיר הממוקם סביב ראשו של
הנבדק. מערכת ממוחשבת מבצעת את מיפוי המוח ומציינת את מקומם של
האתרים המבוקשים, בדיוק של ששה מילימטר.
.
הקושי העיקרי בשיטה זו נובע מהצורך לבצע את המיפוי תוך הבטחה
מרבית של הנבדק, כך שהחומר הרדיואקטיווי המגיע למוח יתפרק תוך זמן
קצר, ולא יגרום נזק רב מדי. העובדה היא שיש מעט מאוד חומרים העונים
על דרישות הבטיחות האלה מצד אחד, ומפיקים קרינת ביתא חיובית,
המורכבת מפוזיטרונים, מצד שני. מאמצי המחקר הנוכחיים מתרכזים
בניסיונות לייצר בתנאי מעבדה איזוטופים מסוג זה, לצורך סימון חומרים
שונים שיוחדרו למוח.
.
מחקרים באמצעות מיפוי פוזיטרוני נערכים כיום, על בני-אדם,
במרכזי המחקר הגדולים בעולם. הם משמשים לבחינת זרימת הדם, צריכת
חמצן באיזורים שונים של המוח (באמצעות האיזוטופ חמצן 15), תפוצה של
קולטנים מסוימים במוח, מיפוי של איזורי מוח המושפעים מסמים, אנזימים
ותרופות, וכן לחקר מחלות כמו אלצהיימר, פרקינסון, סכיזופרניה,
הזדקנות, דיכאון, מניה ואלכוהוליזם. האיזוטופ פחמן 11 משמש, למשל,
לבחינת הדרך שבה משפיע הקוקאין על המוח, והאיזוטופ פלואור 18 משמש
בין היתר, לחקר הטמעת הסוכרים בדם.
.
סוג נוסף של מחקרים המבוססים על קרינה רדיואקטיווית של חלקיקי
אנטי-חומר, קרויים "מחקרי הפעלה". במחקרים אלה בודקים את ההתרחשויות
הכימיות במוחותיהם של בני-אדם העוסקים בפעולות שונות, כמו: חישוב
פעולות כפל, האזנה למוסיקה או התבוננות בתמונה. באמצעות הממפה
הפוזיטרוני, אפשר לאתר את איזורי המוח שבהם חלה עלייה בפעילות בעת
ביצוע הפעולה הזאת, ומכך, כמובן, אפשר להסיק וללמוד רבות על דרך
פעולתו של המוח.
.