سنتز ضد ماده. دقیقا برعکس

ضد ماده،ماده ای متشکل از اتم هایی که هسته های آن دارای بار الکتریکی منفی هستند و توسط پوزیترون ها - الکترون هایی با بار الکتریکی مثبت احاطه شده اند. در ماده معمولی، که دنیای اطراف ما از آن ساخته شده است، هسته های دارای بار مثبت توسط الکترون هایی با بار منفی احاطه شده اند. ماده معمولی را برای تشخیص آن از ضد ماده، گاهی اوقات جوهر (از یونانی. koinos- معمولی). با این حال، در ادبیات روسی از این اصطلاح عملا استفاده نمی شود. باید تأکید کرد که اصطلاح «ضد ماده» کاملاً صحیح نیست، زیرا ضد ماده نیز ماده است، نوع خود. پادماده خواص اینرسی یکسانی دارد و جاذبه گرانشی مشابه ماده معمولی ایجاد می کند.

صحبت از ماده و پادماده، منطقی است که با ذرات بنیادی (زیر اتمی) شروع کنیم. هر ذره بنیادی مربوط به یک پاد ذره است. هر دو تقریباً مشخصات یکسانی دارند، با این تفاوت که بار الکتریکی مخالف دارند. (اگر ذره خنثی است، پس پاد ذره نیز خنثی است، اما ممکن است در ویژگی های دیگر متفاوت باشند. در برخی موارد، ذره و پادذره با یکدیگر یکسان هستند.) بنابراین، یک الکترون - یک ذره با بار منفی - مطابق با پوزیترون، و پادذره پروتون با بار مثبت یک پادپروتون با بار منفی است. پوزیترون در سال 1932 و پاد پروتون در سال 1955 کشف شد. اینها اولین ضد ذرات کشف شده بودند. وجود پادذرات در سال 1928 بر اساس مکانیک کوانتومی توسط فیزیکدان انگلیسی پی دیراک پیش بینی شد.

هنگامی که یک الکترون و یک پوزیترون با هم برخورد می کنند، از بین می روند، یعنی. هر دو ذره ناپدید می شوند و دو کوانتا گاما از نقطه برخورد آنها ساطع می شود. اگر ذرات در حال برخورد با سرعت کم حرکت کنند، انرژی هر پرتو گاما 0.51 مگا ولت است. این انرژی «انرژی استراحت» الکترون یا جرم سکون آن است که بر حسب واحد انرژی بیان می‌شود. اگر ذرات در حال برخورد با سرعت زیاد حرکت کنند، انرژی پرتوهای گاما به دلیل انرژی جنبشی آنها بیشتر خواهد بود. نابودی نیز زمانی رخ می دهد که یک پروتون با یک پادپروتون برخورد کند، اما فرآیند در این مورد بسیار پیچیده تر است. تعدادی از ذرات کوتاه مدت به عنوان محصولات میانی برهمکنش متولد می شوند. با این حال، پس از چند میکروثانیه، نوترینوها، کوانتای گاما، و تعداد کمی از جفت الکترون-پوزیترون به عنوان محصولات نهایی تبدیل باقی می مانند. این جفت ها در نهایت می توانند نابود شوند و پرتوهای گامای اضافی ایجاد کنند. نابودی همچنین زمانی رخ می دهد که یک آنتی نوترون با یک نوترون یا پروتون برخورد کند.

از آنجایی که پادذرات وجود دارند، این سوال مطرح می شود که آیا می توان از پادذرات پاد هسته تشکیل داد؟ هسته اتم های ماده معمولی از پروتون و نوترون تشکیل شده است. ساده ترین هسته، هسته ایزوتوپ هیدروژن معمولی 1 H است. این یک پروتون منفرد است. هسته دوتریوم 2 H از یک پروتون و یک نوترون تشکیل شده است. به آن دوترون می گویند. نمونه دیگری از یک هسته ساده، هسته 3 He است که از دو پروتون و یک نوترون تشکیل شده است. آنتی دوترون، متشکل از یک آنتی پروتون و یک آنتی نوترون، در آزمایشگاه در سال 1966 به دست آمد. هسته ضد 3He متشکل از دو پادپروتون و یک پاد نوترون اولین بار در سال 1970 به دست آمد.

بر اساس فیزیک ذرات بنیادی مدرن، با در دسترس بودن ابزار فنی مناسب، می‌توان ضد هسته‌های تمام هسته‌های معمولی را به دست آورد. اگر این پاد هسته ها با تعداد مناسبی از پوزیترون احاطه شوند، پاداتم ها را تشکیل می دهند. ضد اتم ها تقریباً همان خواص اتم های معمولی را خواهند داشت. آنها می توانند مولکول ها را تشکیل دهند، آنها می توانند جامدات، مایعات و گازها، از جمله مواد آلی را تشکیل دهند. به عنوان مثال، دو آنتی پروتون و یک هسته ضد اکسیژن، همراه با هشت پوزیترون، می توانند یک مولکول ضد آب شبیه به آب معمولی H 2 O تشکیل دهند که هر مولکول آن از دو پروتون هسته هیدروژن، یک هسته اکسیژن و هشت الکترون تشکیل شده است. . تئوری ذرات مدرن می تواند پیش بینی کند که ضد آب در دمای 0 درجه سانتی گراد یخ می زند، در 100 درجه سانتی گراد می جوشد و در غیر این صورت مانند آب معمولی رفتار می کند. با ادامه چنین استدلالی می توان به این نتیجه رسید که ضد ماده ساخته شده از پادماده بسیار شبیه به دنیای معمولی اطراف ما خواهد بود. این نتیجه گیری به عنوان نقطه شروع برای نظریه های یک جهان متقارن بر اساس این فرض است که جهان دارای مقدار مساوی از ماده معمولی و پادماده است. ما در آن قسمت از آن زندگی می کنیم که از ماده معمولی تشکیل شده است.

اگر دو قطعه یکسان از مواد از نوع مخالف با هم در تماس باشند، آنگاه نابودی الکترون ها با پوزیترون و هسته ها با پاد هسته اتفاق می افتد. در این صورت، گاما کوانتا پدید می آید که با ظاهر آن می توان قضاوت کرد که چه اتفاقی می افتد. از آنجایی که زمین، طبق تعریف، از ماده معمولی تشکیل شده است، مقدار قابل توجهی از پادماده در آن وجود ندارد، به جز تعداد کمی از پادذرات تولید شده در شتاب دهنده های بزرگ و در پرتوهای کیهانی. همین امر در مورد کل منظومه شمسی صدق می کند.

مشاهدات نشان می دهد که تنها مقدار محدودی از تابش گاما در کهکشان ما رخ می دهد. از این، تعدادی از محققان به این نتیجه می رسند که مقادیر قابل توجهی از ضد ماده در آن وجود ندارد. اما این نتیجه گیری غیر قابل انکار نیست. در حال حاضر هیچ راهی برای تعیین اینکه آیا یک ستاره نزدیک از ماده یا پادماده تشکیل شده است وجود ندارد. یک ستاره ضد ماده دقیقاً همان طیف یک ستاره معمولی را منتشر می کند. علاوه بر این، کاملاً ممکن است که ماده کمیاب که فضای اطراف ستاره را پر می کند و با ماده خود ستاره یکسان است از مناطق پر از ماده نوع مخالف جدا شود - "لایه های لیدنفراست" بسیار نازک با درجه حرارت بالا. بنابراین، می توان از ساختار "سلولی" فضای بین ستاره ای و بین کهکشانی صحبت کرد که در آن هر سلول حاوی ماده یا پادماده است. این فرضیه توسط تحقیقات مدرن که نشان می دهد مگنتوسفر و هلیوسفر (فضای بین سیاره ای) ساختار سلولی دارند، پشتیبانی می شود. سلول هایی با مغناطش های مختلف و گاهی اوقات نیز با دما و چگالی متفاوت توسط غلاف های جریان بسیار نازک از هم جدا می شوند. از این رو این نتیجه متناقض حاصل می شود که این مشاهدات با وجود پادماده حتی در کهکشان ما منافاتی ندارند.

اگر قبلاً هیچ استدلال قانع کننده ای به نفع وجود پادماده وجود نداشت، اکنون موفقیت های نجوم پرتو ایکس و پرتو گاما وضعیت را تغییر داده است. پدیده های مرتبط با آزادسازی عظیم و اغلب بسیار بی نظم انرژی مشاهده شده است. به احتمال زیاد، منبع چنین آزادسازی انرژی نابودی بوده است.

فیزیکدان سوئدی O.Klein نظریه کیهان شناسی را بر اساس فرضیه تقارن بین ماده و پادماده ایجاد کرد و به این نتیجه رسید که فرآیندهای نابودی نقش تعیین کننده ای در تکامل کیهان و تشکیل ساختار کهکشان ها دارند.

روز به روز آشکارتر می شود که نظریه جایگزین اصلی - نظریه "بیگ بنگ" - به طور جدی با داده های رصدی در تضاد است و جایگاه مرکزی در حل مسائل کیهان شناسی در آینده نزدیک احتمالاً توسط "کیهان شناسی متقارن" اشغال خواهد شد.

پادماده ماده ای است که کاملاً از پادذره تشکیل شده است. در طبیعت، هر ذره بنیادی یک پاد ذره دارد.برای یک الکترون، این یک پوزیترون و برای یک پروتون با بار مثبت، یک پاد پروتون خواهد بود. اتم های ماده معمولی - در غیر این صورت نامیده می شود ماده سکهآنها از یک هسته با بار مثبت تشکیل شده اند که الکترون ها در اطراف آن حرکت می کنند. و هسته های بار منفی اتم های پادماده نیز به نوبه خود توسط پادالکترون ها احاطه شده اند.

نیروهایی که ساختار ماده را تعیین می کنند هم برای ذرات و هم برای ضد ذرات یکسان هستند. به بیان ساده، ذرات فقط در علامت بار متفاوت هستند. مشخصاً، "ضد ماده" نام درستی نیست. اساساً فقط نوعی ماده است که همان خواص را دارد و قادر به ایجاد جاذبه است.

نابودی

در واقع این فرآیند برخورد پوزیترون و الکترون است. در نتیجه، نابودی متقابل (نابودی) هر دو ذره با آزاد شدن انرژی عظیم رخ می دهد. انهدام 1 گرم پادماده معادل انفجار یک بار TNT 10 کیلوتنی است!

سنتز

در سال 1995 اعلام شد که اولین 9 اتم آنتی هیدروژن سنتز شده است.آنها 40 نانوثانیه زندگی کردند و مردند و انرژی آزاد کردند. و در حال حاضر در سال 2002، تعداد اتم های به دست آمده صدها نفر بود. اما تمام پادذرات به دست آمده فقط نانوثانیه ها می توانند زندگی کنند. همه چیز با پرتاب برخورد دهنده هادرون تغییر کرد: می‌توان 38 اتم آنتی هیدروژن را سنتز کرد و آنها را برای یک ثانیه کامل نگه داشت. در این دوره زمانی، امکان انجام برخی مطالعات در مورد ساختار پادماده فراهم شد. آنها پس از ایجاد یک تله مغناطیسی ویژه یاد گرفتند که ذرات را نگه دارند. در آن برای رسیدن به اثر مطلوب، دمای بسیار پایینی ایجاد می شود. درست است، چنین تله ای یک موضوع بسیار دست و پا گیر، پیچیده و گران است.

در سه گانه S. Snegov "مردم مانند خدایان هستند" از فرآیند نابودی برای پروازهای بین کهکشانی استفاده می شود. قهرمانان رمان با استفاده از آن ستاره ها و سیارات را به غبار تبدیل می کنند. ولی در زمان ما به دست آوردن پادماده بسیار دشوارتر و گرانتر از تغذیه بشر است.

قیمت ضد ماده چقدر است

یک میلی گرم پوزیترون باید 25 میلیارد دلار هزینه داشته باشد. و برای یک گرم آنتی هیدروژن باید 62.5 تریلیون دلار بپردازید.

هنوز آنقدر سخاوتمند ظاهر نشده است که بتواند حداقل یک صدم گرم را بخرد. چند صد میلیون فرانک سوئیس باید برای یک میلیاردم گرم پرداخت می شد تا موادی برای کار آزمایشی در مورد برخورد ذرات و ضد ذرات به دست آید. تاکنون چنین ماده ای در طبیعت وجود ندارد که گرانتر از ضد ماده باشد.

اما در مورد وزن پادماده، همه چیز بسیار ساده است. از آنجایی که با ماده معمولی فقط در بار آن تفاوت دارد، سایر خصوصیات یکسان است. به نظر می رسد که یک گرم پادماده دقیقاً یک گرم وزن خواهد داشت.

دنیای ضد ماده

اگر آنچه بود را درست بپذیریم، در نتیجه این فرآیند، باید مقدار مساوی از ماده و پادماده به وجود می آمد. پس چرا اجسام مجاور متشکل از پادماده را مشاهده نمی کنیم؟ پاسخ بسیار ساده است: دو نوع ماده نمی توانند با هم وجود داشته باشند. آنها قطعاً یکدیگر را لغو می کنند. این احتمال وجود دارد که کهکشان ها و حتی جهان های ضد ماده وجود داشته باشند.و حتی برخی از آنها را می بینیم. اما آنها همان تابش را ساطع می کنند، همان نوری که از کهکشان های معمولی می آید. بنابراین، هنوز نمی توان با اطمینان گفت که آیا یک ضد جهان وجود دارد یا اینکه آیا این یک افسانه زیبا است.

آیا این خطرناک است؟

بشر بسیاری از اکتشافات مفید را به ابزاری برای نابودی تبدیل کرد. ضد ماده از این نظر نمی تواند استثنا باشد. هنوز نمی توان سلاحی قدرتمندتر از سلاحی که بر اساس اصل نابودی بنا شده است تصور کرد.شاید آنقدر هم بد نباشد که تاکنون امکان استخراج و حفظ پادماده وجود نداشته است؟ آیا این زنگ مرگباری نخواهد بود که بشریت در آخرین روز خود خواهد شنید؟

اخیراً، اعضای همکاری ALICE در سرن، جرم هسته‌های پادماده را با دقتی بی‌سابقه اندازه‌گیری کردند و حتی انرژی اتصال پادپروتون‌ها به پادنوترون‌ها را تخمین زدند. تا کنون تفاوت معنی داری بین این پارامترها در ماده و پادماده یافت نشده است، اما این نکته اصلی نیست. مهم است که در حال حاضر، در چند سال گذشته، نه تنها پادذرات، بلکه ضد هسته ها و حتی پاداتم ها نیز برای اندازه گیری و مشاهدات در دسترس هستند. بنابراین، وقت آن است که بفهمیم پادماده چیست و تحقیقات آن در فیزیک مدرن چه جایگاهی دارد.

بیایید سعی کنیم برخی از اولین سوالات ضد ماده شما را حدس بزنیم.

آیا درست است که می توان از ضد ماده برای ساخت بمب فوق قدرتمند استفاده کرد؟ و چه چیزی، در CERN آنها در واقع ضد ماده را جمع می کنند، همانطور که در فیلم فرشتگان و شیاطین نشان داده شده است، و اینکه بسیار خطرناک است؟ آیا درست است که پادماده سوخت فوق العاده کارآمدی برای سفرهای فضایی خواهد بود؟ آیا حقیقتی در ایده مغز پوزیترونیک وجود دارد که آیزاک آسیموف در آثار خود به روبات‌ها اعطا کرده است؟...

بر کسی پوشیده نیست که برای اکثریت، پاد ماده با چیزی بسیار خطرناک (منفجره)، با چیزی مشکوک، با چیزی که تخیل را با وعده‌های خارق‌العاده و خطرات بزرگ تحریک می‌کند مرتبط است - از این رو چنین سؤالاتی وجود دارد. ما اعتراف می کنیم: قوانین فیزیک مستقیماً همه اینها را منع نمی کنند. با این حال، اجرای این ایده‌ها آنقدر از واقعیت دور است، از فناوری‌های مدرن و فناوری‌های دهه‌های آینده، که پاسخ عمل‌گرایانه ساده است: نه، برای دنیای مدرن این درست نیست. گفتگو در مورد این موضوعات صرفاً فانتزی است، نه بر اساس دستاوردهای علمی و فنی واقعی، بلکه بر اساس برون یابی آنها بسیار فراتر از محدودیت های امکانات مدرن. اگر می خواهید به طور جدی در مورد این موضوعات صحبت کنید، به سال 2100 نزدیک شوید. در ضمن، بیایید در مورد تحقیقات علمی واقعی در مورد پادماده صحبت کنیم.

ضد ماده چیست؟

جهان ما به گونه ای تنظیم شده است که برای هر نوع ذرات - الکترون ها، پروتون ها، نوترون ها و غیره. - ضد ذرات (پوزیترون، آنتی پروتون، ضد نوترون) وجود دارد. جرم آنها یکسان است و در صورت ناپایدار بودن، نیمه عمر یکسان است، اما بارهای مخالف و اعداد برهمکنش متفاوت دارند. پوزیترون ها جرمی برابر با الکترون ها دارند، اما فقط بار مثبت دارند. آنتی پروتون ها بار منفی دارند. پادنوترون ها مانند نوترون ها از نظر الکتریکی خنثی هستند، اما دارای عدد باریون مخالف هستند و از آنتی کوارک ها تشکیل شده اند. پاد هسته را می توان از آنتی پروتون ها و آنتی نوترون ها جمع کرد. با افزودن پوزیترون ها پاد اتم ایجاد می کنیم و با انباشته شدن آن ها پادماده بدست می آوریم. این همه ضد ماده است.

و در اینجا بلافاصله چندین ظرافت عجیب وجود دارد که شایان ذکر است. اول از همه، وجود پادذرات یک پیروزی بزرگ فیزیک نظری است. این ایده غیر بدیهی و برای برخی حتی تکان دهنده از لحاظ نظری توسط پل دیراک استخراج شد و در ابتدا با خصومت تلقی شد. علاوه بر این، حتی پس از کشف پوزیترون ها، بسیاری هنوز در مورد وجود پادپروتون ها شک داشتند. اول، آنها گفتند، دیراک نظریه خود را برای توصیف الکترون ارائه کرد، و مطمئن نیست که برای پروتون کار کند. برای مثال، گشتاور مغناطیسی پروتون چندین بار با پیش‌بینی نظریه دیراک تفاوت دارد. ثانیاً، آثار آنتی پروتون ها برای مدت طولانی در پرتوهای کیهانی جستجو شد و چیزی یافت نشد. ثالثاً، آنها استدلال کردند - به معنای واقعی کلمه حرف ما را تکرار کردند - که اگر پادپروتون وجود دارد، پس باید ضد اتم، ضد ستاره و ضد کهکشان وجود داشته باشد، و ما قطعاً آنها را از انفجارهای عظیم کیهانی متوجه خواهیم شد. از آنجایی که ما این را نمی بینیم، احتمالاً به این دلیل است که ضد ماده وجود ندارد. بنابراین، کشف آزمایشی پادپروتون در سال 1955 در شتاب‌دهنده تازه راه‌اندازی شده Bevatron نتیجه‌ای نسبتاً بی‌اهمیت بود که در سال 1959 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. در سال 1956، پادنوترون نیز در همان شتاب دهنده کشف شد. داستان این جستجوها، تردیدها و دستاوردها را می توان در مقالات تاریخی متعددی یافت، به عنوان مثال، در این گزارش یا در کتاب اخیر ضد ماده اثر فرانک کلوز.

با این حال، باید به طور جداگانه گفت که یک شبهه صحیح در گزاره های صرفا نظری همیشه مفید است. به عنوان مثال، این جمله که ضد ذرات دارای جرم مشابه با ذرات هستند نیز یک نتیجه نظری است، از قضیه بسیار مهم CPT نتیجه می گیرد. بله، فیزیک مدرن جهان خرد، که بارها توسط تجربه آزمایش شده است، بر اساس این بیانیه ساخته شده است. اما با این حال، این برابری است: چه کسی می‌داند، شاید از این طریق محدودیت‌های کاربردی بودن نظریه را پیدا کنیم.

ویژگی دیگر: همه نیروهای ریزجهان به یک اندازه به ذرات و ضد ذرات مرتبط نیستند. برای برهمکنش های الکترومغناطیسی و قوی هیچ تفاوتی بین آنها وجود ندارد، برای برهمکنش های ضعیف وجود دارد. به همین دلیل، برخی جزئیات ظریف از فعل و انفعالات ذرات و پادذرات متفاوت است، برای مثال، احتمال تجزیه ذره A به مجموعه ای از ذرات B و ضد A به مجموعه ای از ضد B (برای جزئیات بیشتر). در مورد تفاوت ها، به انتخاب پاول پاخوف مراجعه کنید). این ویژگی به این دلیل به وجود می آید که فعل و انفعالات ضعیف تقارن CP دنیای ما را می شکند. اما اینکه چرا این اتفاق می افتد یکی از اسرار ذرات بنیادی است و نیاز به فراتر رفتن از آنچه شناخته شده است دارد.

و در اینجا یک نکته ظریف دیگر وجود دارد: برخی از ذرات دارای ویژگی های کمی هستند که ضد ذرات و ذرات به هیچ وجه با یکدیگر تفاوت ندارند. چنین ذرات واقعاً خنثی نامیده می شوند. این یک فوتون، بوزون هیگز، مزون های خنثی است که از کوارک ها و آنتی کوارک های هم نوع تشکیل شده است. اما وضعیت نوترینوها هنوز نامشخص است: شاید آنها واقعاً خنثی هستند (Majorana)، یا شاید هم نه. این برای نظریه ای که جرم ها و برهم کنش های نوترینوها را توصیف می کند، اهمیت زیادی دارد. پاسخ به این سوال واقعاً یک گام بزرگ به جلو خواهد بود، زیرا به مقابله با ساختار جهان ما کمک می کند. تاکنون، این آزمایش هیچ چیز واضحی در این مورد نگفته است. اما برنامه آزمایشی برای تحقیقات نوترینو به قدری قدرتمند است که آزمایش های زیادی وجود دارد که فیزیکدانان به تدریج به راه حل نزدیک می شوند.

او کجاست، این ضد ماده؟

هنگامی که یک پاد ذره با ذره خود برخورد می کند، از بین می رود: هر دو ذره ناپدید می شوند و به مجموعه ای از فوتون ها یا ذرات سبک تر تبدیل می شوند. تمام انرژی استراحت به انرژی این ریزانفجار تبدیل می شود. این کارآمدترین تبدیل جرم به انرژی حرارتی است که صدها برابر کارآمدتر از یک انفجار هسته ای است. اما ما هیچ انفجار طبیعی بزرگی را در اطراف خود نمی بینیم. پادماده در طبیعت به مقدار قابل توجهی وجود ندارد. با این حال، پادذرات منفرد ممکن است در فرآیندهای طبیعی مختلف متولد شوند.

ساده ترین راه تولید پوزیترون است. ساده ترین گزینه رادیواکتیویته، پوسیدگی برخی از هسته ها به دلیل رادیواکتیویته بتا مثبت است. به عنوان مثال، آزمایش ها اغلب از ایزوتوپ سدیم-22 با نیمه عمر دو سال و نیم به عنوان منبع پوزیترون استفاده می کنند. یکی دیگر از منابع طبیعی غیرمنتظره این است که در طی آن فلاش های تابش گاما ناشی از نابودی پوزیترون گاهی تشخیص داده می شود، به این معنی که پوزیترون ها به نوعی در آنجا متولد شده اند.

ایجاد پادپروتون و سایر پادذرات دشوارتر است: انرژی تجزیه رادیواکتیو برای این کار کافی نیست. در طبیعت، آنها تحت تأثیر پرتوهای کیهانی پرانرژی متولد می شوند: یک پروتون کیهانی، در برخورد با برخی مولکول ها در جو فوقانی، جریان های ذرات و ضد ذره را تولید می کند. با این حال، این بالا اتفاق می افتد، پادپروتون ها تقریباً به زمین نمی رسند (که کسانی که در دهه 40 به دنبال پادپروتون در پرتوهای کیهانی بودند از آن اطلاعی نداشتند) و شما نمی توانید این منبع آنتی پروتون را به آزمایشگاه بیاورید.

در تمام آزمایش‌های فیزیکی، پادپروتون‌ها «نیروی بی‌رحم» تولید می‌کنند: آنها پرتوی از پروتون‌های پرانرژی را می‌گیرند، آن را به سمت هدف هدایت می‌کنند و «توده‌های هادرون» را که در مقادیر زیاد در این برخورد متولد می‌شوند، مرتب می‌کنند. پادپروتون های مرتب شده به شکل یک پرتو خروجی می شوند و سپس برای برخورد با پروتون ها یا به انرژی های بالا شتاب داده می شوند (مثلاً برخورد دهنده آمریکایی Tevatron اینگونه کار می کرد) یا برعکس، سرعت آنها کاهش می یابد و برای اندازه گیری های دقیق تر استفاده می شود.

در سرن، که به درستی می‌تواند به سابقه طولانی تحقیقات ضد ماده خود افتخار کند، یک «شتاب‌دهنده» ویژه AD وجود دارد، «مدیرکننده ضد پروتون» که دقیقاً این کار را انجام می‌دهد. او پرتوی از آنتی پروتون ها را می گیرد، آنها را خنک می کند (یعنی سرعت آنها را کاهش می دهد)، و سپس جریان پادپروتون های آهسته را در چندین آزمایش خاص توزیع می کند. به هر حال، اگر می خواهید به وضعیت AD در زمان واقعی نگاه کنید، مانیتورهای آنلاین Cern این اجازه را می دهند.

سنتز ضد اتم ها، حتی ساده ترین آنها، اتم های ضد هیدروژن، در حال حاضر بسیار دشوار است. در طبیعت، آنها به هیچ وجه بوجود نمی آیند - شرایط مناسبی وجود ندارد. حتی در آزمایشگاه، بسیاری از مشکلات فنی باید قبل از ترکیب شدن آنتی پروتون ها با پوزیترون ها برطرف شوند. مشکل این است که آنتی پروتون ها و پوزیترون های ساطع شده از منابع هنوز خیلی داغ هستند. آنها به جای اینکه توسط یک آنتی اتم تشکیل شوند، به سادگی با یکدیگر برخورد می کنند و از هم جدا می شوند. فیزیکدانان هنوز بر این مشکلات غلبه می کنند، اما با روش های نسبتاً حیله گرانه (همانطور که در یکی از آزمایش های ASACUSA CERN انجام شد).

چه چیزی در مورد ضد هسته شناخته شده است؟

تمام دستاوردهای ضد هسته ای بشر فقط به ضد هیدروژن اشاره دارد. آنتی اتم های عناصر دیگر هنوز در آزمایشگاه سنتز نشده اند و در طبیعت مشاهده نشده اند. دلیل آن ساده است: ایجاد پاد هسته حتی از پادپروتون دشوارتر است.

تنها راهی که می دانیم چگونه ضد هسته بسازیم این است که هسته های سنگین پر انرژی را فشار دهیم و ببینیم چه اتفاقی می افتد. اگر انرژی برخورد زیاد باشد، هزاران ذره در آن متولد شده و در همه جهات از جمله پادپروتون ها و پادنوترون ها پراکنده می شوند. پادپروتون‌ها و پادنوترون‌ها که به‌طور تصادفی در یک جهت پرتاب می‌شوند، می‌توانند با یکدیگر ترکیب شوند و یک پاد هسته تشکیل دهند.

آشکارساز ALICE قادر است بین هسته ها و پاد هسته های مختلف از نظر آزاد شدن انرژی و جهت پیچش در میدان مغناطیسی تمایز قائل شود.

تصویر: سرن

روش ساده است، اما نه خیلی ناکارآمد: با افزایش تعداد نوکلئون‌ها، احتمال ذوب یک هسته به این روش به شدت کاهش می‌یابد. سبک ترین ضد هسته ها، آنتی دوترون ها، برای اولین بار دقیقاً نیم قرن پیش مشاهده شدند. آنتی هلیوم-3 در سال 1971 دیده شد. آنتی تریتون و آنتی هلیوم-4 نیز شناخته شده اند و دومی اخیراً در سال 2011 کشف شد. ضد هسته های سنگین تر هنوز مشاهده نشده اند.

دو پارامتری که برهمکنش‌های نوکلئون-نوکلئون را توصیف می‌کنند (طول پراکندگی f0 و شعاع مؤثر d0) برای جفت‌های مختلف ذرات. ستاره قرمز نتیجه یک جفت آنتی پروتون است که توسط همکاری STAR به دست آمده است.

متأسفانه شما نمی توانید با این روش ضد اتم بسازید. پاد هسته ها نه تنها به ندرت به دنیا می آیند، بلکه انرژی زیادی نیز دارند و در همه جهات به بیرون پرواز می کنند. این غیر واقعی است که سعی کنید آنها را در برخورد دهنده بگیرید تا آنها را از طریق یک کانال خاص دور کنید و آنها را خنک کنید.

با این حال، گاهی اوقات کافی است که ضد هسته ها را در حال پرواز با دقت دنبال کنید تا اطلاعات جالبی در مورد نیروهای ضد هسته ای اعمال شده بین پادنوکلئون ها به دست آورید. ساده ترین کار این است که جرم پاد هسته ها را با دقت اندازه گیری کنید، آن را با مجموع جرم پادپروتون ها و پادنوترون ها مقایسه کنید و نقص جرم را محاسبه کنید، یعنی. انرژی اتصال هسته اخیراً در برخورد دهنده بزرگ هادرونی کار می کند. انرژی اتصال برای آنتی دوترون و آنتی هلیوم-3 در خطای هسته های معمولی همزمان بود.

یک اثر ظریف دیگر توسط آزمایش STAR در برخورد دهنده یون سنگین آمریکایی RHIC مورد مطالعه قرار گرفت. او توزیع زاویه‌ای پادپروتون‌های تولید شده را اندازه‌گیری کرد و متوجه شد که وقتی دو پادپروتون در یک جهت بسیار نزدیک به بیرون پرواز می‌کنند، چگونه تغییر می‌کند. همبستگی بین آنتی پروتون ها برای اولین بار امکان اندازه گیری خواص نیروهای "ضد هسته ای" را که بین آنها عمل می کنند (طول پراکندگی و شعاع موثر برهمکنش) را ممکن ساخت. آنها با آنچه در مورد برهمکنش پروتون ها شناخته شده است، همزمان بودند.

آیا پاد ماده در فضا وجود دارد؟

وقتی پل دیراک وجود پوزیترون ها را از نظریه خود استنتاج کرد، کاملاً فرض کرد که در جایی در فضا، ضد جهان های واقعی می توانند وجود داشته باشند. اکنون می دانیم که هیچ ستاره، سیاره، کهکشان از پادماده در قسمت مرئی کیهان وجود ندارد. نکته حتی این نیست که انفجارهای نابودی قابل مشاهده نیستند. به سادگی غیرقابل تصور است که چگونه آنها حتی می توانند در یک جهان دائماً در حال تکامل شکل بگیرند و تا امروز زنده بمانند.

اما سوال «چگونه اتفاق افتاد» یکی دیگر از معمای بزرگ فیزیک مدرن است. در زبان علمی به آن مشکل باریوژنز می گویند. بر اساس تصویر کیهان‌شناختی جهان، در اولین جهان، ذرات و پادذرات به طور مساوی تقسیم می‌شدند. سپس، به دلیل نقض تقارن CP و عدد باریون، یک ماده کوچک، در سطح یک میلیاردم، مازاد بر ضد ماده باید در جهان در حال توسعه پویا ظاهر می شد. هنگامی که جهان سرد شد، همه پادذرات با ذرات از بین رفتند، تنها این ماده اضافی زنده ماند، که باعث پیدایش جهان شد که ما مشاهده می کنیم. به خاطر اوست که حداقل چیز جالبی در آن باقی می ماند، به خاطر اوست که ما عموما وجود داریم. این عدم تقارن دقیقاً چگونه به وجود آمد ناشناخته است. نظریه های زیادی وجود دارد، اما کدام یک درست است ناشناخته است. تنها واضح است که قطعاً باید نوعی فیزیک جدید باشد، نظریه ای که فراتر از مدل استاندارد، فراتر از مرزهای تأیید شده تجربی است.

سه گزینه برای اینکه پادذرات می توانند از کجا در پرتوهای کیهانی پرانرژی بیایند: 1 - آنها می توانند به سادگی در یک "شتاب دهنده کیهانی"، به عنوان مثال، در یک تپ اختر ظاهر شوند و شتاب بگیرند. 2 - آنها می توانند در هنگام برخورد پرتوهای کیهانی معمولی با اتم های محیط بین ستاره ای متولد شوند. 3- می توانند در هنگام فروپاشی ذرات سنگین ماده تاریک رخ دهند.

اگرچه هیچ سیاره و ستاره ای از پادماده وجود ندارد، اما پاد ماده هنوز در فضا وجود دارد. شار پوزیترون ها و پادپروتون های انرژی های مختلف توسط رصدخانه های پرتوهای کیهانی ماهواره ای مانند PAMELA، Fermi، AMS-02 ثبت می شود. این واقعیت که پوزیترون ها و پادپروتون ها از فضا به ما می آیند به این معنی است که آنها در جایی متولد شده اند. فرآیندهای پرانرژی که می توانند آنها را به وجود آورند در اصل شناخته شده اند: اینها همسایگی های بسیار مغناطیسی ستاره های نوترونی، انفجارهای مختلف، شتاب پرتوهای کیهانی در جبهه موج شوک در محیط بین ستاره ای و غیره هستند. سوال این است که آیا آنها می توانند تمام خواص مشاهده شده جریان پادذرات کیهانی را توضیح دهند؟ اگر معلوم شود که اینطور نیستند، این دلیلی بر این واقعیت است که برخی از آنها در هنگام فروپاشی یا نابودی ذرات ماده تاریک به وجود می آیند.

در اینجا نیز یک راز وجود دارد. در سال 2008، رصدخانه PAMELA تعداد مشکوکی از پوزیترون های پرانرژی را در مقایسه با آنچه شبیه سازی های نظری پیش بینی کرده بود، شناسایی کرد. این نتیجه اخیراً توسط نصب AMS-02 تأیید شد - یکی از ماژول های ایستگاه فضایی بین المللی و به طور کلی بزرگترین آشکارساز ذرات بنیادی که به فضا پرتاب شد (و حدس بزنید کجا؟ - درست، در CERN). این مازاد پوزیترون ذهن نظریه پردازان را برانگیخته می کند - در نهایت، ممکن است اجسام اخترفیزیکی "خسته کننده" نباشند، بلکه ذرات سنگین ماده تاریک باشند که به الکترون ها و پوزیترون ها تجزیه یا نابود می شوند. هنوز واضح نیست، اما تاسیسات AMS-02، و همچنین بسیاری از فیزیکدانان منتقد، این پدیده را با دقت مطالعه می کنند.

نسبت آنتی پروتون ها به پروتون ها در پرتوهای کیهانی با انرژی های مختلف. امتیاز - داده های تجربی، منحنی های چند رنگ - انتظارات اخترفیزیکی با خطاهای مختلف.

تصویر: کتابخانه دانشگاه کرنل

وضعیت آنتی پروتون ها نیز نامشخص است. در آوریل سال جاری، AMS-02 در یک کنفرانس علمی ویژه، نتایج اولیه یک چرخه تحقیقاتی جدید را ارائه کرد. نکته برجسته این گزارش این ادعا بود که AMS-02 آنتی پروتون های پرانرژی زیادی می بیند - و این ممکن است اشاره ای به فروپاشی ذرات ماده تاریک باشد. با این حال، سایر فیزیکدانان با چنین نتیجه گیری جدی موافق نیستند. اکنون اعتقاد بر این است که داده های ضد پروتون AMS-02، با کمی کشش، می تواند توسط منابع اخترفیزیکی معمولی نیز توضیح داده شود. به هر طریقی، همه مشتاقانه منتظر داده های پوزیترون و آنتی پروتون AMS-02 جدید هستند.

AMS-02 تاکنون میلیون ها پوزیترون و یک چهارم میلیون پادپروتون را ثبت کرده است. اما سازندگان این نصب رویای روشنی دارند - گرفتن حداقل یک ضد هسته. این یک احساس واقعی خواهد بود - کاملاً غیرقابل باور است که ضد هسته ها در جایی در فضا متولد شوند و به سمت ما پرواز کنند. تاکنون چنین موردی پیدا نشده است، اما جمع آوری داده ها ادامه دارد و چه کسی می داند طبیعت چه شگفتی هایی را برای ما آماده می کند.

ضد ماده - ضد جاذبه؟ او حتی جاذبه را چگونه احساس می کند؟

اگر فقط به فیزیک اثبات شده تجربی تکیه کنیم و وارد نظریه‌های عجیب و غریب و هنوز تایید نشده نشویم، پس گرانش باید روی پادماده مانند ماده عمل کند. هیچ ضد گرانشی برای پادماده انتظار نمی رود. اگر به خود اجازه دهیم کمی فراتر از آنچه معلوم است نگاه کنیم، گزینه‌های کاملاً نظری ممکن زمانی هستند که، علاوه بر نیروی گرانشی معمول جهانی، چیزی اضافی وجود داشته باشد که بر روی ماده و پادماده متفاوت عمل کند. مهم نیست که این احتمال چقدر توهم‌آمیز به نظر می‌رسد، نیاز به تأیید آزمایشی دارد و برای این امر لازم است آزمایش‌هایی برای آزمایش اینکه پادماده چگونه گرانش زمین را احساس می‌کند، تنظیم شود.

برای مدت طولانی انجام این کار واقعاً ممکن نبود به این دلیل ساده که برای این کار لازم است اتم های منفرد پادماده ایجاد شود، آنها را به دام انداخته و آزمایش هایی با آنها انجام شود. اکنون آنها یاد گرفته‌اند که چگونه این کار را انجام دهند، بنابراین آزمایشی که مدت‌ها منتظرش بودیم نزدیک است.

تامین کننده اصلی نتایج همان سرن با برنامه گسترده خود برای مطالعه پادماده است. برخی از این آزمایش‌ها قبلاً به‌طور غیرمستقیم تأیید کرده‌اند که گرانش پادماده درست است. به عنوان مثال، او دریافت که جرم (اینرسی) پادپروتون با جرم پروتون با دقت بسیار بالایی منطبق است. اگر گرانش بر روی پادپروتون‌ها متفاوت عمل می‌کرد، فیزیکدان‌ها متوجه تفاوت می‌شدند - هر چه باشد، مقایسه در همان تنظیمات و در شرایط یکسان انجام شد. نتیجه این آزمایش: اثر گرانش روی پادپروتون ها با اثر روی پروتون ها با دقت بهتر از یک میلیونم همزمان است.

با این حال، این اندازه گیری غیر مستقیم است. برای متقاعدسازی بیشتر، می‌خواهم یک آزمایش مستقیم انجام دهم: چند اتم پادماده را بردارید، آنها را رها کنید و ببینید چگونه در میدان گرانشی سقوط می‌کنند. چنین آزمایشاتی نیز در سرن انجام می شود یا در حال آماده سازی است. اولین تلاش خیلی چشمگیر نبود. در سال 2013، آزمایش ALPHA - که قبلاً یاد گرفته بود چگونه ابری از آنتی هیدروژن را در تله خود نگه دارد - سعی کرد تعیین کند که در صورت خاموش شدن تله، ضد اتم ها کجا می افتند. افسوس، به دلیل حساسیت کم آزمایش، نمی توان پاسخ روشنی به دست آورد: زمان بسیار کمی گذشت، ضد اتم ها در تله به جلو و عقب هجوم آوردند و فلاش های نابودی اینجا و آنجا اتفاق افتاد.

این وضعیت قول داده شده است که با دو آزمایش دیگر Cern به طور اساسی بهبود یابد: GBAR و AEGIS. هر دوی این آزمایش‌ها به روش‌های مختلفی مورد آزمایش قرار خواهند گرفت، که چگونه ابری از آنتی‌هیدروژن فوق‌سرد در میدان گرانشی سقوط می‌کند. دقت مورد انتظار آنها در اندازه گیری شتاب گرانشی پادماده حدود 1 درصد است. هر دوی این تجهیزات در حال حاضر تحت مونتاژ و اشکال زدایی هستند و تحقیقات اصلی در سال 2017 آغاز می شود، زمانی که تعدیل کننده آنتی پروتون AD با یک حلقه ذخیره سازی جدید ELENA تکمیل می شود.

انواع رفتار پوزیترون در ماده جامد

تصویر: nature.com

اگر پوزیترون به ماده برخورد کند چه اتفاقی می افتد؟

تشکیل پوزیترونیوم مولکولی روی سطح کوارتز.

تصویر: کلیفورد ام. سورکو / فیزیک اتمی: سوپ ضد ماده

اگر تا اینجا خوانده باشید، از قبل به خوبی می دانید که به محض ورود یک ذره پادماده به ماده معمولی، نابودی اتفاق می افتد: ذرات و پادذرات ناپدید می شوند و به تشعشع تبدیل می شوند. اما چقدر سریع اتفاق می افتد؟ بیایید پوزیترونی را تصور کنیم که از خلاء آمده و وارد جامد شده است. آیا در تماس با اتم اول از بین می رود؟ لازم نیست! نابودی یک الکترون و یک پوزیترون یک فرآیند آنی نیست. در مقیاس اتمی به زمان طولانی نیاز دارد. بنابراین، پوزیترون زمان دارد تا در ماده یک زندگی روشن و پر از رویدادهای غیر پیش پا افتاده داشته باشد.

اول، یک پوزیترون می تواند یک الکترون یتیم را بگیرد و یک حالت محدود ایجاد کند - پوزیترونیوم (Ps). با جهت گیری صحیح اسپین، پوزیترونیوم می تواند ده ها نانوثانیه قبل از نابودی زنده بماند. با قرار گرفتن در یک ماده پیوسته، در این مدت میلیون ها بار زمان خواهد داشت که با اتم ها برخورد کند، زیرا سرعت حرارتی پوزیترونیوم در دمای اتاق حدود 25 کیلومتر در ثانیه است.

ثانیاً ، هنگام حرکت در یک ماده ، پوزیترونیوم می تواند به سطح بیاید و در آنجا بچسبد - این یک آنالوگ پوزیترون (یا بهتر بگوییم پوزیترونیوم) از جذب اتم ها است. در دمای اتاق، او در یک مکان نمی نشیند، بلکه فعالانه روی سطح حرکت می کند. و اگر این یک سطح بیرونی نباشد، بلکه منفذی به اندازه نانومتر باشد، پوزیترونیوم برای مدت طولانی در آن به دام می‌افتد.

علاوه بر این. در مواد استاندارد برای چنین آزمایش‌هایی، کوارتز متخلخل، منافذ جدا نشده‌اند، بلکه توسط نانوکانال‌ها در یک شبکه مشترک متحد می‌شوند. پوزیترونیوم گرم که روی سطح می خزد، فرصتی برای بررسی صدها منافذ خواهد داشت. و از آنجایی که در چنین آزمایش‌هایی مقدار زیادی پوزیترونیوم تشکیل می‌شود و تقریباً همه آنها به داخل منافذ می‌خزند، دیر یا زود به یکدیگر برخورد می‌کنند و در تعامل، گاهی اوقات مولکول‌های واقعی را تشکیل می‌دهند - پوزیترونیوم مولکولی، Ps 2. علاوه بر این، از قبل می توان بررسی کرد که گاز پوزیترونیوم چگونه رفتار می کند، پوزیترونیوم چه حالت های برانگیخته ای دارد و غیره. و گمان نکنید که این استدلال صرفاً نظری است; تمام اثرات ذکر شده قبلاً به صورت تجربی تأیید و مطالعه شده اند.

آیا ضد ماده کاربرد عملی دارد؟

البته. به طور کلی، هر فرآیند فیزیکی، اگر جنبه جدیدی از دنیای ما را به روی ما باز کند و نیازی به هزینه اضافی نداشته باشد، قطعاً کاربردهای عملی پیدا خواهد کرد. علاوه بر این، چنین برنامه هایی که اگر از قبل جنبه علمی این پدیده را کشف و مطالعه نکرده بودیم، خودمان حدس نمی زدیم.

شناخته شده ترین کاربرد ضد ذرات PET، توموگرافی گسیل پوزیترون است. به طور کلی، فیزیک هسته‌ای سابقه قابل توجهی در کاربردهای پزشکی دارد و پادذرات نیز در اینجا بیکار نمانده‌اند. در PET دوز کمی از دارو حاوی ایزوتوپ ناپایدار با عمر کوتاه (دقیقه و ساعت) و پوسیدگی به دلیل پوسیدگی بتا مثبت به بدن بیمار تزریق می شود. این دارو در بافت‌های سمت راست تجمع می‌یابد، هسته‌ها تجزیه می‌شوند و پوزیترون‌ها ساطع می‌کنند که در مجاورت نابود می‌شوند و دو کوانتا گاما با یک انرژی مشخص تولید می‌کنند. آشکارساز آنها را ثبت می کند، جهت و زمان ورود آنها را تعیین می کند و مکانی که پوسیدگی رخ داده است را بازیابی می کند. به این ترتیب می توان یک نقشه سه بعدی از توزیع ماده با وضوح مکانی بالا و با حداقل دز تابش ساخت.

از پوزیترون ها می توان در علم مواد نیز استفاده کرد، به عنوان مثال، برای اندازه گیری تخلخل یک ماده. اگر ماده پیوسته باشد، پوزیترون‌هایی که در عمق کافی در ماده گیر کرده‌اند، به سرعت از بین می‌روند و کوانتوم‌های گاما ساطع می‌کنند. اگر نانو منافذ در داخل ماده وجود داشته باشد، نابودی به تاخیر می افتد زیرا پوزیترونیوم به سطح منافذ می چسبد. با اندازه گیری این تاخیر می توان به درجه نانوتخلخل یک ماده به روش غیر تماسی و غیر مخرب پی برد. به عنوان نمونه ای از این تکنیک، کار اخیری در مورد چگونگی ظاهر شدن و سفت شدن نانوحفره ها در نازک ترین لایه یخ در هنگام رسوب بخار روی سطح وجود دارد. رویکرد مشابهی نیز در مطالعه عیوب ساختاری در کریستال های نیمه هادی مانند جاهای خالی و نابجایی کار می کند و اندازه گیری خستگی ساختاری یک ماده را ممکن می سازد.

کاربردهای پزشکی نیز ممکن است برای آنتی پروتون ها یافت شود. اکنون در همان CERN، آزمایش ACE در حال انجام است که تأثیر پرتو آنتی پروتون را بر روی سلول های زنده مطالعه می کند. هدف آن مطالعه چشم انداز استفاده از آنتی پروتون ها برای درمان تومورهای سرطانی است.

آزاد شدن انرژی یک پرتو یونی و اشعه ایکس هنگام عبور از یک ماده.

تصویر: یوهانس گوتلبر/سرن

این ایده می تواند خواننده را از روی عادت وحشت زده کند: چگونه با یک پرتو ضد پروتون - و برای یک فرد زنده ؟! بله، و بسیار ایمن تر از اشعه ایکس یک تومور عمیق است! یک پرتو آنتی پروتون از انرژی ویژه انتخاب شده به ابزاری مؤثر در دستان جراح تبدیل می شود که با کمک آن می توان تومورها را در عمق بدن سوزاند و تأثیر آن بر بافت های اطراف را به حداقل رساند. برخلاف اشعه ایکس که هر چیزی را که زیر پرتو قرار می گیرد می سوزاند، ذرات باردار سنگین در مسیر خود از ماده، بخش عمده ای از انرژی را در آخرین سانتی متر قبل از توقف آزاد می کنند. با تنظیم انرژی ذرات، می توان عمق توقف ذرات را تغییر داد. در این ناحیه به اندازه میلی متر است که اثر تشعشع اصلی می افتد.

چنین رادیوتراپی با پرتو پروتون مدت‌هاست که در بسیاری از کلینیک‌های مجهز در سراسر جهان استفاده می‌شود. اخیراً برخی از آنها به یون درمانی روی آورده اند که از پرتوی نه پروتون، بلکه از یون های کربن استفاده می کند. برای آنها، نمایه آزادسازی انرژی حتی متضادتر است، به این معنی که اثربخشی جفت «اثر درمانی در مقابل عوارض جانبی» افزایش می‌یابد. اما از مدت ها قبل پیشنهاد شده است که برای این منظور نیز آنتی پروتون ها را امتحان کنند. از این گذشته، هنگامی که آنها وارد ماده می شوند، نه تنها انرژی جنبشی خود را رها می کنند، بلکه پس از توقف نیز نابود می شوند - و این باعث افزایش چند برابری آزاد شدن انرژی می شود. محل انباشته شدن این انرژی اضافی یک مسئله پیچیده است و قبل از شروع آزمایشات بالینی باید به دقت مورد مطالعه قرار گیرد.

این دقیقاً همان کاری است که آزمایش ACE انجام می دهد. در طی آن، محققان پرتوی از آنتی پروتون ها را با کشت باکتریایی از داخل یک کووت عبور می دهند و بقای آنها را بسته به مکان، پارامترهای پرتو و ویژگی های فیزیکی محیط اندازه گیری می کنند. این مجموعه روشمند و شاید خسته کننده از داده های فنی نقطه شروع مهمی برای هر فناوری جدید است.

ایگور ایوانف

بوم شناسی شناخت: ضد ماده از دیرباز موضوع داستان های علمی تخیلی بوده است. در کتاب و فیلم فرشتگان و شیاطین، پروفسور لنگدون تلاش می کند واتیکان را از یک بمب ضد ماده نجات دهد. فضاپیمای Star Trek Enterprise از موتوری بر اساس

ضد ماده از دیرباز موضوع داستان های علمی تخیلی بوده است. در کتاب و فیلم فرشتگان و شیاطین، پروفسور لنگدون تلاش می کند واتیکان را از یک بمب ضد ماده نجات دهد. فضاپیمای Star Trek Enterprise از یک موتور ضد ماده نابودکننده برای حرکت سریعتر از سرعت نور استفاده می کند. اما ضد ماده نیز موضوع واقعیت ماست. ذرات پادماده تقریباً با همتایان مادی خود یکسان هستند، با این تفاوت که بار مخالف دارند و می چرخند. وقتی پادماده با ماده برخورد می کند، فوراً به انرژی تبدیل می شود و این دیگر خیال نیست.

اگرچه بمب‌های ضد ماده و کشتی‌های مبتنی بر سوخت یکسان در عمل هنوز امکان‌پذیر به نظر نمی‌رسند، اما حقایق زیادی در مورد ضد ماده وجود دارد که شما را شگفت‌زده می‌کند یا به شما اجازه می‌دهد چیزهایی را که قبلاً می‌دانستید بررسی کنید.

1 ضد ماده باید پس از انفجار بزرگ همه مواد جهان را از بین می برد

بر اساس این نظریه، انفجار بزرگ ماده و پادماده را به مقدار مساوی ایجاد کرد. هنگامی که آنها ملاقات می کنند، نابودی متقابل، نابودی وجود دارد و فقط انرژی خالص باقی می ماند. بر این اساس ما نباید وجود داشته باشیم.

اما ما وجود داریم. و تا آنجا که فیزیکدانان می دانند، این به این دلیل است که به ازای هر میلیارد جفت ماده-پادماده یک ذره اضافی ماده وجود داشت. فیزیکدانان تمام تلاش خود را می کنند تا این عدم تقارن را توضیح دهند.

2 ضد ماده از آنچه فکر می کنید به شما نزدیکتر است

مقادیر کمی از پادماده به شکل پرتوهای کیهانی، ذرات پرانرژی از فضا، دائماً بر روی زمین می بارد. این ذرات ضد ماده در سطوحی از یک تا بیش از صد در هر متر مربع به جو ما می رسند. دانشمندان همچنین شواهدی در دست دارند که نشان می دهد پاد ماده در طوفان های تندری تولید می شود.

منابع دیگری از ضد ماده وجود دارند که به ما نزدیکتر هستند. به عنوان مثال، موز با انتشار یک پوزیترون - معادل پادماده یک الکترون - تقریباً هر 75 دقیقه یک بار پادماده تولید می کند. این به این دلیل است که موز حاوی مقادیر کمی پتاسیم 40 است که یک ایزوتوپ طبیعی پتاسیم است. تجزیه پتاسیم 40 گاهی اوقات پوزیترون تولید می کند.

بدن ما همچنین حاوی پتاسیم 40 است، به این معنی که شما نیز پوزیترون منتشر می کنید. پادماده در تماس با ماده فوراً از بین می رود، بنابراین این ذرات پادماده زیاد عمر نمی کنند.

3 انسان ها پادماده بسیار کمی ساخته اند

نابودی پادماده و ماده پتانسیل انتشار مقادیر زیادی انرژی را دارد. یک گرم پادماده می تواند انفجاری به اندازه یک بمب هسته ای ایجاد کند. با این حال، مردم پاد ماده زیادی تولید نکرده اند، بنابراین چیزی برای ترسیدن وجود ندارد.

تمام پادپروتون های ایجاد شده در شتاب دهنده ذرات Tevatron آزمایشگاه فرمی به سختی 15 نانوگرم هستند. در سرن تا به امروز تنها حدود 1 نانوگرم تولید شده است. در DESY در آلمان - حداکثر 2 نانوگرم پوزیترون.

اگر تمام پادماده ایجاد شده توسط مردم فوراً از بین برود، انرژی آن حتی برای جوشاندن یک فنجان چای نیز کافی نخواهد بود.

مشکل در کارایی و هزینه تولید و ذخیره پادماده است. ایجاد 1 گرم پادماده به حدود 25 میلیون کیلووات ساعت انرژی نیاز دارد و بیش از یک میلیون میلیارد دلار هزینه دارد. جای تعجب نیست که گاهی اوقات ضد ماده در فهرست ده ماده گران قیمت در جهان ما قرار می گیرد.

4. چیزی به نام تله ضد ماده وجود دارد.

برای مطالعه پادماده باید از نابودی آن با ماده جلوگیری کرد. دانشمندان راه های مختلفی برای این کار پیدا کرده اند.

ذرات باردار پادماده مانند پوزیترون ها و پادپروتون ها را می توان در تله های به اصطلاح پنینگ ذخیره کرد. آنها مانند شتاب دهنده های ذرات ریز هستند. در داخل آنها، ذرات به صورت مارپیچی حرکت می کنند در حالی که میدان های مغناطیسی و الکتریکی از برخورد آنها با دیواره های تله جلوگیری می کند.

با این حال، تله های پنینگ برای ذرات خنثی مانند آنتی هیدروژن کار نمی کنند. از آنجایی که آنها بار ندارند، این ذرات نمی توانند توسط میدان های الکتریکی محدود شوند. آنها در تله های Ioffe نگهداری می شوند که با ایجاد منطقه ای از فضا کار می کنند که در آن میدان مغناطیسی در همه جهات قوی تر می شود. ذرات ضد ماده در ناحیه ای با ضعیف ترین میدان مغناطیسی گیر می کنند.

میدان مغناطیسی زمین می تواند به عنوان تله ضد ماده عمل کند. آنتی پروتون ها در مناطق خاصی در اطراف زمین یافت شده اند - کمربندهای تشعشعی ون آلن.

5. ضد ماده می تواند سقوط کند (به معنای واقعی کلمه)

ذرات ماده و پادماده جرم یکسانی دارند اما از نظر خواصی مانند بار الکتریکی و اسپین متفاوت هستند. مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند که گرانش باید تأثیر یکسانی روی ماده و پادماده داشته باشد، اما این باید به طور قطعی دیده شود. آزمایش‌هایی مانند AEGIS، ALPHA و GBAR روی این موضوع کار می‌کنند.

مشاهده اثر گرانشی در پادماده به آسانی تماشای سقوط سیب از درخت نیست. این آزمایش ها مستلزم نگه داشتن پادماده به دام افتاده یا کاهش سرعت آن با سرد کردن آن تا دمای بالای صفر مطلق است. و از آنجایی که گرانش ضعیف‌ترین نیروی اساسی است، فیزیکدانان باید از ذرات ضد ماده خنثی در این آزمایش‌ها استفاده کنند تا از تعامل با نیروی قوی‌تر الکتریسیته جلوگیری کنند.

6. ضد ماده در تعدیل کننده های ذرات در حال مطالعه است

آیا در مورد شتاب دهنده های ذرات شنیده اید، اما آیا در مورد تعدیل کننده های ذرات چیزی شنیده اید؟ سرن ماشینی به نام کاهش دهنده آنتی پروتون دارد که در آن آنتی پروتون ها به دام می افتند و برای بررسی خواص و رفتار آن ها کند می شوند.

در حلقه‌های شتاب‌دهنده ذرات مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی، ذرات هر بار که یک دایره را کامل می‌کنند، یک تقویت انرژی دریافت می‌کنند. تعدیل کننده ها برعکس عمل می کنند: به جای اینکه ذرات را پراکنده کنند، در جهت مخالف رانده می شوند.

7 نوترینو می توانند پادذرات خودشان باشند

یک ذره از ماده و شریک ضد مادی آن بارهای مخالفی دارند که تشخیص آنها را آسان می کند. نوترینوها، ذرات تقریباً بدون جرمی که به ندرت با ماده برهم کنش دارند، بار ندارند. دانشمندان بر این باورند که آنها ممکن است ذرات Majorana باشند، یک دسته فرضی از ذرات که ضد ذرات خودشان هستند.

پروژه هایی مانند Majorana Demonstrator و EXO-200 با مشاهده رفتار واپاشی مضاعف بتای بدون نوترینو تعیین می کنند که آیا نوترینوها واقعاً ذرات Majorana هستند یا خیر.

برخی از هسته های رادیواکتیو به طور همزمان تجزیه می شوند و دو الکترون و دو نوترینو ساطع می کنند. اگر نوترینوها پادذرات خودشان بودند، پس از یک فروپاشی دوتایی از بین می‌رفتند و دانشمندان فقط الکترون‌هایی برای مشاهده باقی می‌ماندند.

جستجوی نوترینوهای مایورانا می تواند به توضیح دلیل عدم تقارن ماده و پادماده کمک کند. فیزیکدانان پیشنهاد می کنند که نوترینوهای مایورانا می توانند سنگین یا سبک باشند. ریه ها در زمان ما وجود دارند و ریه های سنگین بلافاصله پس از انفجار بزرگ وجود داشته اند. نوترینوهای سنگین مایورانا به طور نامتقارن تجزیه شدند و در نتیجه مقدار کمی ماده در جهان ما پر شد.

8 ضد ماده در پزشکی استفاده می شود

PET، PET (توپوگرافی انتشار پوزیترون) از پوزیترون برای تولید تصاویر با وضوح بالا از بدن استفاده می کند. ایزوتوپ های رادیواکتیو ساطع کننده پوزیترون (مانند آنهایی که در موز یافتیم) به مواد شیمیایی مانند گلوکز موجود در بدن متصل می شوند. آنها به جریان خون تزریق می شوند، جایی که به طور طبیعی تجزیه می شوند و پوزیترون منتشر می کنند. آنها به نوبه خود با الکترون های بدن ملاقات می کنند و از بین می روند. نابودی اشعه گاما تولید می کند که برای ساختن تصویر استفاده می شود.

دانشمندان پروژه ACE CERN در حال مطالعه ضد ماده به عنوان یک کاندید بالقوه برای درمان سرطان هستند. پزشکان قبلاً متوجه شده اند که می توانند پرتوهای ذرات را به سمت تومورهایی هدایت کنند که انرژی خود را تنها پس از عبور ایمن از بافت سالم منتشر می کنند. استفاده از آنتی پروتون ها باعث افزایش انرژی اضافی می شود. این روش در درمان همستر موثر بوده است، اما هنوز روی انسان آزمایش نشده است.

9 ضد ماده ممکن است در کمین باشد

یکی از راه هایی که دانشمندان در تلاش برای حل مشکل عدم تقارن ماده و پادماده هستند، جستجوی پادماده به جا مانده از انفجار بزرگ است.

طیف سنج مغناطیسی آلفا (AMS) یک آشکارساز ذرات است که در ایستگاه فضایی بین المللی قرار دارد و به دنبال چنین ذرات است. AMS حاوی میدان های مغناطیسی است که مسیر ذرات کیهانی را خم می کند و ماده را از پادماده جدا می کند. آشکارسازهای آن باید چنین ذرات را در حین عبور شناسایی و شناسایی کنند.

برخورد پرتوهای کیهانی معمولاً پوزیترون و آنتی پروتون تولید می کند، اما احتمال ایجاد اتم پاد هلیوم به دلیل انرژی عظیم مورد نیاز برای این فرآیند بسیار کم است. این بدان معناست که مشاهده تنها یک هسته پاد هلیوم شواهدی قوی برای وجود مقدار عظیمی از پادماده در جای دیگری در جهان است.

10 نفر در واقع یاد می گیرند چگونه فضاپیما را با سوخت پادماده نیرو دهند

فقط کمی پادماده می تواند مقادیر زیادی انرژی تولید کند و آن را به سوخت محبوبی برای کشتی های علمی تخیلی آینده نگر تبدیل کند.

پیشران موشک روی پاد ماده به طور فرضی امکان پذیر است. محدودیت اصلی جمع آوری پاد ماده کافی برای تحقق این امر است.

تاکنون هیچ فناوری برای تولید انبوه یا جمع آوری پادماده در حجم مورد نیاز برای چنین کاربردهایی وجود ندارد. با این حال، دانشمندان در حال کار بر روی تقلید از چنین حرکتی و ذخیره‌سازی همین پادماده هستند. یک روز، اگر راهی برای تولید مقادیر زیادی پادماده پیدا کنیم، تحقیقات آنها می تواند به تحقق سفر بین ستاره ای کمک کند.منتشر شده

در دسترس بودن عمومی اطلاعات از هر نوع، فراوانی فیلم های علمی تخیلی، موضوعاتی که موضوعات آنها به مشکلات علمی یا شبه علمی مربوط می شود، محبوبیت رمان های هیجان انگیز - همه اینها منجر به شکل گیری تعداد قابل توجهی از افسانه ها در مورد ما شده است. جهان به عنوان مثال، به لطف تئوری های متعددی که با گزینه هایی برای پایان جهان بازی می کنند، مفهوم "ضد ماده" به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. در آثار هنری و نظریه‌های آخرالزمانی، پادماده به عنوان یک جوهر معین در نظر گرفته می‌شود که دارای خواصی بر خلاف ماده، ماده است. نوعی سیاه‌چاله که هر چیزی را که در منطقه جاذبه خود قرار می‌گیرد جذب و نابود می‌کند. ضد ماده چیست، در واقع، شما باید نه از نویسندگان، کارگردانان و کسانی که در انتظار فروپاشی عمومی هستند، بلکه از دانشمندان بپرسید.

پادذرات و پادماده بخش مشترکی از کیهان هستند

دانشمندان به شما خواهند گفت که هیچ چیز وحشتناک و فاجعه باری در ضد ماده وجود ندارد. لااقل به دلیل غیرممکن بودن مقابله با ماده و ضد ماده - آنچه معمولاً ضد ماده نامیده می شود در واقع نوعی جوهر است، یعنی ماده. طبق طبقه بندی علمی، ذرات ماده را معمولاً ساختارهای مادی می نامند که از اتم هایی تشکیل شده است که توسط ذرات بنیادی احاطه شده اند. بخش اصلی اتم هسته است که بار مثبت دارد و ذرات بنیادی اطراف آن بار منفی دارند. اینها همان الکترون هایی هستند که ما هر روز در زندگی روزمره از نام آنها برای اشاره به لوازم الکترونیکی و الکتریکی استفاده می کنیم.

پادماده از پادذرات تشکیل شده است، یعنی آن ساختارهای مادی که هسته آنها دارای بار منفی و ذرات اطراف آنها دارای بار مثبت هستند.

ذرات بنیادی مثبت تنها در سال 1932 توسط دانشمندان کشف شد و پوزیترون نامگذاری شد. همچنین هیچ درام مهلکی در تعامل ذرات و پادذرات، ماده و پادماده وجود ندارد. نابودی رخ می دهد - فرآیند تبدیل ماده و پادماده که وارد واکنش به ذرات اساساً جدیدی شده اند که در ابتدا وجود نداشته اند و دارای خواص متفاوت با ذرات اصلی و "مادر" هستند. درست است، "عوارض جانبی" می تواند بسیار خطرناک باشد: نابودی با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی همراه است. تخمین زده می شود که واکنش 1 کیلوگرم ماده با 1 کیلوگرم پادماده، انرژی معادل حدود 43 مگاتن TNT منفجر شده را آزاد می کند. قوی ترین بمب هسته ای منفجر شده روی زمین دارای پتانسیل حدود 58 مگاتن TNT بود.

چگونگی بدست آوردن پادماده یک سوال برای علم نیست

واقعیت ضد ماده یک واقعیت ثابت شده است. مفروضات نظری دانشمندان به طور هماهنگ با تصویر کلی علمی جهان ترکیب شد و سپس پادذرات نیز به صورت تجربی کشف شدند. تقریباً پنجاه سال است که در واکنش متقابل بین ذرات و پادذرات، ضد ذرات به طور مصنوعی تولید می‌شوند. در سال 1965، ضد دوترون سنتز شد و 30 سال بعد، ضد هیدروژن به دست آمد (تفاوت آن با هیدروژن "کلاسیک" این است که اتم پاد ماده از یک پوزیترون و یک پاد پروتون تشکیل شده است). دانشمندان فراتر رفتند و در سال های 2010-2011 موفق شدند اتم های پادماده را در آزمایشگاه "گرفتن" کنند. بگذارید فقط حدود 40 اتم در "تله" وجود داشته باشد و 172 میلی ثانیه توانست آنها را نگه دارد.

با توجه به پتانسیل عظیم انرژی حاصل از برهم کنش ذرات و پادذرات، چشم اندازهای عملی برای مطالعه پادذرات آشکار است.

استفاده از پادماده و راه اندازی این فرآیند در حالت کنترل شده در واقع مشکل کسب انرژی را یک بار برای همیشه برطرف می کند.

مشکل، مثل همیشه، در پول است: محاسبات نشان می دهد که امروزه تولید تنها یک گرم پادماده حدود 60 تریلیون دلار هزینه دارد. بنابراین منابع انرژی سنتی هنوز مرتبط هستند - و تحقیقات باید ادامه یابد. علاوه بر این، در آستانه قرن XX-XXI، ستاره شناسان و اخترفیزیکدانان منابع ضد ماده را در جهان کشف کردند. به طور خاص، داده‌ها در مورد جریان واقعی ذرات با بار مثبت (پوزیترون) در حال حرکت در فضای بیرونی به دست آمد. چندین نظریه که کم و بیش با تحقیقات عملی اثبات شده اند ظاهر شده اند که مکانیسم های تشکیل پادذرات را در شرایط طبیعی توضیح می دهند.

یک توضیح بسیار محبوب این است که ضد ذرات در یک میدان گرانشی قوی در سیاهچاله ها تشکیل می شوند. این میدان گرانشی با ماده "معمولی" در تعامل است، در نتیجه فرآیند "پردازش" ماده، پوزیترون به دست می آید - ذراتی که تحت تأثیر گرانش، بار خود را از منفی به مثبت تغییر دادند. مفهوم دیگر به عناصر رادیواکتیو طبیعی اشاره دارد که شناخته شده ترین آنها ابرنواخترها هستند. فرض بر این است که این راکتورهای هسته ای طبیعی دقیقاً پادذرات را به عنوان یک محصول جانبی "تولید" می کنند. نسخه های دیگری نیز وجود دارد: به عنوان مثال، فرآیند ادغام دو ستاره ممکن است با تشکیل ذرات با بار تغییر یافته همراه باشد، یا برعکس، چنین تأثیری ممکن است باعث مرگ ستاره ها شود.

کجا می توان پادماده را پیدا کرد - یک پازل برای محققان

بنابراین، وجود پادماده غیرقابل انکار است. اما همانطور که معمولاً در بررسی اسرار کیهان اتفاق می افتد، یک مشکل اساسی به وجود آمده است که علم هنوز در این مرحله از توسعه خود نتوانسته آن را حل کند. با توجه به اصل تقارن ساختار جهان ، جهان ما باید تقریباً دارای همان مقدار ماده باشد که پادماده، به تعداد اتم هایی که دارای هسته مثبت و ذرات مثبت هستند، از یک هسته مثبت و ذرات باردار منفی تشکیل شده است. اما در عمل، هیچ اثری از انباشتگی در مقیاس بزرگ پادماده (نظریه پردازان حتی نامی برای چنین خوشه هایی - "ضد جهان") در حال حاضر یافت نشد.

در مشاهدات نجومی، پادماده فقط به دلیل تابش گامای ساطع شده کاملاً ثابت است. با این حال، خوش بینان امید خود را از دست نمی دهند - و دلیل خوبی هم دارند.

اولاً، زمین می تواند در آن بخش "واقعی" کیهان قرار گیرد که حداکثر از نیمه "ضد ماده" حذف شده است. بنابراین، کل موضوع دستگاه های مشاهده ناکافی قدرتمند و کامل است. ثانیاً اجسام متشکل از ماده و پادماده با توجه به تابش الکترومغناطیسی آنها قابل تشخیص نیستند، بنابراین روش نوری مشاهده در اینجا بی فایده است. ثالثاً، نظریه های سازش رد نمی شوند - به عنوان مثال، این که جهان ساختار سلولی دارد، که در آن هر سلول از نیمی از ماده، نیمی از ضد ماده تشکیل شده است.

الکساندر بابیتسکی