Синтез на антиматерия. Точно обратното

АНТИМАТЕРИЯ,вещество, състоящо се от атоми, чиито ядра имат отрицателен електрически заряд и са заобиколени от позитрони - електрони с положителен електрически заряд. В обикновената материя, от която е изграден светът около нас, положително заредените ядра са заобиколени от отрицателно заредени електрони. За да се разграничи от антиматерията, обикновената материя понякога се нарича монетна материя (от гръцки. койнос- обикновен). Този термин обаче практически не се използва в руската литература. Трябва да се подчертае, че терминът „антиматерия” не е съвсем коректен, тъй като антиматерията също е материя, неин вид. Антиматерията има същите инерционни свойства и създава същото гравитационно привличане като обикновената материя.

Когато говорим за материя и антиматерия, логично е да започнем с елементарните (субатомни) частици. Всяка елементарна частица има античастица; и двете имат почти еднакви характеристики, с изключение на това, че имат противоположни електрически заряди. (Ако частицата е неутрална, тогава античастицата също е неутрална, но те могат да се различават по други характеристики. В някои случаи частицата и античастицата са идентични една на друга.) Така един електрон, отрицателно заредена частица, съответства на позитрон, а античастицата на протона с положителен заряд е отрицателно зареден антипротон. Позитронът е открит през 1932 г., а антипротонът - през 1955 г.; това са първите открити античастици. Съществуването на античастици е предсказано през 1928 г. въз основа на квантовата механика от английския физик П. Дирак.

Когато електрон и позитрон се сблъскат, те анихилират, т.е. двете частици изчезват и от точката на техния сблъсък се излъчват два гама лъча. Ако сблъскващите се частици се движат с ниска скорост, тогава енергията на всеки гама квант е 0,51 MeV. Тази енергия е "енергията на покой" на електрона или неговата маса на покой, изразена в енергийни единици. Ако сблъскващите се частици се движат с висока скорост, тогава енергията на гама лъчите ще бъде по-голяма поради тяхната кинетична енергия. Анихилация се получава и при сблъсък на протон с антипротон, но процесът в този случай е много по-сложен. Редица краткотрайни частици се раждат като междинни продукти на взаимодействието; обаче, след няколко микросекунди, неутрино, гама лъчи и малък брой двойки електрон-позитрон остават като крайни продукти на трансформациите. Тези двойки могат в крайна сметка да се унищожат, създавайки допълнителни гама лъчи. Анихилация възниква и когато антинеутрон се сблъска с неутрон или протон.

Тъй като съществуват античастици, възниква въпросът дали антиядра могат да се образуват от античастици. Ядрата на атомите на обикновената материя се състоят от протони и неутрони. Най-простото ядро ​​е ядрото на изотопа на обикновения водород 1 Н; представлява единичен протон. Ядрото на деутерия 2H се състои от един протон и един неутрон; нарича се дейтрон. Друг пример за просто ядро ​​е ядрото 3 He, състоящо се от два протона и един неутрон. Антидейтронът, състоящ се от антипротон и антинеутрон, е получен в лабораторията през 1966 г.; Ядрото анти-3He, състоящо се от два антипротона и един антинеутрон, е получено за първи път през 1970 г.

Според съвременната физика на елементарните частици с подходящи технически средства би било възможно да се получат антиядрата на всички обикновени ядра. Ако тези антиядра са заобиколени от подходящия брой позитрони, тогава те образуват антиатоми. Антиатомите биха имали почти същите свойства като обикновените атоми; те ще образуват молекули, от които могат да се образуват твърди вещества, течности и газове, включително органични вещества. Например, два антипротона и едно антикислородно ядро, заедно с осем позитрона, могат да образуват антиводна молекула, подобна на обикновената вода H 2 O, всяка молекула от която се състои от два протона на водородни ядра, едно кислородно ядро ​​и осем електрона. Съвременната теория на частиците е в състояние да предскаже, че антиводата ще замръзне при 0°C, ще кипи при 100°C и иначе ще се държи като обикновена вода. Продължавайки подобни разсъждения, можем да стигнем до извода, че един антисвят, изграден от антиматерия, би бил изключително подобен на обикновения свят около нас. Това заключение служи като отправна точка за теориите за симетрична вселена, основани на предположението, че Вселената съдържа равни количества обикновена материя и антиматерия. Ние живеем в тази част от него, която се състои от обикновена материя.

Ако две еднакви части от вещества от противоположни типове бъдат поставени в контакт, тогава ще настъпи анихилация на електрони с позитрони и ядра с антиядра. В този случай ще се появят гама кванти, по външния вид на които може да се прецени какво се случва. Тъй като Земята по дефиниция се състои от обикновена материя, в нея няма значителни количества антиматерия, с изключение на малкия брой античастици, произведени в големи ускорители и в космически лъчи. Същото важи и за цялата слънчева система.

Наблюденията показват, че в нашата Галактика се произвежда само ограничено количество гама радиация. От това редица изследователи заключават, че в него няма забележими количества антиматерия. Но това заключение не е безспорно. Понастоящем няма начин да се определи, например, дали дадена близка звезда е съставена от материя или антиматерия; звезда от антиматерия излъчва точно същия спектър като нормална звезда. Освен това е напълно възможно разредената материя, която запълва пространството около звездата и е идентична с материята на самата звезда, да е отделена от области, пълни с материя от противоположния тип - много тънки високотемпературни „слоеве на Leidenfrost“. По този начин можем да говорим за „клетъчна“ структура на междузвездно и междугалактическо пространство, в която всяка клетка съдържа или материя, или антиматерия. Тази хипотеза се подкрепя от съвременни изследвания, които показват, че магнитосферата и хелиосферата (междупланетното пространство) имат клетъчна структура. Клетки с различни намагнитвания и понякога различни температури и плътности са разделени от много тънки токови черупки. Това води до парадоксалното заключение, че тези наблюдения не противоречат на съществуването на антиматерия дори в нашата Галактика.

Ако по-рано нямаше убедителни аргументи в полза на съществуването на антиматерия, сега успехите на рентгеновата и гама-астрономията промениха ситуацията. Наблюдавани са феномени, свързани с огромно и често силно неподредено освобождаване на енергия. Най-вероятно източникът на такова освобождаване на енергия е унищожението.

Шведският физик О. Клайн разработи космологична теория, основана на хипотезата за симетрия между материя и антиматерия, и стигна до извода, че процесите на анихилация играят решаваща роля в еволюцията на Вселената и формирането на структурата на галактиките.

Става все по-ясно, че основната алтернативна теория, теорията за „големия взрив“, сериозно противоречи на данните от наблюденията и „симетричната космология“ вероятно ще заеме централно място в решаването на космологични проблеми в близко бъдеще.

Антиматерията е материя, състояща се единствено от античастици. В природата всяка елементарна частица има античастица.За електрон това ще бъде позитрон, а за положително зареден протон ще бъде антипротон. Атомите на обикновената материя - иначе се нарича монетно вещество- състоят се от положително заредено ядро, около което се движат електрони. А отрицателно заредените ядра на атомите на антиматерията от своя страна са заобиколени от антиелектрони.

Силите, които определят структурата на материята, са еднакви както за частиците, така и за античастиците. Най-просто казано, частиците се различават само по знака на своя заряд. Характерно е, че "антиматерия" не е съвсем правилното име. По същество това е просто вид вещество, което има същите свойства и е способно да създава привличане.

Унищожение

Всъщност това е процесът на сблъсък между позитрон и електрон. В резултат на това настъпва взаимно унищожение (анихилация) на двете частици с освобождаване на огромна енергия. Анихилацията на 1 грам антиматерия е еквивалентна на експлозията на 10 килотона тротилов заряд!

Синтез

През 1995 г. беше обявено, че са синтезирани първите девет антиводородни атома.Те живяха 40 наносекунди и умряха, освобождавайки енергия. И още през 2002 г. броят на получените атоми беше в стотици. Но всички получени античастици могат да оцелеят само за наносекунди. Нещата се промениха с пускането на адронния колайдер: те успяха да синтезират 38 антиводородни атома и да ги задържат за цяла секунда. През този период от време стана възможно да се проведат някои изследвания на структурата на антиматерията. Те се научиха да задържат частици, след като създадоха специален магнитен капан. За да се постигне желаният ефект се създава много ниска температура. Вярно е, че такъв капан е много тромаво, сложно и скъпо нещо.

В трилогията на С. Снегов „Хора като богове“ процесът на унищожение се използва за междугалактически полети. Героите на романа, използвайки го, превръщат звездите и планетите в прах. Но в наше време получаването на антиматерия е много по-трудно и скъпо от изхранването на човечеството.

Колко струва антиматерията?

Един милиграм позитрони трябва да струва 25 милиарда долара. А за един грам антиводород ще трябва да платите 62,5 трилиона долара.

Все още не се е появил толкова щедър човек, че да може да купи дори една стотна от грама. Няколкостотин милиона швейцарски франка трябваше да бъдат платени за една милиардна част от грама, за да се получи материал за експериментална работа върху сблъсъка на частици и античастици. Засега в природата няма вещество, което да е по-скъпо от антиматерията.

Но с въпроса за теглото на антиматерията всичко е съвсем просто. Тъй като се различава от обикновената материя само по заряда, всички останали характеристики са същите. Оказва се, че един грам антиматерия ще тежи точно един грам.

Свят на антиматерията

Ако приемем за вярно, че е имало, тогава в резултат на този процес трябва да са възникнали равни количества както материя, така и антиматерия. Така че защо не наблюдаваме обекти, направени от антиматерия близо до нас? Отговорът е съвсем прост: двата вида материя не могат да съществуват заедно. Те определено ще се унищожат един друг. Вероятно съществуват галактики и дори вселени, направени от антиматерия, и дори виждаме някои от тях. Но от тях излиза същата радиация, от тях идва същата светлина, както от обикновените галактики. Следователно все още е невъзможно да се каже със сигурност дали антисветът съществува или това е красива приказка.

опасно ли е

Човечеството е превърнало много полезни открития в средства за унищожение. Антиматерията в този смисъл не може да бъде изключение. Все още не е възможно да си представим по-мощно оръжие от това, базирано на принципа на унищожението.Може би не е толкова лошо, че все още не е възможно да се извлича и съхранява антиматерията? Ще се превърне ли във фатална камбана, която човечеството ще чуе в последния си ден?

Наскоро членове на сътрудничеството ALICE в CERN измериха масите на ядрата на антиматерията с рекордна точност и дори оцениха енергията, която свързва антипротоните с антинеутроните в тях. Досега не е открита съществена разлика между тези параметри в материята и антиматерията, но това не е основното. Важно е, че точно сега, през последните няколко години, не само античастиците, но и антиядрата и дори антиатомите стават достъпни за измервания и наблюдения. Това означава, че е време да разберем какво е антиматерията и какво място заемат нейните изследвания в съвременната физика.

Нека се опитаме да отгатнем някои от първите ви въпроси относно антиматерията.

Вярно ли е, че с антиматерия може да се направи супермощна бомба? Възможно ли е антиматерията действително да се натрупва в ЦЕРН, както е показано във филма „Ангели и демони“, и това да е много опасно? Вярно ли е, че антиматерията ще бъде изключително ефективно гориво за космически пътувания? Има ли някаква истина в идеята за позитронен мозък, с който Айзък Азимов е надарил роботите в творбите си?...

Не е тайна, че за повечето хора антиматерията се свързва с нещо изключително (експлозивно) опасно, с нещо подозрително, с нещо, което вълнува въображението с фантастични обещания и огромни рискове - оттам и такива въпроси. Нека си признаем: законите на физиката не забраняват директно всичко това. Реализацията на тези идеи обаче е толкова далеч от реалността, от съвременните технологии и от технологиите на следващите десетилетия, че прагматичният отговор е прост: не, за съвременния свят това не е вярно. Разговорът по тези теми е просто фантазия, основана не на реални научно-технически постижения, а на тяхната екстраполация далеч отвъд границите на съвременните възможности. Ако искате да проведете сериозен разговор по тези теми, приближете се до 2100. Засега нека поговорим за действителните научни изследвания на антиматерията.

Какво е антиматерия?

Нашият свят е устроен по такъв начин, че за всеки вид частица – електрони, протони, неутрони и т.н. - има античастици (позитрони, антипротони, антинеутрони). Те имат еднаква маса и, ако са нестабилни, същия полуживот, но противоположни заряди и други числа, характеризиращи взаимодействието. Позитроните имат същата маса като електроните, но само положителен заряд. Антипротоните имат отрицателен заряд. Антинеутроните са електрически неутрални, точно като неутроните, но имат противоположно барионно число и са съставени от антикварки. Антинуклеусът може да бъде сглобен от антипротони и антинеутрони. Добавяйки позитрони, създаваме антиатоми, а натрупвайки ги, получаваме антиматерия. Всичко това е антиматерия.

И тук има няколко интересни тънкости, за които си струва да говорим. Първо, самото съществуване на античастици е огромен триумф на теоретичната физика. Тази неочевидна и за някои дори шокираща идея е теоретично изведена от Пол Дирак и първоначално е приета враждебно. Освен това, дори след откриването на позитроните, мнозина все още се съмняваха в съществуването на антипротони. Първо, казаха те, Дирак излезе със собствена теория за описание на електрона и не е факт, че тя ще работи за протона. Например, магнитният момент на протона се различава няколко пъти от предсказанието на теорията на Дирак. Второ, дълго време са търсили следи от антипротони в космическите лъчи, но нищо не е намерено. Трето, те твърдяха - буквално повтаряйки нашите думи - че ако има антипротони, тогава трябва да има антиатоми, антизвезди и антигалактики и ние определено ще ги забележим в грандиозни космически експлозии. Тъй като не виждаме това, вероятно е защото антиматерията не съществува. Следователно експерименталното откритие на антипротона през 1955 г. в новооткрития ускорител Bevatron е доста нетривиален резултат, удостоен с Нобелова награда по физика за 1959 г. През 1956 г. на същия ускорител е открит антинеутронът. Историята на тези търсения, съмнения и постижения може да бъде намерена в множество исторически есета, например в този доклад или в скорошната книга на Франк Клоуз Антиматерия.

Отделно обаче трябва да се каже, че здравословното съмнение в чисто теоретичните твърдения винаги е полезно. Например твърдението, че античастиците имат същата маса като частиците, също е теоретичен резултат; то следва от много важна CPT теорема. Да, върху това твърдение се гради съвременната, експериментално проверена физика на микросвета. Но все още е равенство: кой знае, може би по този начин ще намерим границите на приложимост на теорията.

Друга особеност: не всички сили на микросвета се отнасят еднакво към частиците и античастиците. За електромагнитните и силните взаимодействия няма разлика между тях, за слабите има. Поради това някои фини детайли на взаимодействията на частиците и античастиците се различават, например вероятностите за разпадане на частица А в набор от частици В и анти-А в набор от анти-В (за повече подробности относно разлики, виж колекцията на Павел Пахов). Тази характеристика възниква, защото слабите взаимодействия нарушават CP симетрията на нашия свят. Но защо това се случва е една от мистериите на елементарните частици и изисква излизане отвъд границите на познатото.

Ето още една тънкост: някои частици имат толкова малко характеристики, че античастиците и частиците изобщо не се различават една от друга. Такива частици се наричат ​​наистина неутрални. Това е фотон, бозон на Хигс, неутрални мезони, състоящи се от кварки и антикварки от същия тип. Но ситуацията с неутрино все още е неясна: може би те са наистина неутрални (Majorana) или може би не. Това е от критично значение за теорията, описваща масите и взаимодействията на неутриното. Отговорът на този въпрос наистина ще бъде голяма крачка напред, защото ще ни помогне да разберем структурата на нашия свят. Експериментът все още не е казал нищо недвусмислено по този въпрос. Но експерименталната програма за изследване на неутрино е толкова мощна, има толкова много експерименти, които се провеждат, че физиците постепенно се доближават до решението.

Къде е тази антиматерия?

Когато античастица срещне своята частица, тя анихилира: двете частици изчезват и се превръщат в набор от фотони или по-леки частици. Цялата останала енергия се превръща в енергията на тази микроексплозия. Това е най-ефективното преобразуване на маса в топлинна енергия, стотици пъти по-ефективно от ядрен взрив. Но ние не виждаме грандиозни природни експлозии около нас; Антиматерията не съществува в значителни количества в природата. Индивидуалните античастици обаче могат да се родят в различни естествени процеси.

Най-лесният начин е да създадете позитрони. Най-простият вариант е радиоактивността, разпадането на някои ядра поради положителна бета радиоактивност. Например, в експерименти изотопът натрий-22 с период на полуразпад от две години и половина често се използва като източник на позитрони. Друг, доста неочакван естествен източник е, по време на който понякога се откриват проблясъци на гама лъчение от унищожаването на позитрони, което означава, че позитроните по някакъв начин са се родили там.

По-трудно е да се създадат антипротони и други античастици: за това няма достатъчно енергия на радиоактивен разпад. В природата те се раждат под въздействието на високоенергийни космически лъчи: космически протон, сблъсквайки се с някаква молекула в горните слоеве на атмосферата, генерира потоци от частици и античастици. Това обаче се случва горе, антипротоните почти никога не достигат до земята (което беше неизвестно на онези, които търсеха антипротони в космическите лъчи през 40-те години), и не можете да донесете този източник на антипротони в лабораторията.

Във всички физически експерименти антипротоните се произвеждат чрез „груба сила“: те вземат лъч от високоенергийни протони, насочват го към цел и сортират „адронните остатъци“, които се произвеждат в големи количества при този сблъсък. Сортираните антипротони се извеждат под формата на лъч и след това или се ускоряват до високи енергии, за да се сблъскат с протони (така работи например американският колайдер Tevatron), или, обратно, се забавят и използвани за по-фини измервания.

В CERN, който с право може да се гордее с дълга история на изследване на антиматерията, има специален „ускорител“ AD, „Antiproton Moderator“, който изпълнява точно тази задача. Той взема лъч от антипротони, охлажда ги (т.е. забавя ги) и след това разпределя потока от бавни антипротони в няколко специални експеримента. Между другото, ако искате да разгледате състоянието на AD в реално време, тогава онлайн мониторите на Cernov позволяват това.

Вече е много трудно да се синтезират антиатоми, дори най-простите, антиводородни атоми. Те изобщо не възникват в природата - няма подходящи условия. Дори в лабораторията трябва да се преодолеят много технически трудности, преди антипротоните да благоволят да се комбинират с позитроните. Проблемът е, че антипротоните и позитроните, излъчвани от източниците, все още са твърде горещи; те просто ще се сблъскат един с друг и ще се разлетят, вместо да образуват антиатом. Физиците все още преодоляват тези трудности, но с доста хитри методи (както се прави в един от експериментите на ASACUSA Cern).

Какво се знае за антинуклеусите?

Всички антиатомни постижения на човечеството се отнасят само до антиводорода. Антиатомите на други елементи все още не са синтезирани в лабораторията или наблюдавани в природата. Причината е проста: антиядрата се създават дори по-трудно от антипротоните.

Единственият начин, който знаем за създаване на антиядра, е да сблъскаме тежки ядра с висока енергия и да видим какво се случва там. Ако енергията на сблъсъка е висока, хиляди частици, включително антипротони и антинеутрони, ще се родят и ще се разпръснат във всички посоки. Антипротоните и антинеутроните, случайно излъчени в една посока, могат да се комбинират помежду си, за да образуват антинуклеус.

Детекторът ALICE може да различи различни ядра и антиядра въз основа на тяхното освобождаване на енергия и посоката на усукване в магнитно поле.

Изображение: CERN

Методът е прост, но не твърде неефективен: вероятността да се синтезира ядро ​​по този начин рязко пада с увеличаване на броя на нуклоните. Най-леките антиядра, антидейтроните, са наблюдавани за първи път точно преди половин век. Антихелий-3 е видян през 1971 г. Известни са също антитритон и антихелий-4, като последният е открит съвсем наскоро, през 2011 г. Все още не са наблюдавани по-тежки антиядра.

Два параметъра, описващи нуклон-нуклонни взаимодействия (дължина на разсейване f0 и ефективен радиус d0) за различни двойки частици. Червената звездичка е резултатът за двойка антипротони, получени от сътрудничеството STAR.

За съжаление не можете да правите антиатоми по този начин. Антинуклеусите не само се произвеждат рядко, но и имат твърде много енергия и излитат във всички посоки. Да се ​​опитваш да ги хванеш в колайдер и след това да ги прекараш през специален канал и да ги охладиш е нереалистично.

Въпреки това, понякога е достатъчно внимателно да се проследят антиядрата в полет, за да се получи интересна информация за антинуклеарните сили, действащи между антинуклоните. Най-простото нещо е внимателно да се измери масата на антиядрата, да се сравни със сумата от масите на антипротоните и антинеутроните и да се изчисли дефектът на масата, т.е. ядрена свързваща енергия. Отскоро работи в Големия адронен колайдер; Енергията на свързване на антидейтрон и антихелий-3 съвпадаше в границите на грешката с обикновените ядра.

Друг, по-фин ефект е изследван от експеримента STAR в американския ускорител на тежки йони RHIC. Той измерва ъгловото разпределение на произведените антипротони и открива как се променя, когато два антипротона се излъчват в много близка посока. Корелациите между антипротоните направиха възможно за първи път да се измерят свойствата на "антиядрените" сили, действащи между тях (дължина на разсейване и ефективен радиус на взаимодействие); те съвпаднаха с това, което се знае за взаимодействието на протоните.

Има ли антиматерия в космоса?

Когато Пол Дирак изведе съществуването на позитрони от своята теория, той напълно предположи, че истински антисветове могат да съществуват някъде в космоса. Сега знаем, че във видимата част на Вселената няма звезди, планети или галактики, направени от антиматерия. Въпросът дори не е, че анихилационните експлозии не се виждат; Просто е напълно невъобразимо как са могли да се образуват и да оцелеят до наши дни в една постоянно развиваща се вселена.

Но въпросът „как се случи това“ е друга огромна мистерия на съвременната физика; на научен език се нарича проблемът на бариогенезата. Според космологичната картина на света в най-ранната вселена е имало равен брой частици и античастици. Тогава, поради нарушаването на CP-симетрията и барионното число, в динамично развиваща се вселена би трябвало да се появи малък, на ниво една милиардна, излишък на материя над антиматерия. Докато Вселената се охлаждаше, всички античастици се отгряваха с частици; само този излишък от материя оцеля, което роди Вселената, която наблюдаваме. Заради него е останало поне нещо интересно в него, благодарение на него изобщо съществуваме. Как точно е възникнала тази асиметрия не е известно. Има много теории, но не се знае коя е вярна. Ясно е само, че това определено трябва да е някаква Нова физика, теория, която надхвърля стандартния модел, извън границите на това, което е експериментално проверено.

Три варианта за това откъде могат да дойдат античастиците във високоенергийните космически лъчи: 1 - те могат просто да възникнат и да се ускорят в „космически ускорител“, например в пулсар; 2 - те могат да се раждат при сблъсъци на обикновени космически лъчи с атоми на междузвездната среда; 3 - те могат да възникнат по време на разпадането на тежки частици от тъмна материя.

Въпреки че няма планети или звезди, направени от антиматерия, антиматерията все още присъства в космоса. Потоци от позитрони и антипротони с различни енергии се регистрират от сателитни обсерватории за космически лъчи, като PAMELA, Fermi, AMS-02. Фактът, че позитроните и антипротоните идват при нас от космоса означава, че те се раждат някъде там. Високоенергийните процеси, които могат да ги генерират, са принципно известни: това са силно магнетизирани съседства на неутронни звезди, различни експлозии, ускоряване на космическите лъчи на фронтовете на ударните вълни в междузвездната среда и др. Въпросът е дали те могат да обяснят всички наблюдавани свойства на потока от космически античастици. Ако се окаже, че не, това ще бъде доказателство в полза на факта, че някои от тях възникват от разпадането или унищожаването на частици тъмна материя.

Тук също има една мистерия. През 2008 г. обсерваторията PAMELA откри подозрително голям брой високоенергийни позитрони в сравнение с предсказаното от теоретичното моделиране. Тези резултати наскоро бяха потвърдени от инсталацията AMS-02 - един от модулите на Международната космическа станция и като цяло най-големият детектор на елементарни частици, изстрелян в космоса (и сглобен, познайте къде? - правилно, в CERN). Този излишък от позитрони вълнува умовете на теоретиците - в крайна сметка може да не са „скучни“ астрофизични обекти, които са отговорни за него, а тежки частици тъмна материя, които се разпадат или анихилират в електрони и позитрони. Тук все още няма яснота, но инсталацията AMS-02, както и много критично настроени физици, изучават този феномен много внимателно.

Съотношението на антипротоните към протоните в космическите лъчи с различни енергии. Точките са експериментални данни, многоцветните криви са астрофизични очаквания с различни грешки.

Изображение: Университетска библиотека Корнел

Ситуацията с антипротоните също е неясна. През април тази година AMS-02 представи предварителните резултати от нов цикъл изследвания на специална научна конференция. Основният акцент в доклада беше твърдението, че AMS-02 вижда твърде много високоенергийни антипротони - и това също може да е намек за разпадането на частици тъмна материя. Други физици обаче не са съгласни с такова весело заключение. Сега се смята, че антипротонните данни от AMS-02, с известна степен, могат да бъдат обяснени от конвенционални астрофизични източници. По един или друг начин всички с нетърпение очакват новите позитронни и антипротонни данни от AMS-02.

AMS-02 вече е открил милиони позитрони и четвърт милион антипротони. Но създателите на тази инсталация имат светла мечта - да уловят поне един антинуклеус. Това ще бъде истинска сензация - абсолютно невероятно е антиядра да се раждат някъде в космоса и да летят до нас. Засега такъв случай не е открит, но събирането на данни продължава и кой знае какви изненади ни е подготвила природата.

Антиматерия - антигравитация? Как изобщо усеща гравитацията?

Ако разчитаме само на експериментално проверена физика и не навлизаме в екзотични, все още непотвърдени теории, тогава гравитацията би трябвало да действа върху антиматерията точно по същия начин, както върху материята. Не се очаква антигравитация за антиматерията. Ако си позволим да погледнем малко по-далече, отвъд границите на познатото, то чисто теоретично възможни са варианти, когато освен обичайната универсална гравитационна сила, има нещо допълнително, което действа различно на материята и антиматерията. Колкото и илюзорна да изглежда тази възможност, тя трябва да бъде проверена експериментално, а за това е необходимо да се проведат експерименти, за да се провери как антиматерията усеща земната гравитация.

Дълго време не беше наистина възможно да се направи това по простата причина, че за това е необходимо да се създадат отделни атоми на антиматерията, да се уловят и да се проведат експерименти с тях. Сега се научихме как да правим това, така че дългоочакваният тест е точно зад ъгъла.

Основният доставчик на резултатите е същият CERN с неговата обширна програма за изследване на антиматерията. Някои от тези експерименти вече индиректно потвърдиха, че гравитацията на антиматерията е добра. Например, той откри, че (инертната) маса на антипротона съвпада с масата на протона с много висока точност. Ако гравитацията беше действала по различен начин на антипротоните, физиците щяха да забележат разликата - в крайна сметка сравнението беше направено в същата инсталация и при същите условия. Резултатът от този експеримент: ефектът на гравитацията върху антипротоните съвпада с ефекта върху протоните с точност по-добра от една милионна.

Това измерване обаче е косвено. За да бъда по-убедителен, бих искал да проведа директен експеримент: вземете няколко атома антиматерия, пуснете ги и вижте как падат в гравитационно поле. Такива експерименти се провеждат или подготвят и в ЦЕРН. Първият опит не беше особено впечатляващ. През 2013 г. експериментът ALPHA - който дотогава вече се беше научил да задържа облак от антиводород в своя капан - се опита да определи къде биха попаднали антиатомите, ако капанът беше изключен. За съжаление, поради ниската чувствителност на експеримента, не беше възможно да се получи недвусмислен отговор: беше минало твърде малко време, антиатомите се втурваха напред-назад в капана и тук-там възникваха огнища на анихилация.

Два други експеримента на Cern обещават да подобрят радикално ситуацията: GBAR и AEGIS. И двата експеримента ще тестват по различни начини как облак от ултра-студен антиводород пада в гравитационно поле. Тяхната очаквана точност при измерване на ускорението на гравитацията за антиматерията е около 1%. И двете инсталации в момента са в етап на сглобяване и отстраняване на грешки, а основните изследвания ще започнат през 2017 г., когато антипротонният модератор AD ще бъде допълнен от новия пръстен за съхранение ELENA.

Варианти на поведение на позитрона в твърдо вещество.

Изображение: nature.com

Какво се случва, ако позитрон навлезе в материята?

Образуване на молекулярен позитроний върху кварцова повърхност.

Изображение: Клифърд М. Сурко / Атомна физика: Полъх на супа от антиматерия

Ако сте прочели дотук, вече знаете много добре, че щом частица антиматерия навлезе в обикновената материя, настъпва анихилация: частиците и античастицата изчезват и се превръщат в радиация. Но колко бързо се случва това? Нека си представим позитрон, който излетя от вакуум и влезе в твърдо вещество. Ще се унищожи ли при контакт с първия атом? Изобщо не е необходимо! Анихилацията на електрон и позитрон не е мигновен процес; това изисква дълго време в атомни мащаби. Следователно позитронът успява да живее ярък живот в материята, пълен с нетривиални събития.

Първо, позитронът може да вземе електрон-сирак и да образува свързано състояние, позитроний (Ps). При подходяща ориентация на въртене, позитроният може да живее десетки наносекунди преди анихилация. Намирайки се в твърда материя, през това време ще има време да се сблъска с атоми милиони пъти, тъй като топлинната скорост на позитрония при стайна температура е около 25 км/сек.

Второ, движейки се в вещество, позитроният може да излезе на повърхността и да се залепи там - това е позитронен (или по-скоро позитрониев) аналог на атомната адсорбция. При стайна температура той не седи на едно място, а активно пътува по повърхността. И ако това не е външна повърхност, а пора с нанометров размер, тогава позитроният остава в капан в нея за дълго време.

Освен това. В стандартния материал за подобни експерименти, порестия кварц, порите не са изолирани, а са свързани чрез наноканали в обща мрежа. Топлият позитроний, пълзящ по повърхността, ще има време да изследва стотици пори. И тъй като в такива експерименти се образува много позитроний и почти всички те изпълзяват в порите, рано или късно те се блъскат един в друг и, взаимодействайки, понякога образуват истински молекули - молекулярен позитроний, Ps 2. След това можете да изучавате как се държи газът позитроний, какви възбудени състояния има позитронийът и т.н. И не мислете, че това са чисто теоретични съображения; Всички тези ефекти вече са тествани и изследвани експериментално.

Има ли антиматерията практически приложения?

Разбира се. Като цяло, всеки физически процес, ако ни отвори някакъв нов аспект от нашия свят и не изисква допълнителни разходи, със сигурност ще намери практически приложения. Освен това, такива приложения, които ние самите не бихме си представили, ако не бяхме открили и проучили първо научната страна на този феномен.

Най-известното приложение на античастиците е PET, позитронно-емисионна томография. Като цяло ядрената физика има впечатляващ опит в медицинските приложения и античастиците също не стоят без работа. При PET в тялото на пациента се инжектира малка доза от лекарство, което съдържа нестабилен изотоп с кратък живот (минути до часове) и се разпада поради положителен бета разпад. Лекарството се натрупва в желаните тъкани, ядрата се разпадат и излъчват позитрони, които анихилират наблизо и произвеждат два гама кванта с определена енергия. Детекторът ги регистрира, определя посоката и времето на пристигането им и възстановява мястото, където е станало разпадането. Това дава възможност да се построи триизмерна карта на разпределението на материята с висока пространствена разделителна способност и с минимална доза радиация.

Позитроните могат да се използват и в науката за материалите, например за измерване на порьозността на дадено вещество. Ако веществото е непрекъснато, тогава позитроните, заседнали в веществото на достатъчна дълбочина, се анихилират доста бързо и излъчват гама лъчи. Ако има нанопори вътре в веществото, унищожаването се забавя, защото позитроният се залепва към повърхността на порите. Чрез измерване на това забавяне е възможно да се определи степента на нанопорьозност на дадено вещество, като се използва безконтактен и неразрушителен метод. Тази техника е илюстрирана от скорошна работа върху това как нанопорите се появяват и затварят в най-тънкия слой лед, когато парата се отлага на повърхността. Подобен подход работи и при изучаване на структурни дефекти в полупроводникови кристали, например празни места и дислокации, и позволява да се измери структурната умора на материала.

Антипротоните могат да имат и медицински приложения. Сега в същия CERN се провежда експериментът ACE, който изучава ефекта на антипротонен лъч върху живи клетки. Целта му е да проучи перспективите за използване на антипротони за лечение на рак.

Освобождаване на енергия от йонен лъч и рентгенови лъчи при преминаване през вещество.

Изображение: Йоханес Гутлебер/ЦЕРН

Тази идея може да ужаси читателя по навик: как е възможно антипротонен лъч да удари жив човек?! Да, и е много по-безопасно от облъчването на дълбок тумор с рентгенови лъчи! Антипротонен лъч със специално подбрана енергия става в ръцете на хирурга ефективен инструмент, с който е възможно да се изгорят тумори дълбоко в тялото и да се минимизира въздействието върху околните тъкани. За разлика от рентгеновите лъчи, които изгарят всичко, което попадне под лъча, тежките заредени частици по пътя си през материята освобождават по-голямата част от енергията си в последните сантиметри, преди да спрат. Чрез регулиране на енергията на частиците можете да променяте дълбочината, на която частиците спират; Именно тази област с размери милиметри ще понесе основното радиационно въздействие.

Този тип лъчетерапия с протонен лъч отдавна се използва в много добре оборудвани клиники по света. Напоследък някои от тях преминаха към йонна терапия, която използва сноп въглеродни йони, а не протони. При тях профилът на освобождаване на енергия е още по-контрастен, което означава, че ефективността на двойката „терапевтични ефекти срещу странични ефекти“ се увеличава. Но отдавна се предлага да се опитат антипротони за тази цел. В края на краищата, когато влязат в вещество, те не само се отказват от кинетичната си енергия, но и анихилират след спиране - и това увеличава освобождаването на енергия няколко пъти. Къде се отлага тази допълнителна енергия е сложен въпрос и трябва да бъде внимателно проучен, преди да бъдат стартирани клинични изпитвания.

Точно това прави експериментът ACE. В него изследователите прекарват лъч от антипротони през кювета, съдържаща бактериална култура, и измерват тяхното оцеляване като функция на местоположението, параметрите на лъча и физическите характеристики на околната среда. Това методично и може би скучно събиране на технически данни е важен начален етап на всяка нова технология.

Игор Иванов

Екология на знанието: Антиматерията отдавна е обект на научна фантастика. В книгата и филма „Ангели и демони“ професор Лангдън се опитва да спаси Ватикана от бомба с антиматерия. Star Trek Starship Starship Enterprise използва двигател, базиран на

Антиматерията отдавна е обект на научна фантастика. В книгата и филма „Ангели и демони“ професор Лангдън се опитва да спаси Ватикана от бомба с антиматерия. Starship Enterprise на Star Trek използва унищожаващо антиматерийно задвижване, за да пътува по-бързо от скоростта на светлината. Но антиматерията също е обект на нашата реалност. Частиците антиматерия са практически идентични с техните материални партньори, с изключение на това, че носят противоположен заряд и се въртят. Когато антиматерията срещне материята, те незабавно се унищожават в енергия и това вече не е измислица.

Въпреки че бомбите с антиматерия и корабите, задвижвани от същото гориво, все още не са практически възможности, има много факти за антиматерията, които ще ви изненадат или ще освежат паметта ви за това, което вече сте знаели.

1. Антиматерията е трябвало да унищожи цялата материя във Вселената след Големия взрив

Според теорията Големият взрив е създал материя и антиматерия в равни количества. Когато се срещнат, настъпва взаимно унищожение, анихилация и остава само чиста енергия. Въз основа на това не би трябвало да съществуваме.

Но ние съществуваме. И доколкото физиците знаят, това е така, защото за всеки милиард двойки материя-антиматерия имаше една допълнителна частица материя. Физиците правят всичко възможно да обяснят тази асиметрия.

2. Антиматерията е по-близо до вас, отколкото си мислите

Малки количества антиматерия постоянно валят върху Земята под формата на космически лъчи, енергийни частици от космоса. Тези частици антиматерия достигат нашата атмосфера на нива, вариращи от една до повече от сто на квадратен метър. Учените също имат доказателства, че антиматерията се създава по време на гръмотевични бури.

Има и други източници на антиматерия, които са по-близо до нас. Бананите, например, произвеждат антиматерия, като излъчват един позитрон – антиматерийния еквивалент на електрон – около веднъж на всеки 75 минути. Това е така, защото бананите съдържат малки количества калий-40, естествено срещащ се изотоп на калия. Разпадането на калий-40 понякога произвежда позитрон.

Нашите тела също съдържат калий-40, което означава, че вие ​​също излъчвате позитрони. Антиматерията се унищожава незабавно при контакт с материята, така че тези частици антиматерия не съществуват много дълго.

3. Хората са успели да създадат много малко антиматерия

Унищожаването на антиматерията и материята има потенциала да освободи огромни количества енергия. Един грам антиматерия може да предизвика експлозия с размерите на ядрена бомба. Хората обаче не са произвели много антиматерия, така че няма от какво да се страхуваме.

Всички антипротони, създадени в ускорителя на частици Tevatron на Fermilab, биха били едва 15 нанограма. CERN е произвел само около 1 нанограм до момента. В DESY в Германия - не повече от 2 нанограма позитрони.

Ако цялата антиматерия, създадена от хората, бъде унищожена незабавно, нейната енергия няма да е достатъчна дори да свари чаша чай.

Проблемът се крие в ефективността и разходите за производство и съхранение на антиматерия. Създаването на 1 грам антиматерия изисква около 25 милиона милиарда киловатчаса енергия и струва над един милион милиарда долара. Не е изненадващо, че антиматерията понякога е включена в списъка на десетте най-скъпи вещества в нашия свят.

4. Има такова нещо като капан за антиматерия

За да изучавате антиматерията, трябва да предотвратите нейното унищожаване с материята. Учените са открили няколко начина за това.

Заредените частици антиматерия, като позитрони и антипротони, могат да се съхраняват в така наречените капани на Пенинг. Те са като ускорители на малки частици. Вътре в тях частиците се движат спираловидно, докато магнитни и електрически полета ги предпазват от сблъсък със стените на капана.

Капаните на Пенинг обаче не работят за неутрални частици като антиводород. Тъй като нямат заряд, тези частици не могат да бъдат ограничени от електрически полета. Те се държат в капани на Йофе, които работят, като създават област от пространството, където магнитното поле става по-силно във всички посоки. Частиците антиматерия се забиват в областта с най-слабото магнитно поле.

Магнитното поле на Земята може да действа като капани за антиматерия. Антипротони са открити в определени зони около Земята - радиационните пояси на Ван Алън.

5. Антиматерията може да падне (буквално)

Частиците материя и антиматерия имат еднаква маса, но се различават по свойства като електрически заряд и въртене. Стандартният модел прогнозира, че гравитацията трябва да влияе еднакво върху материята и антиматерията, но това остава да се види със сигурност. Експерименти като AEGIS, ALPHA и GBAR работят върху това.

Наблюдаването на гравитационния ефект в антиматерията не е толкова лесно, колкото да гледате как ябълка пада от дърво. Тези експерименти изискват задържане на антиматерията в капан или нейното забавяне чрез охлаждане до температури точно над абсолютната нула. И тъй като гравитацията е най-слабата от фундаменталните сили, физиците трябва да използват неутрални частици антиматерия в тези експерименти, за да предотвратят взаимодействието с по-мощната сила на електричеството.

6. Антиматерията се изучава в модератори на частици

Чували ли сте за ускорители на частици и за модератори на частици? CERN разполага с машина, наречена Antiproton Decelerator, която улавя и забавя антипротоните в пръстен, за да изследва техните свойства и поведение.

В пръстеновидните ускорители на частици като Големия адронен колайдер, частиците получават енергиен тласък всеки път, когато завършат кръг. Модераторите работят по обратния начин: вместо да ускоряват частиците, те се изтласкват в обратна посока.

7. Неутриното могат да бъдат свои собствени античастици

Частица материя и нейният партньор антиматерия носят противоположни заряди, което ги прави лесни за разграничаване. Неутрино, почти безмасови частици, които рядко взаимодействат с материята, нямат заряд. Учените смятат, че те може да са частици от Майорана, хипотетичен клас частици, които са техни собствени античастици.

Проекти като Majorana Demonstrator и EXO-200 имат за цел да определят дали неутриното наистина са частици Majorana, като наблюдават поведението на така нареченото двойно бета разпадане без неутрино.

Някои радиоактивни ядра се разпадат едновременно, излъчвайки два електрона и две неутрино. Ако неутриното бяха техните собствени античастици, те биха анихилирали след двоен разпад, оставяйки на учените само електрони за наблюдение.

Търсенето на неутрино от Майорана може да помогне да се обясни защо съществува асиметрия материя-антиматерия. Физиците предполагат, че неутриното на Майорана може да бъде тежко или леко. Леките съществуват днес, но тежките са съществували веднага след Големия взрив. Тежките майоранови неутрино се разпадат асиметрично, което води до появата на малко количество материя, която изпълва нашата Вселена.

8. Антиматерията се използва в медицината

PET, PET (позитронна емисионна топография) използва позитрони за създаване на изображения с висока разделителна способност на тялото. Излъчващите позитрони радиоактивни изотопи (като тези в бананите) се свързват с химикали като глюкоза, които се намират в тялото. Те се инжектират в кръвта, където се разлагат по естествен път, излъчвайки позитрони. Те от своя страна се срещат с електроните на тялото и анихилират. Анихилацията произвежда гама лъчи, които се използват за конструиране на изображения.

Учените от проекта ACE на CERN изучават антиматерията като потенциален кандидат за лечение на рак. Лекарите вече са открили, че могат да насочват лъчи от частици към тумори, освобождавайки енергията им само след като са преминали безопасно през здрава тъкан. Използването на антипротони ще добави допълнителен прилив на енергия. Установено е, че тази техника е ефективна за лечение на хамстери, но все още не е тествана при хора.

9. Антиматерията може да се спотайва в космоса

Един от начините, по който учените се опитват да решат проблема с асиметрията материя-антиматерия, е чрез търсене на антиматерия, останала от Големия взрив.

Алфа магнитният спектрометър (AMS) е детектор на частици, разположен на Международната космическа станция, който търси такива частици. AMS съдържа магнитни полета, които огъват пътя на космическите частици и отделят материята от антиматерията. Неговите детектори трябва да откриват и идентифицират такива частици, докато преминават.

Сблъсъците на космически лъчи обикновено произвеждат позитрони и антипротони, но вероятността за създаване на антихелиев атом остава изключително малка поради огромното количество енергия, необходимо за този процес. Това означава, че наблюдението дори на едно антихелиево ядро ​​би било мощно доказателство за съществуването на гигантски количества антиматерия другаде във Вселената.

10. Хората всъщност учат как да захранват космически кораби с гориво от антиматерия.

Само малко антиматерия може да произведе огромни количества енергия, което я прави популярно гориво за футуристичните кораби в научната фантастика.

Ракетното задвижване с антиматерия е хипотетично възможно; основното ограничение е събирането на достатъчно антиматерия, за да се случи това.

Все още не съществува технология за масово производство или събиране на антиматерия в количествата, необходими за такива приложения. Учените обаче работят върху симулирането на такова движение и съхранение на същата антиматерия. Един ден, ако намерим начин да произвеждаме големи количества антиматерия, тяхното изследване може да помогне междузвездното пътуване да стане реалност.публикувани

Публичният достъп до информация от всякакъв вид, изобилието от научно-фантастични филми, чиито теми са свързани с определени научни или псевдонаучни проблеми, популярността на сензационни романи - всичко това доведе до формирането на значителен брой митове за нашата свят. Например, благодарение на множество теории, които възпроизвеждат варианти на края на света, понятието „антиматерия“ стана широко използвано. В произведенията на изкуството и апокалиптичните теории антиматерията се отнася до определено вещество, чиито свойства са противоположни на веществото, материята. Един вид черна дупка, която поглъща и унищожава всичко, което попадне в зоната й на привличане. Какво всъщност е антиматерията, трябва да попитате не писателите, режисьорите и обсебените от очакването за всеобщ колапс, а учените.

Античастиците и антиматерията са нормална част от Вселената

Учените ще ви кажат, че в антиматерията няма нищо ужасно или катастрофално. Макар и само поради факта, че е невъзможно да се противопоставят материята и антиматерията - това, което обикновено се нарича антиматерия, всъщност е вид субстанция, тоест материя. Според научната класификация частиците на материята обикновено се наричат ​​материални структури, състоящи се от атоми, заобиколени от елементарни частици. Основната част на атома е ядрото, което е с положителен заряд, а елементарните частици около него са с отрицателен заряд. Това са същите електрони, чието име се използва от нас в ежедневието всеки ден, когато споменаваме електрониката и електрическите уреди.

Антиматерията се състои от античастици, тоест онези материални структури, чиито ядра имат отрицателен заряд, а заобикалящите ги частици имат положителен заряд.

Положителните елементарни частици са открити от учените едва през 1932 г. и са наречени позитрони. Във взаимодействието на частици и античастици, материя и антиматерия също няма фатална драма. Настъпва анихилация - процесът на трансформация на реагираща материя и антиматерия в фундаментално нови частици, които не са съществували първоначално и имат свойства, различни от оригиналните, „майчините“ частици. Вярно е, че „страничният ефект“ може да бъде доста опасен: анихилацията е придружена от освобождаване на огромно количество енергия. Изчислено е, че реакцията на 1 килограм материя с 1 килограм антиматерия ще освободи енергия, равна на приблизително 43 мегатона експлодиращ тротил. Най-мощната ядрена бомба, избухнала на Земята, имаше потенциал от около 58 мегатона TNT.

Как да се получи антиматерия не е въпрос за науката

Реалността на антиматерията е доказан факт. Теоретичните предположения на учените хармонично се съчетават с общата научна картина на света и след това античастиците са открити експериментално. Вече почти петдесет години античастиците се произвеждат изкуствено чрез реакция на взаимодействие между частици и античастици. През 1965 г. е синтезиран антидейтронът, а 30 години по-късно е получен антиводородът (разликата му с „класическия“ водород е, че атомът на антиматерията се състои от позитрон и антипротон). Учените отидоха по-далеч и през 2010-2011 г. успяха да „уловят“ атоми на антиматерия в лабораторни условия. Нека само около 40 атома се окажат в „капана“ и те успяха да ги задържат за 172 милисекунди.

Практическите перспективи за изучаване на античастиците са очевидни, като се има предвид огромният енергиен потенциал на взаимодействието на частици и античастици.

Използването на антиматерия и стартирането на този процес по контролиран начин всъщност премахва проблема с получаването на енергия веднъж завинаги.

Трудността, както винаги, е в парите: изчисленията показват, че днес производството на само един грам антиматерия би струвало около 60 трилиона долара. Така че традиционните източници на енергия засега остават актуални, но изследванията трябва да продължат. Освен това още в началото на 20-21 век астрономи и астрофизици откриха източници на антиматерия във Вселената. По-специално, получени са данни за реални потоци от положително заредени елементарни частици (позитрони), движещи се в космическото пространство. Появиха се няколко теории, повече или по-малко обосновани от практически изследвания, които обясняват механизмите на образуване на античастици в природни условия.

Много популярно обяснение е, че античастиците се образуват в силно гравитационно поле в черните дупки. Това гравитационно поле взаимодейства с „обикновената“ материя и в резултат на процеса на „обработка“ на материята се получават позитрони – частици, които под въздействието на гравитацията са променили заряда си от отрицателен на положителен. Друга концепция сочи към естествено срещащи се радиоактивни елементи, най-известните от които са свръхновите. Предполага се, че тези естествени ядрени реактори „произвеждат“ античастици като страничен продукт. Има и други версии: например процесът на сливане на две звезди може да бъде придружен от образуването на частици с променен заряд или, напротив, такъв ефект може да доведе до смъртта на звездите.

Къде да намерим антиматерия - пъзел за изследователите

Следователно наличието на антиматерия е неоспоримо. Но, както обикновено се случва при изучаване на тайните на Вселената, възникна фундаментален проблем, който науката на този етап от своето развитие все още не е успяла да разреши. Според принципа на симетрията на структурата на Вселената , нашият свят трябва да съдържа приблизително същото количество материя като антиматерията, толкова много атоми, състоящи се от положително ядро ​​и отрицателно заредени частици, колкото атоми с отрицателно ядро ​​и положителни частици. Но на практика в момента не са открити следи от мащабни натрупвания на антиматерия (теоретиците дори излязоха с име за такива натрупвания - „антисвят“).

При астрономически наблюдения антиматерията се открива доста добре само благодарение на излъченото гама лъчение. Оптимистите обаче не губят надежда – и с право.

Първо, Земята може да се намира в тази „материална“ част на Вселената, която е максимално отдалечена от половината на „антиматерията“. Това означава, че цялата работа е в недостатъчно мощни и сложни устройства за наблюдение. Второ, по отношение на тяхното електромагнитно излъчване, обектите, състоящи се от материя и антиматерия, са неразличими, следователно оптичният метод за наблюдение е безполезен тук. Трето, компромисните теории не са отхвърлени - например, че Вселената има клетъчна структура, в която всяка клетка се състои наполовина от материя и наполовина от антиматерия.

Александър Бабицки