Każda cząstka elementarna (leptony i kwarki) ma swą antycząstkę, przy czym cząstka i jej antycząstka różnią się znakiem ładunku elektrycznego, pozostałe zaś własności jak: masa, spin i czas życia mają identyczne. Dotyczy to wszystkich 18 kwarków i sześciu leptonów. Na przykład, antycząstka elektronu to pozyton zwany czasami antyelektronem o ładunku równym +e, a masie i spinie takim samym jak elektron. Antycząstki oznaczamy tak samo jak cząstki tylko piszemy nad nimi kreskę.
Pierwszą antycząstkę przewidziano teoretycznie zanim zaobserwowano ją w laboratoriach. W 1928 roku Paul Dirac zaproponował równanie opisujące relatywistyczny elektron. Przewidywania wynikające z tego równania zgadzały się z faktami doświadczalnymi, jednak równanie miało pewną niezrozumiałą własność. Obok rozwiązania z dodatnią energią, opisującą elektron, było drugie z ujemną energią. Po długich debatach w maju 1931 roku Dirac doszedł w końcu do wniosku, że rozwiązanie z ujemną energią opisuje cząstkę o masie identycznej jak elektron, lecz o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego.

Antyneutron

Już we wrześniu 1932 roku Carl D. Anderson badając promieniowanie kosmiczne wykrył w komorze Wilsona, umieszczonej w polu magnetycznym, ślad lekkiej cząstki dodatniej którą nazwano pozytonem. Później odkryto jeszcze wiele innych cząstek i ich antycząstek.

Antyproton

Wszystkie antybariony czyli antycząstki barionów składają się z trzech antykwarków. Antyproton udało się zarejestrować w roku 1955. Składa się on z dwóch antykwarków górnych u i jednego antykwarka dolnego d, między którymi wymieniane są różnokolorowe gluony. Antyneutron odkryty w 1956 roku składa się z dwóch antykwarków dolnych d i jednego antykwarka górnego u.
Niektóre cząstki (np. eta-c należąca do mezonów, składająca się z kwarka powabnego c i jego antykwarka) są jednocześnie swoimi własnymi antycząstkami.
Obecnie w laboratorium potrafimy produkować i magazynować niewielkie ilości antymaterii. Decelerator Antyprotonowy w CERN wytwarza 20 milionów antyprotonów w ciągu 100 sekund. Pracując bez przerwy, w ciągu roku wytworzyłby tylko 0,00000000001 grama antymaterii. W tym samym laboratorium wyprodukowano już spore ilości atomy antywodoru oraz pojedyncze jądra antydeuteru, antytrytu (ciężkiego wodoru) i jądra antyhelu - 3. Niestety temperatura tej antymaterii jest na tyle wysoka, że nie potrafimy jej magazynowa. Po zetknięciu ze zwykła materią momentalnie zachodzi anihilacja.

Elektron i pozyton zderzają się i anihilują w wirtualny foton, z którego powstają dwie pary kwark-antykwark (mezon D+, składający się z kwarku powabnego i antykwarku dolnego oraz mezon D-, składający się z antykwarku powabnego i kwarku dolnego).

Mogą za to istnieć we Wszechświecie obszary, w których istnieje materia zbudowana z antycząstek, czyli antymateria, ale nie w takiej ilości jak materia. Atomy antymaterii byłyby zbudowane z antyprotonów, antyneutronów i pozytonów. Pojawiają się również hipotezy o istnieniu wielu Światów Równoległych, z których część może być również zbudowana z antymaterii.


Przy spotkaniu się cząstki z jej antycząstką zachodzi ich anihilacja, polegająca na tym, że cząstka i antycząstka znikają, a kosztem ich energii spoczynkowych i kinetycznych powstają inne, lżejsze cząstki o dużej energii. Przy anihilacji elektronu i pozytonu wytwarzają się zazwyczaj dwa, czasem trzy fotony. później z fotonów mogą powstać inne cząstki i antycząstki. Anihilacja protonu z antyprotonem daje w wyniku kilka pionów.
Zetknięcie grama antycząstek z ich zwyczajnymi odpowiednikami wyzwoliłoby energię równoważną 40 kilotonom trotylu. To tyle, ile pięć tysięcy gospodarstw domowych zużywa w ciągu roku. Istnieją odległe plany wykorzystania anihilacji materii z antymaterią do napędu statków kosmicznych.


Wykryto również zjawisko odwrotne do anihilacji, zwane zjawiskiem kreacji (tworzenia) par cząstka - antycząstka.
Najłatwiej wytworzyć układ elektron - pozyton. Zjawisko to zachodzi przy oddziaływaniu fotonu o dużej energii z polem kulombowskim jądra atomowego. Jeśli foton o dostatecznie dużej energii (większej od energii spoczynkowej pary elektron - pozyton) przechodzi w pobliżu jądra, może się zdarzyć, iż energia fotonu zamieni się w energię kinetyczną pary elektron - pozyton. Ponadto część energii fotonu zostanie przekazana jądru. Fakt, że zjawisko kreacji nie może zachodzić w próżni (musi w pobliżu znajdować się jądro) jest uzasadniony zasadą zachowania pędu.

---

Działanie antyprotonów na materię, powstające promieniowanie i cząstki zabijają komórkę

Anihilację pozytonów z elektronami wykorzystuje się już w diagnostyce medycznej w emisyjnym tomografie pozytonowym. Istnieją plany wykorzystania w medycynie także antyprotonów. Korzystając ze spowalniacza antyprotonów, który do produkcji antywodoru wykorzystuje grupa ATHENA, korzysta od 2003 roku malutki eksperyment ACE (Antiproton Celi Experiment). Ma on za zadanie zbadać biologiczną efektywność anihilacji antyprotonów w celu oceny możliwości wykorzystania ich w zwalczaniu nowotworów. ACE bada wptyw antyprotonów na układy biologiczne. Jest on interesujący ze względu na możliwość leczenia nowotworów, polegającego na niszczeniu komórek rakowych bez uszkodzenia otaczających je komórek zdrowych. Antyprotony posiadają pewną przewagę nad używanym obecnie w terapii rakowej promieniowaniem jonizującym. W przypadku promieni rengenowskich występuje wysoka absorpcja promieniowania na powierzchni i silne uszkodzenia otaczających komórki rakowe komórek zdrowych. Dla protonów występuje minimalna absorpcja na powierzchni i określony zasięg (hamowania) w tkance, a większość energii jest deponowana na końcu drogi hamowania, co jest bardzo pożądane. Te zalety posiadają także antyprotony. Wykazują jednak dodatkową przewagę: ich wpływ na komórkę nie wynika jedynie z energii kinetycznej. Anihilacja z protonem lub neutronem należącym do jednego z wielu atomów w komórce powoduje wydzielenie się energii, która prowadzi najczęściej do powstania kilku pionów. Piony te lub powstałe z ich rozpadu kwanty gamma mają dość energii, by wybić z pobliskich atomów elektron. Powstałe jony powodują dodatkowe szkody w niechcianej komórce. Dodatkowo cząstki te mogą również wzbudzić sąsiednie jądra i spowodować w nich emisję nukleonu: protonu lub neutronu. Skumulowany efekt wszystkich powstałych cząstek przewyższa zatem działanie zwykłego protonu.
ACE to pierwszy eksperyment badający bezpośrednio efekty biologiczne antyprotonów i choć do zastosowań klinicznych jeszcze długa droga, pierwsze rezultaty są obiecujące. Niestety na razie tempo produkcji antyprotonów jest bardzo małe i dopiero nowsza aparatura może umożliwić zastosowanie antyprotonów w leczeniu raka.
Opracowano na podstawie artykułu Magdaleny Kowalskiej "Antymateria - od antywodoru do tomografii mózgu" zamieszczonego w nr 2/2004 czasopisma Fizyka w Szkole.

---