Sintesis antimateri. Justru sebaliknya
ANTIMATTER, suatu zat yang terdiri dari atom-atom yang intinya bermuatan listrik negatif dan dikelilingi oleh positron - elektron dengan muatan listrik positif. Dalam materi biasa, yang menjadi dasar dunia di sekitar kita, inti bermuatan positif dikelilingi oleh elektron bermuatan negatif. Untuk membedakannya dari antimateri, materi biasa kadang-kadang disebut coinematter (dari bahasa Yunani. koino- biasa). Namun, istilah ini praktis tidak digunakan dalam literatur Rusia. Perlu ditekankan bahwa istilah “antimateri” tidak sepenuhnya benar, karena antimateri juga merupakan materi, salah satu jenisnya. Antimateri memiliki sifat inersia yang sama dan menciptakan gaya tarik gravitasi yang sama seperti materi biasa.
Ketika berbicara tentang materi dan antimateri, masuk akal untuk memulai dengan partikel elementer (subatom). Setiap partikel elementer memiliki antipartikel; keduanya mempunyai sifat yang hampir sama, hanya saja muatan listriknya berlawanan. (Jika partikelnya netral, maka antipartikelnya juga netral, tetapi karakteristiknya dapat berbeda. Dalam beberapa kasus, partikel dan antipartikelnya identik satu sama lain.) Jadi, elektron, partikel bermuatan negatif, bersesuaian dengan a positron, dan antipartikel proton yang bermuatan positif adalah antiproton yang bermuatan negatif. Positron ditemukan pada tahun 1932, dan antiproton pada tahun 1955; ini adalah antipartikel pertama yang ditemukan. Keberadaan antipartikel diprediksi pada tahun 1928 berdasarkan mekanika kuantum oleh fisikawan Inggris P. Dirac.
Ketika sebuah elektron dan positron bertabrakan, mereka musnah, mis. kedua partikel menghilang, dan dua sinar gamma dipancarkan dari titik tumbukannya. Jika partikel yang bertabrakan bergerak dengan kecepatan rendah, maka energi setiap kuantum gamma adalah 0,51 MeV. Energi ini adalah "energi diam" elektron, atau massa diamnya, yang dinyatakan dalam satuan energi. Jika partikel yang bertabrakan bergerak dengan kecepatan tinggi, maka energi sinar gamma akan lebih besar karena energi kinetiknya. Pemusnahan juga terjadi ketika proton bertabrakan dengan antiproton, namun prosesnya jauh lebih rumit. Sejumlah partikel berumur pendek dilahirkan sebagai produk antara interaksi; namun, setelah beberapa mikrodetik, neutrino, sinar gamma, dan sejumlah kecil pasangan elektron-positron tetap menjadi produk akhir transformasi. Pasangan ini pada akhirnya dapat musnah, menciptakan sinar gamma tambahan. Pemusnahan juga terjadi ketika antineutron bertabrakan dengan neutron atau proton.
Sejak antipartikel ada, timbul pertanyaan apakah antinuklei dapat dibentuk dari antipartikel. Inti atom materi biasa terdiri dari proton dan neutron. Inti yang paling sederhana adalah inti dari isotop hidrogen biasa 1 H; itu mewakili satu proton. Inti deuterium 2H terdiri dari satu proton dan satu neutron; itu disebut deuteron. Contoh lain dari inti sederhana adalah inti 3 He, yang terdiri dari dua proton dan satu neutron. Antideuteron, yang terdiri dari antiproton dan antineutron, diperoleh di laboratorium pada tahun 1966; Inti anti-3He, yang terdiri dari dua antiproton dan satu antineutron, pertama kali diperoleh pada tahun 1970.
Menurut fisika partikel modern, dengan sarana teknis yang sesuai, antinuklei dari semua inti biasa dapat diperoleh. Jika antinuklei ini dikelilingi oleh jumlah positron yang tepat, maka antiatom akan terbentuk. Antiatom memiliki sifat yang hampir sama persis dengan atom biasa; mereka akan membentuk molekul, yang darinya padatan, cairan dan gas, termasuk zat organik, dapat terbentuk. Misalnya, dua antiproton dan satu inti antioksigen, bersama dengan delapan positron, dapat membentuk molekul antiair yang mirip dengan air biasa H 2 O, yang masing-masing molekulnya terdiri dari dua proton inti hidrogen, satu inti oksigen, dan delapan elektron. Teori partikel modern mampu memprediksi bahwa antiair akan membeku pada suhu 0°C, mendidih pada suhu 100°C, dan berperilaku seperti air biasa. Melanjutkan alasan tersebut, kita dapat sampai pada kesimpulan bahwa anti-dunia yang dibangun dari antimateri akan sangat mirip dengan dunia biasa di sekitar kita. Kesimpulan ini menjadi titik awal bagi teori alam semesta simetris, berdasarkan asumsi bahwa alam semesta mengandung materi biasa dan antimateri dalam jumlah yang sama. Kita hidup di bagian yang terdiri dari materi biasa.
Jika dua bagian zat identik yang berbeda jenis dikontakkan, maka akan terjadi pemusnahan elektron dengan positron dan inti dengan antinuklei. Dalam hal ini, gamma quanta akan muncul, dari penampilannya seseorang dapat menilai apa yang sedang terjadi. Karena Bumi, menurut definisi, terdiri dari materi biasa, tidak terdapat antimateri dalam jumlah yang cukup besar di dalamnya, kecuali sejumlah kecil antipartikel yang dihasilkan dalam akselerator besar dan sinar kosmik. Hal yang sama berlaku untuk seluruh tata surya.
Pengamatan menunjukkan bahwa hanya sejumlah kecil radiasi gamma yang dihasilkan di Galaksi kita. Dari sini, sejumlah peneliti menyimpulkan bahwa tidak ada jumlah antimateri yang nyata di dalamnya. Namun kesimpulan ini tidak terbantahkan. Saat ini tidak ada cara untuk menentukan, misalnya, apakah bintang terdekat terdiri dari materi atau antimateri; bintang antimateri memancarkan spektrum yang persis sama dengan bintang normal. Lebih lanjut, sangat mungkin bahwa materi yang dijernihkan yang mengisi ruang di sekitar bintang dan identik dengan materi bintang itu sendiri terpisah dari area yang berisi materi dari jenis yang berlawanan - “lapisan Leidenfrost” bersuhu tinggi yang sangat tipis. Dengan demikian, kita dapat berbicara tentang struktur “seluler” ruang antarbintang dan antargalaksi, di mana setiap sel mengandung materi atau antimateri. Hipotesis ini didukung oleh penelitian modern yang menunjukkan bahwa magnetosfer dan heliosfer (ruang antarplanet) memiliki struktur seluler. Sel dengan magnetisasi berbeda dan terkadang juga suhu dan kepadatan berbeda dipisahkan oleh cangkang arus yang sangat tipis. Hal ini mengarah pada kesimpulan yang paradoks bahwa pengamatan ini tidak bertentangan dengan keberadaan antimateri bahkan di dalam Galaksi kita.
Jika sebelumnya tidak ada argumen meyakinkan yang mendukung keberadaan antimateri, kini keberhasilan astronomi sinar-X dan sinar gamma telah mengubah keadaan. Fenomena yang terkait dengan pelepasan energi yang sangat besar dan seringkali sangat tidak teratur telah diamati. Kemungkinan besar, sumber pelepasan energi tersebut adalah pemusnahan.
Fisikawan Swedia O. Klein mengembangkan teori kosmologi berdasarkan hipotesis simetri antara materi dan antimateri, dan sampai pada kesimpulan bahwa proses pemusnahan memainkan peran penting dalam evolusi Alam Semesta dan pembentukan struktur galaksi.
Semakin jelas bahwa teori alternatif utama, teori “big bang”, sangat bertentangan dengan data observasi dan “kosmologi simetris” kemungkinan akan menempati posisi sentral dalam memecahkan masalah kosmologis dalam waktu dekat.
Antimateri adalah materi yang hanya terdiri dari antipartikel. Di alam, setiap partikel elementer mempunyai antipartikel. Untuk elektron akan menjadi positron, dan untuk proton yang bermuatan positif akan menjadi antiproton. Atom materi biasa - sebaliknya disebut zat berbentuk koin- terdiri dari inti bermuatan positif di mana elektron bergerak. Dan inti atom antimateri yang bermuatan negatif, pada gilirannya, dikelilingi oleh antielektron.
Gaya yang menentukan struktur materi adalah sama baik untuk partikel maupun antipartikel. Sederhananya, partikel hanya berbeda pada tanda muatannya. Merupakan ciri khas bahwa “antimateri” bukanlah nama yang tepat. Pada hakikatnya hanyalah sejenis zat yang mempunyai sifat yang sama dan mampu menimbulkan daya tarik.
Penghancuran
Faktanya, ini adalah proses tumbukan antara positron dan elektron. Akibatnya terjadi saling penghancuran (annihilasi) kedua partikel tersebut dengan keluarnya energi yang sangat besar. Pemusnahan 1 gram antimateri setara dengan ledakan muatan TNT seberat 10 kiloton!
Perpaduan
Pada tahun 1995, diumumkan bahwa sembilan atom antihidrogen pertama telah disintesis. Mereka hidup selama 40 nanodetik dan mati, melepaskan energi. Dan sudah pada tahun 2002, jumlah atom yang didapat sudah mencapai ratusan. Namun semua antipartikel yang dihasilkan hanya mampu bertahan selama nanodetik. Banyak hal berubah dengan peluncuran hadron collider: mereka berhasil mensintesis 38 atom antihidrogen dan menahannya selama satu detik penuh. Selama periode waktu ini, beberapa penelitian terhadap struktur antimateri dapat dilakukan. Mereka belajar menahan partikel setelah membuat perangkap magnet khusus. Untuk mencapai efek yang diinginkan, suhu yang sangat rendah dibuat. Benar, jebakan seperti itu adalah urusan yang sangat rumit, rumit, dan mahal.
Dalam trilogi S. Snegov “People Like Gods,” proses pemusnahan digunakan untuk penerbangan antargalaksi. Para pahlawan dalam novel, menggunakannya, mengubah bintang dan planet menjadi debu. Tetapi di zaman kita, mendapatkan antimateri jauh lebih sulit dan mahal daripada memberi makan umat manusia.
Berapa harga antimateri?
Satu miligram positron seharusnya menelan biaya 25 miliar dolar. Dan untuk satu gram antihidrogen Anda harus membayar 62,5 triliun dolar.
Belum ada orang yang begitu murah hati sehingga dia mampu membeli seperseratus gram pun. Beberapa ratus juta franc Swiss harus dibayar untuk sepersejuta gram untuk mendapatkan bahan untuk penelitian eksperimental tentang tumbukan partikel dan antipartikel. Sejauh ini tidak ada zat di alam yang lebih mahal dari antimateri.
Tetapi ketika ditanya tentang berat antimateri, semuanya cukup sederhana. Karena berbeda dari materi biasa hanya pada muatannya, semua karakteristik lainnya adalah sama. Ternyata satu gram antimateri memiliki berat tepat satu gram.
Dunia antimateri
Jika kita menerima kebenaran bahwa hal itu ada, maka sebagai hasil dari proses ini seharusnya materi dan antimateri muncul dalam jumlah yang sama. Jadi mengapa kita tidak mengamati benda-benda yang terbuat dari antimateri di dekat kita? Jawabannya cukup sederhana: kedua jenis materi ini tidak dapat hidup berdampingan. Mereka pasti akan saling menghancurkan. Kemungkinan besar galaksi dan bahkan alam semesta yang terbuat dari antimateri memang ada, dan kami bahkan melihat beberapa di antaranya. Tapi radiasi yang sama memancar darinya, cahaya yang sama memancar darinya seperti dari galaksi biasa. Oleh karena itu, masih belum mungkin untuk mengatakan dengan pasti apakah antidunia itu ada atau hanya dongeng yang indah.
Apa ini berbahaya?
Umat manusia telah mengubah banyak penemuan berguna menjadi alat kehancuran. Antimateri dalam pengertian ini tidak bisa menjadi pengecualian. Belum mungkin membayangkan senjata yang lebih ampuh dari senjata yang didasarkan pada prinsip pemusnahan. Mungkin tidak terlalu buruk sehingga antimateri belum dapat diekstraksi dan disimpan? Akankah ini menjadi lonceng fatal yang akan didengar umat manusia pada hari terakhirnya?
Baru-baru ini, anggota kolaborasi ALICE di CERN mengukur massa inti antimateri dengan sangat akurat dan bahkan memperkirakan energi yang mengikat antiproton ke antineutron di dalamnya. Sejauh ini, tidak ditemukan perbedaan signifikan antara parameter materi dan antimateri, tetapi ini bukan hal yang utama. Penting untuk diketahui bahwa saat ini, dalam beberapa tahun terakhir, tidak hanya antipartikel, tetapi juga antinuklei dan bahkan antiatom telah tersedia untuk pengukuran dan observasi. Ini berarti sudah waktunya untuk mencari tahu apa itu antimateri dan apa peranan penelitiannya dalam fisika modern.
Mari kita coba menebak beberapa pertanyaan pertama Anda tentang antimateri.
Benarkah bom super kuat bisa dibuat dengan menggunakan antimateri? Mungkinkah antimateri benar-benar terakumulasi di CERN, seperti yang diperlihatkan dalam film Angels and Demons, dan hal ini sangat berbahaya? Benarkah antimateri akan menjadi bahan bakar yang sangat efisien untuk perjalanan luar angkasa? Apakah gagasan otak positronik yang dianugerahkan Isaac Asimov pada robot dalam karyanya ada benarnya?...
Bukan rahasia lagi bahwa bagi kebanyakan orang, antimateri diasosiasikan dengan sesuatu yang sangat (sangat eksplosif) berbahaya, dengan sesuatu yang mencurigakan, dengan sesuatu yang menggairahkan imajinasi dengan janji-janji fantastis dan risiko yang sangat besar - itulah pertanyaan-pertanyaan seperti itu. Mari kita akui: hukum fisika tidak secara langsung melarang semua ini. Namun, penerapan ide-ide ini sangat jauh dari kenyataan, dari teknologi modern dan teknologi pada dekade mendatang, sehingga jawaban pragmatisnya sederhana: tidak, bagi dunia modern hal ini tidak benar. Percakapan tentang topik-topik ini hanyalah fantasi, tidak didasarkan pada pencapaian ilmiah dan teknis yang nyata, tetapi pada ekstrapolasinya yang jauh melampaui batas kemampuan modern. Jika Anda ingin membicarakan topik ini secara serius, datanglah mendekati tahun 2100. Untuk saat ini, mari kita bicara tentang penelitian ilmiah aktual mengenai antimateri.
Apa itu antimateri?
Dunia kita dirancang sedemikian rupa sehingga untuk setiap jenis partikel - elektron, proton, neutron, dll. - ada antipartikel (positron, antiproton, antineutron). Mereka memiliki massa yang sama dan, jika tidak stabil, waktu paruhnya sama, tetapi muatannya berlawanan dan angka lain yang menjadi ciri interaksinya. Positron mempunyai massa yang sama dengan elektron, namun hanya bermuatan positif. Antiproton mempunyai muatan negatif. Antineutron bersifat netral secara listrik, sama seperti neutron, tetapi memiliki bilangan baryon yang berlawanan dan tersusun dari antiquark. Antinukleus dapat dirakit dari antiproton dan antineutron. Dengan menambahkan positron, kita membuat antiatom, dan dengan mengumpulkannya, kita mendapatkan antimateri. Ini semua antimateri.
Dan di sini ada beberapa kehalusan menarik yang layak untuk dibicarakan. Pertama-tama, keberadaan antipartikel merupakan kemenangan besar fisika teoretis. Gagasan yang tidak jelas, dan bahkan mengejutkan, ini secara teoritis diturunkan oleh Paul Dirac dan pada awalnya diterima dengan rasa permusuhan. Terlebih lagi, bahkan setelah ditemukannya positron, masih banyak yang meragukan keberadaan antiproton. Pertama, kata mereka, Dirac mengemukakan teorinya sendiri untuk mendeskripsikan elektron, dan teori tersebut tidak berlaku untuk proton. Misalnya, momen magnet proton berbeda beberapa kali lipat dari prediksi teori Dirac. Kedua, mereka sudah lama mencari jejak antiproton dalam sinar kosmik, tetapi tidak menemukan apa pun. Ketiga, mereka berpendapat - secara harfiah mengulangi kata-kata kami - bahwa jika ada antiproton, maka pasti ada antiatom, antibintang, dan antigalaksi, dan kita pasti akan melihatnya dalam ledakan kosmik yang dahsyat. Karena kita tidak melihatnya, mungkin karena antimateri tidak ada. Oleh karena itu, penemuan eksperimental antiproton pada tahun 1955 pada akselerator Bevatron yang baru diluncurkan merupakan hasil yang tidak sepele, dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1959. Pada tahun 1956, antineutron ditemukan pada akselerator yang sama. Kisah pencarian, keraguan, dan pencapaian ini dapat ditemukan dalam berbagai esai sejarah, misalnya, dalam laporan ini atau dalam buku terbaru Frank Close, Antimatter.
Namun, harus dikatakan secara terpisah bahwa keraguan yang sehat dalam pernyataan teoretis murni selalu berguna. Misalnya, pernyataan bahwa antipartikel mempunyai massa yang sama dengan partikel juga merupakan hasil teoritis; hal ini mengikuti teorema CPT yang sangat penting. Ya, fisika dunia mikro modern yang teruji secara eksperimental dibangun berdasarkan pernyataan ini. Namun tetap saja persamaannya: siapa tahu, mungkin dengan cara ini kita akan menemukan batasan penerapan teori tersebut.
Ciri lainnya: tidak semua kekuatan di dunia mikro berhubungan dengan partikel dan antipartikel dengan cara yang sama. Untuk interaksi elektromagnetik dan kuat tidak ada perbedaan di antara keduanya, untuk interaksi lemah ada. Oleh karena itu, beberapa detail halus dari interaksi partikel dan antipartikel berbeda, misalnya, kemungkinan peluruhan partikel A menjadi kumpulan partikel B dan anti-A menjadi kumpulan anti-B (untuk lebih jelasnya tentang perbedaannya, lihat koleksi Pavel Pakhov). Fitur ini muncul karena interaksi lemah merusak simetri CP dunia kita. Namun mengapa hal ini terjadi adalah salah satu misteri partikel elementer, dan hal ini memerlukan upaya melampaui batas yang diketahui.
Inilah kehalusan lainnya: beberapa partikel memiliki karakteristik yang sangat sedikit sehingga antipartikel dan partikel tidak berbeda satu sama lain sama sekali. Partikel seperti ini disebut benar-benar netral. Ini adalah foton, Higgs boson, meson netral, terdiri dari quark dan antiquark dari jenis yang sama. Namun situasi dengan neutrino masih belum jelas: mungkin mereka benar-benar netral (Majorana), atau mungkin tidak. Hal ini sangat penting bagi teori yang menjelaskan massa dan interaksi neutrino. Jawaban atas pertanyaan ini akan menjadi sebuah langkah maju yang besar, karena akan membantu kita memahami struktur dunia kita. Eksperimen tersebut belum mengatakan sesuatu yang jelas tentang hal ini. Namun program eksperimen untuk penelitian neutrino begitu hebatnya, begitu banyak eksperimen yang dilakukan sehingga fisikawan secara bertahap semakin mendekati solusinya.
Dimana antimateri ini?
Ketika sebuah antipartikel bertemu dengan partikelnya, ia musnah: kedua partikel tersebut menghilang dan berubah menjadi sekumpulan foton atau partikel yang lebih ringan. Semua energi istirahat berubah menjadi energi ledakan mikro ini. Ini adalah konversi massa menjadi energi panas yang paling efisien, ratusan kali lebih efisien daripada ledakan nuklir. Namun kita tidak melihat adanya ledakan alam yang dahsyat di sekitar kita; Antimateri tidak ada dalam jumlah yang cukup besar di alam. Namun, masing-masing antipartikel mungkin lahir dalam berbagai proses alami.
Cara termudah adalah dengan membuat positron. Pilihan paling sederhana adalah radioaktivitas, peluruhan beberapa inti akibat radioaktivitas beta positif. Misalnya, dalam eksperimen, isotop natrium-22 dengan waktu paruh dua setengah tahun sering digunakan sebagai sumber positron. Sumber alami lain yang agak tidak terduga adalah ketika kilatan radiasi gamma dari pemusnahan positron kadang-kadang terdeteksi, yang berarti bahwa positron entah bagaimana lahir di sana.
Lebih sulit untuk membuat antiproton dan antipartikel lainnya: energi peluruhan radioaktif tidak cukup untuk ini. Di alam, mereka dilahirkan di bawah pengaruh sinar kosmik berenergi tinggi: proton kosmik, bertabrakan dengan beberapa molekul di lapisan atas atmosfer, menghasilkan aliran partikel dan antipartikel. Namun, hal ini terjadi di atas sana, antiproton hampir tidak pernah mencapai tanah (hal ini tidak diketahui oleh mereka yang mencari antiproton dalam sinar kosmik di tahun 40an), dan Anda tidak dapat membawa sumber antiproton ini ke laboratorium.
Dalam semua eksperimen fisika, antiproton dihasilkan melalui “kekuatan kasar”: mereka mengambil seberkas proton berenergi tinggi, mengarahkannya ke suatu target, dan memilah “sisa-sisa hadron” yang dihasilkan dalam jumlah besar dalam tumbukan ini. Antiproton yang diurutkan dikeluarkan dalam bentuk berkas, dan kemudian dipercepat hingga energi tinggi untuk bertabrakan dengan proton (inilah cara kerja, misalnya, penumbuk Tevatron Amerika), atau, sebaliknya, diperlambat dan digunakan untuk pengukuran yang lebih halus.
Di CERN, yang patut dibanggakan dengan sejarah panjang penelitian antimateri, terdapat “akselerator” AD khusus, “Antiproton Moderator”, yang melakukan tugas ini. Dibutuhkan seberkas antiproton, mendinginkannya (yaitu memperlambatnya), dan kemudian mendistribusikan aliran antiproton lambat ke beberapa eksperimen khusus. Omong-omong, jika Anda ingin melihat status AD secara real time, monitor online Cernov mengizinkannya.
Sudah sangat sulit untuk mensintesis antiatom, bahkan yang paling sederhana sekalipun, atom antihidrogen. Mereka tidak muncul di alam sama sekali - tidak ada kondisi yang sesuai. Bahkan di laboratorium, banyak kesulitan teknis yang harus diatasi sebelum antiproton berkenan bergabung dengan positron. Masalahnya adalah antiproton dan positron yang dipancarkan dari sumbernya masih terlalu panas; mereka hanya akan bertabrakan satu sama lain dan terbang terpisah, bukannya membentuk anti-atom. Fisikawan masih mengatasi kesulitan-kesulitan ini, tetapi dengan metode yang agak licik (seperti yang dilakukan dalam salah satu eksperimen ASACUSA Cern).
Apa yang diketahui tentang antinuklei?
Semua pencapaian antiatom umat manusia hanya berkaitan dengan antihidrogen. Antiatom unsur lain belum disintesis di laboratorium atau diamati di alam. Alasannya sederhana: antinuklei bahkan lebih sulit dibuat dibandingkan antiproton.
Satu-satunya cara yang kita ketahui untuk menciptakan antinuklei adalah dengan menumbuk inti-inti berat berenergi tinggi dan melihat apa yang terjadi di sana. Jika energi tumbukan tinggi, ribuan partikel, termasuk antiproton dan antineutron, akan lahir dan tersebar ke segala arah. Antiproton dan antineutron yang secara tidak sengaja dipancarkan ke satu arah dapat bergabung satu sama lain membentuk antinukleus.
Detektor ALICE dapat membedakan berbagai inti dan antinuklei berdasarkan pelepasan energinya dan arah putaran medan magnet.
Gambar: CERN
Metodenya sederhana, tetapi tidak terlalu efektif: kemungkinan sintesis inti dengan cara ini menurun tajam seiring dengan bertambahnya jumlah nukleon. Antinuklei paling ringan, antideuteron, pertama kali diamati tepat setengah abad yang lalu. Antihelium-3 terlihat pada tahun 1971. Antitriton dan antihelium-4 juga diketahui, yang terakhir ditemukan baru-baru ini, pada tahun 2011. Antinuklei yang lebih berat belum teramati.
Dua parameter yang menggambarkan interaksi nukleon-nukleon (panjang hamburan f0 dan jari-jari efektif d0) untuk pasangan partikel berbeda. Tanda bintang merah adalah hasil sepasang antiproton yang diperoleh dari kolaborasi STAR.
Sayangnya, Anda tidak dapat membuat antiatom dengan cara ini. Antinuklei tidak hanya jarang diproduksi, tetapi juga memiliki terlalu banyak energi dan terbang ke segala arah. Mencoba menangkap mereka di collider dan kemudian membawanya melalui saluran khusus dan mendinginkannya adalah hal yang tidak realistis.
Namun, terkadang pelacakan antinukleus yang sedang terbang cukup untuk memperoleh beberapa informasi menarik tentang gaya antinuklear yang bekerja di antara antinukleon. Hal paling sederhana adalah dengan hati-hati mengukur massa antinuklei, membandingkannya dengan jumlah massa antiproton dan antineutron, dan menghitung cacat massa, yaitu. energi pengikatan nuklir. Baru-baru ini beroperasi di Large Hadron Collider; Energi pengikatan antideuteron dan antihelium-3 bertepatan dalam batas kesalahan inti biasa.
Efek lain yang lebih halus dipelajari oleh eksperimen STAR di RHIC penumbuk ion berat Amerika. Dia mengukur distribusi sudut antiproton yang dihasilkan dan menemukan bagaimana perubahannya ketika dua antiproton dipancarkan dalam arah yang sangat dekat. Korelasi antar antiproton memungkinkan untuk pertama kalinya mengukur sifat-sifat gaya “antinuklir” yang bekerja di antara antiproton tersebut (panjang hamburan dan radius interaksi efektif); mereka bertepatan dengan apa yang diketahui tentang interaksi proton.
Apakah ada antimateri di luar angkasa?
Ketika Paul Dirac menyimpulkan keberadaan positron dari teorinya, dia sepenuhnya berasumsi bahwa antidunia nyata bisa saja ada di suatu tempat di luar angkasa. Sekarang kita tahu bahwa tidak ada bintang, planet, atau galaksi yang terbuat dari antimateri di bagian alam semesta yang terlihat. Intinya bukanlah ledakan pemusnahan tidak terlihat; Benar-benar tidak terbayangkan bagaimana mereka bisa terbentuk dan bertahan hingga saat ini di alam semesta yang terus berevolusi.
Namun pertanyaan “bagaimana ini bisa terjadi” adalah misteri besar fisika modern lainnya; dalam bahasa ilmiah disebut masalah bariogenesis. Menurut gambaran kosmologis dunia, di alam semesta paling awal terdapat jumlah partikel dan antipartikel yang sama. Kemudian, karena pelanggaran simetri CP dan bilangan baryon, sejumlah kecil materi melebihi antimateri, pada tingkat satu miliar, seharusnya muncul di alam semesta yang berkembang secara dinamis. Saat alam semesta mendingin, semua antipartikel menyatu dengan partikel; hanya materi berlebih inilah yang bertahan, yang kemudian melahirkan alam semesta yang kita amati. Karena dia setidaknya ada sesuatu yang menarik yang tersisa di dalamnya, berkat dia kita ada. Bagaimana tepatnya asimetri ini muncul tidak diketahui. Ada banyak teori, namun mana yang benar masih belum diketahui. Yang jelas adalah bahwa ini pastilah semacam Fisika Baru, sebuah teori yang melampaui Model Standar, melampaui batas-batas yang telah diverifikasi secara eksperimental.
Tiga pilihan asal antipartikel dalam sinar kosmik berenergi tinggi: 1 - antipartikel dapat muncul dan berakselerasi begitu saja dalam “akselerator kosmik”, misalnya dalam pulsar; 2 - mereka dapat lahir selama tumbukan sinar kosmik biasa dengan atom-atom medium antarbintang; 3 - mereka dapat muncul selama peluruhan partikel materi gelap yang berat.
Meski tidak ada planet atau bintang yang terbuat dari antimateri, antimateri tetap ada di luar angkasa. Fluks positron dan antiproton dengan energi berbeda dicatat oleh observatorium sinar kosmik satelit, seperti PAMELA, Fermi, AMS-02. Fakta bahwa positron dan antiproton datang kepada kita dari luar angkasa berarti mereka lahir di suatu tempat di luar sana. Proses berenergi tinggi yang dapat menghasilkannya diketahui secara prinsip: ini adalah lingkungan bintang neutron yang sangat termagnetisasi, berbagai ledakan, percepatan sinar kosmik pada permukaan gelombang kejut di medium antarbintang, dll. Pertanyaannya adalah apakah mereka dapat menjelaskan semua sifat aliran antipartikel kosmik yang diamati. Jika ternyata tidak, ini akan menjadi bukti yang mendukung fakta bahwa beberapa di antaranya muncul dari peluruhan atau pemusnahan partikel materi gelap.
Ada juga misteri di sini. Pada tahun 2008, observatorium PAMELA menemukan sejumlah besar positron berenergi tinggi dibandingkan dengan prediksi pemodelan teoretis. Hasil ini baru-baru ini dikonfirmasi oleh instalasi AMS-02 - salah satu modul Stasiun Luar Angkasa Internasional dan, secara umum, detektor partikel elementer terbesar yang diluncurkan ke luar angkasa (dan dirakit, coba tebak? - benar, di CERN). Kelebihan positron ini menggairahkan pikiran para ahli teori - lagipula, hal ini mungkin bukan disebabkan oleh objek astrofisika yang "membosankan", tetapi oleh partikel materi gelap berat yang membusuk atau musnah menjadi elektron dan positron. Belum ada kejelasan di sini, namun instalasi AMS-02, serta banyak fisikawan kritis, sedang mempelajari fenomena ini dengan sangat cermat.
Rasio antiproton terhadap proton dalam sinar kosmik dengan energi berbeda. Titik-titiknya adalah data eksperimen, kurva warna-warni adalah ekspektasi astrofisika dengan berbagai kesalahan.
Gambar: Perpustakaan Universitas Cornell
Situasi dengan antiproton juga tidak jelas. Pada bulan April tahun ini, AMS-02 mempresentasikan hasil awal dari siklus penelitian baru pada konferensi ilmiah khusus. Sorotan utama dari laporan ini adalah pernyataan bahwa AMS-02 mengandung terlalu banyak antiproton berenergi tinggi - dan ini juga bisa menjadi petunjuk peluruhan partikel materi gelap. Namun, fisikawan lain tidak setuju dengan kesimpulan menggembirakan tersebut. Saat ini diyakini bahwa data antiproton dari AMS-02, dengan beberapa batasan, dapat dijelaskan oleh sumber astrofisika konvensional. Bagaimanapun, semua orang menantikan data positron dan antiproton baru dari AMS-02.
AMS-02 telah mendeteksi jutaan positron dan seperempat juta antiproton. Namun pencipta instalasi ini memiliki mimpi cerah - untuk menangkap setidaknya satu antinukleus. Ini akan menjadi sensasi yang nyata - sungguh luar biasa bahwa antinuklei akan lahir di suatu tempat di luar angkasa dan terbang ke arah kita. Sejauh ini, belum ada kasus serupa yang ditemukan, namun pengumpulan data terus dilakukan, dan entah kejutan apa yang disediakan alam untuk kita.
Antimateri - anti gravitasi? Bagaimana dia bisa merasakan gravitasi?
Jika kita hanya mengandalkan fisika yang diverifikasi secara eksperimental dan tidak membahas teori-teori eksotik yang belum dikonfirmasi, maka gravitasi akan bekerja pada antimateri dengan cara yang persis sama seperti pada materi. Tidak ada antigravitasi yang diharapkan untuk antimateri. Jika kita membiarkan diri kita melihat lebih jauh, melampaui batas yang diketahui, maka pilihan yang mungkin secara teoritis murni adalah ketika, selain gaya gravitasi universal yang biasa, ada sesuatu tambahan yang bertindak berbeda terhadap materi dan antimateri. Betapapun ilusinya kemungkinan ini, hal ini perlu diverifikasi secara eksperimental, dan untuk itu perlu dilakukan eksperimen untuk menguji bagaimana antimateri merasakan gravitasi bumi.
Untuk waktu yang lama hal ini tidak mungkin dilakukan karena alasan sederhana bahwa untuk itu perlu dibuat atom antimateri individu, menjebaknya, dan melakukan eksperimen dengannya. Sekarang kita telah mempelajari cara melakukan hal ini, sehingga ujian yang telah lama ditunggu-tunggu sudah dekat.
Pemasok utama hasilnya adalah CERN yang sama dengan program ekstensifnya untuk studi antimateri. Beberapa eksperimen ini secara tidak langsung telah memverifikasi bahwa gravitasi antimateri baik-baik saja. Misalnya, ia menemukan bahwa massa (inert) antiproton sama dengan massa proton dengan akurasi yang sangat tinggi. Jika gravitasi bekerja secara berbeda pada antiproton, fisikawan akan menyadari perbedaannya - lagipula, perbandingan dilakukan dalam instalasi yang sama dan dalam kondisi yang sama. Hasil percobaan ini: efek gravitasi pada antiproton bertepatan dengan efek pada proton dengan akurasi lebih dari sepersejuta.
Namun pengukuran ini bersifat tidak langsung. Agar lebih meyakinkan, saya ingin melakukan eksperimen langsung: ambil beberapa atom antimateri, jatuhkan dan lihat bagaimana atom tersebut jatuh dalam medan gravitasi. Eksperimen serupa juga sedang dilakukan atau dipersiapkan di CERN. Percobaan pertama tidak terlalu mengesankan. Pada tahun 2013, eksperimen ALPHA – yang saat itu telah belajar menahan awan antihidrogen di dalam perangkapnya – mencoba menentukan di mana antiatom akan jatuh jika perangkap tersebut dimatikan. Sayangnya, karena sensitivitas eksperimen yang rendah, tidak mungkin memperoleh jawaban yang jelas: waktu yang berlalu terlalu sedikit, antiatom bergerak maju mundur dalam perangkap, dan ledakan pemusnahan terjadi di sana-sini.
Dua eksperimen Cern lainnya menjanjikan perbaikan situasi secara radikal: GBAR dan AEGIS. Kedua eksperimen ini akan menguji dengan cara berbeda bagaimana awan antihidrogen ultra-dingin jatuh dalam medan gravitasi. Akurasi yang diharapkan dalam mengukur percepatan gravitasi antimateri adalah sekitar 1%. Kedua instalasi saat ini sedang dalam tahap perakitan dan debugging, dan penelitian utama akan dimulai pada tahun 2017, ketika moderator antiproton AD akan dilengkapi dengan cincin penyimpanan ELENA yang baru.
Varian perilaku positron dalam benda padat.
Gambar: natural.com
Apa yang terjadi jika positron memasuki materi?
Pembentukan positronium molekuler pada permukaan kuarsa.
Gambar: Clifford M. Surko / Fisika atom: Aroma sup antimateri
Jika Anda sudah membaca sejauh ini, Anda sudah tahu betul bahwa begitu partikel antimateri memasuki materi biasa, terjadi pemusnahan: partikel dan antipartikel menghilang dan berubah menjadi radiasi. Namun seberapa cepat hal ini terjadi? Mari kita bayangkan sebuah positron yang terbang dari ruang hampa dan memasuki zat padat. Akankah ia musnah saat bersentuhan dengan atom pertama? Sama sekali tidak perlu! Pemusnahan elektron dan positron bukanlah proses yang terjadi secara instan; itu membutuhkan waktu yang lama pada skala atom. Oleh karena itu, positron berhasil menjalani kehidupan yang cerah dalam materi, penuh dengan peristiwa-peristiwa non-sepele.
Pertama, positron dapat mengambil elektron yatim piatu dan membentuk keadaan terikat, positronium (Ps). Dengan orientasi putaran yang sesuai, positronium dapat hidup selama puluhan nanodetik sebelum dimusnahkan. Berada dalam benda padat, selama ini ia mempunyai waktu bertumbukan dengan atom jutaan kali, karena kecepatan termal positronium pada suhu kamar sekitar 25 km/detik.
Kedua, hanyut dalam suatu zat, positronium dapat muncul ke permukaan dan menempel di sana - ini adalah analog positronik (atau lebih tepatnya, positronium) dari adsorpsi atom. Pada suhu kamar, ia tidak diam di satu tempat, tetapi aktif bergerak di sepanjang permukaan. Dan jika ini bukan permukaan luar, melainkan pori berukuran nanometer, maka positronium akan terperangkap di dalamnya dalam waktu yang lama.
Lebih-lebih lagi. Dalam bahan standar untuk percobaan tersebut, kuarsa berpori, pori-porinya tidak diisolasi, tetapi dihubungkan oleh saluran nano ke dalam jaringan umum. Positronium hangat, yang merayap di permukaan, akan memiliki waktu untuk memeriksa ratusan pori-pori. Dan karena banyak positronium yang terbentuk dalam percobaan semacam itu dan hampir semuanya keluar ke dalam pori-pori, cepat atau lambat mereka akan bertabrakan satu sama lain dan, berinteraksi, terkadang membentuk molekul nyata - molekul positronium, Ps 2. Kemudian Anda dapat mempelajari bagaimana perilaku gas positronium, keadaan tereksitasi yang dimiliki positronium, dll. Dan jangan berpikir bahwa ini hanyalah pertimbangan teoretis; Semua efek ini telah diuji dan dipelajari secara eksperimental.
Apakah antimateri memiliki aplikasi praktis?
Tentu saja. Secara umum, setiap proses fisik, jika itu membuka beberapa aspek baru dari dunia kita dan tidak memerlukan biaya tambahan, pasti akan menemukan penerapan praktis. Apalagi penerapannya yang kita sendiri tidak akan bayangkan jika kita tidak menemukan dan mempelajari terlebih dahulu sisi ilmiah dari fenomena ini.
Penerapan antipartikel yang paling terkenal adalah PET, tomografi emisi positron. Secara umum, fisika nuklir memiliki rekam jejak yang mengesankan dalam penerapan medis, dan antipartikel juga tidak tinggal diam di sini. Dengan PET, sejumlah kecil obat disuntikkan ke dalam tubuh pasien, mengandung isotop tidak stabil dengan umur pendek (menit hingga jam) dan membusuk karena peluruhan beta positif. Obat terakumulasi di jaringan yang diinginkan, inti membusuk dan mengeluarkan positron, yang musnah di dekatnya dan menghasilkan dua kuanta gamma dengan energi tertentu. Detektor mencatatnya, menentukan arah dan waktu kedatangannya, dan memulihkan tempat terjadinya pembusukan. Hal ini memungkinkan untuk membuat peta tiga dimensi sebaran materi dengan resolusi spasial tinggi dan dosis radiasi minimum.
Positron juga dapat digunakan dalam ilmu material, misalnya untuk mengukur porositas suatu zat. Jika suatu zat kontinu, maka positron yang menempel di dalam zat tersebut pada kedalaman yang cukup akan musnah dengan cukup cepat dan memancarkan sinar gamma. Jika terdapat pori-pori nano di dalam suatu zat, pemusnahan akan tertunda karena positronium menempel pada permukaan pori-pori tersebut. Dengan mengukur penundaan ini, dimungkinkan untuk menentukan derajat nanoporositas suatu zat menggunakan metode non-kontak dan non-destruktif. Teknik ini diilustrasikan oleh penelitian terbaru tentang bagaimana pori-pori nano muncul dan menutup di lapisan es tertipis ketika uap diendapkan di permukaan. Pendekatan serupa juga berhasil ketika mempelajari cacat struktural pada kristal semikonduktor, misalnya kekosongan dan dislokasi, dan memungkinkan seseorang mengukur kelelahan struktural material.
Antiproton mungkin juga memiliki aplikasi medis. Sekarang di CERN yang sama, percobaan ACE sedang dilakukan, yang mempelajari pengaruh sinar antiproton pada sel hidup. Tujuannya adalah mempelajari prospek penggunaan antiproton untuk terapi kanker.
Pelepasan energi berkas ion dan sinar-X ketika melewati suatu zat.
Gambar: Johannes Gutleber/CERN
Gagasan ini mungkin membuat pembaca takut karena kebiasaannya: bagaimana mungkin sinar antiproton bisa mengenai orang yang hidup?! Ya, dan ini jauh lebih aman daripada menyinari tumor yang dalam dengan sinar X! Sinar antiproton dengan energi yang dipilih secara khusus di tangan ahli bedah menjadi alat yang efektif untuk membakar tumor jauh di dalam tubuh dan meminimalkan dampaknya pada jaringan di sekitarnya. Tidak seperti sinar-X, yang membakar segala sesuatu yang jatuh di bawah sinarnya, partikel bermuatan berat yang melewati materi melepaskan sebagian besar energinya dalam beberapa sentimeter terakhir sebelum berhenti. Dengan menyesuaikan energi partikel, Anda dapat memvariasikan kedalaman penghentian partikel; Wilayah ini, berukuran milimeter, akan menanggung dampak radiasi utama.
Radioterapi sinar proton jenis ini telah lama digunakan di banyak klinik lengkap di seluruh dunia. Baru-baru ini, beberapa dari mereka beralih ke terapi ion, yang menggunakan berkas ion karbon, bukan proton. Bagi mereka, profil pelepasan energi bahkan lebih kontras, yang berarti efektivitas pasangan “efek terapeutik versus efek samping” meningkat. Namun sudah lama diusulkan untuk mencoba antiproton untuk tujuan ini. Lagi pula, ketika mereka memasuki suatu zat, mereka tidak hanya melepaskan energi kinetiknya, tetapi juga musnah setelah berhenti - dan ini meningkatkan pelepasan energi beberapa kali lipat. Di mana energi ekstra ini disimpan merupakan pertanyaan kompleks dan perlu dipelajari secara cermat sebelum uji klinis diluncurkan.
Hal inilah yang dilakukan oleh eksperimen ACE. Di dalamnya, para peneliti melewatkan berkas antiproton melalui kuvet yang berisi kultur bakteri dan mengukur kelangsungan hidupnya berdasarkan fungsi lokasi, parameter berkas, dan karakteristik fisik lingkungan. Pengumpulan data teknis yang metodis dan mungkin membosankan ini merupakan tahap awal yang penting dalam setiap teknologi baru.
Igor Ivanov
Ekologi Pengetahuan: Antimateri telah lama menjadi subjek fiksi ilmiah. Dalam buku dan film Angels and Demons, Profesor Langdon mencoba menyelamatkan Vatikan dari bom antimateri. Kapal luar angkasa Star Trek Enterprise menggunakan mesin berdasarkan
Antimateri telah lama menjadi subjek fiksi ilmiah. Dalam buku dan film Angels and Demons, Profesor Langdon mencoba menyelamatkan Vatikan dari bom antimateri. Starship Enterprise milik Star Trek menggunakan propulsi antimateri pemusnah untuk bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Tapi antimateri juga merupakan objek realitas kita. Partikel antimateri sebenarnya identik dengan pasangan materialnya, hanya saja partikel tersebut membawa muatan dan putaran yang berlawanan. Ketika antimateri bertemu materi, mereka langsung musnah menjadi energi, dan ini bukan lagi fiksi.
Meskipun bom antimateri dan kapal yang menggunakan bahan bakar yang sama belum bisa dipraktikkan, ada banyak fakta tentang antimateri yang akan mengejutkan Anda atau menyegarkan ingatan Anda tentang apa yang telah Anda ketahui.
1. Antimateri seharusnya menghancurkan semua materi di alam semesta setelah Big Bang
Menurut teori tersebut, Big Bang menciptakan materi dan antimateri dalam jumlah yang sama. Ketika mereka bertemu, terjadi saling kehancuran, pemusnahan, dan hanya energi murni yang tersisa. Berdasarkan hal ini, kita seharusnya tidak ada.
Tapi kami ada. Dan sejauh yang diketahui para fisikawan, hal ini terjadi karena untuk setiap miliar pasangan materi-antimateri terdapat satu partikel materi tambahan. Fisikawan berusaha semaksimal mungkin untuk menjelaskan asimetri ini.
2. Antimateri lebih dekat dengan Anda daripada yang Anda kira
Sejumlah kecil antimateri terus-menerus menghujani Bumi dalam bentuk sinar kosmik, partikel energik dari luar angkasa. Partikel antimateri ini mencapai atmosfer kita pada tingkat yang berkisar antara satu hingga lebih dari seratus per meter persegi. Para ilmuwan juga memiliki bukti bahwa antimateri tercipta selama badai petir.
Ada sumber antimateri lain yang lebih dekat dengan kita. Pisang, misalnya, menghasilkan antimateri dengan memancarkan satu positron—antimateri yang setara dengan elektron—kira-kira sekali setiap 75 menit. Hal ini karena pisang mengandung sejumlah kecil potasium-40, sebuah isotop potasium alami. Pembusukan kalium-40 terkadang menghasilkan positron.
Tubuh kita juga mengandung potasium-40, yang berarti Anda juga mengeluarkan positron. Antimateri langsung musnah saat bersentuhan dengan materi, sehingga partikel antimateri ini tidak bertahan lama.
3. Manusia berhasil menciptakan sangat sedikit antimateri
Pemusnahan antimateri dan materi berpotensi melepaskan energi dalam jumlah besar. Satu gram antimateri dapat menghasilkan ledakan sebesar bom nuklir. Namun manusia belum banyak memproduksi antimateri, jadi tidak ada yang perlu ditakutkan.
Semua antiproton yang dibuat di akselerator partikel Tevatron Fermilab hanya berukuran 15 nanogram. CERN hanya memproduksi sekitar 1 nanogram hingga saat ini. Di DESY di Jerman - tidak lebih dari 2 nanogram positron.
Jika semua antimateri yang diciptakan manusia dimusnahkan seketika, energinya bahkan tidak akan cukup untuk merebus secangkir teh.
Masalahnya terletak pada efisiensi dan biaya produksi dan penyimpanan antimateri. Membuat 1 gram antimateri membutuhkan energi sekitar 25 juta miliar kilowatt-jam dan biaya lebih dari satu juta miliar dolar. Tidak mengherankan jika antimateri terkadang masuk dalam daftar sepuluh zat termahal di dunia kita.
4. Ada yang namanya perangkap antimateri
Untuk mempelajari antimateri, Anda perlu mencegahnya agar tidak musnah bersama materi. Para ilmuwan telah menemukan beberapa cara untuk melakukan hal ini.
Partikel antimateri bermuatan, seperti positron dan antiproton, dapat disimpan dalam apa yang disebut perangkap Penning. Mereka seperti akselerator partikel kecil. Di dalamnya, partikel-partikel bergerak dalam bentuk spiral sementara medan magnet dan listrik mencegahnya bertabrakan dengan dinding perangkap.
Namun, perangkap Penning tidak berfungsi untuk partikel netral seperti antihidrogen. Karena tidak bermuatan, partikel-partikel ini tidak dapat dibatasi oleh medan listrik. Mereka ditahan dalam perangkap Ioffe, yang bekerja dengan menciptakan wilayah ruang dimana medan magnet menjadi lebih kuat ke segala arah. Partikel antimateri terjebak di wilayah dengan medan magnet terlemah.
Medan magnet bumi dapat berperan sebagai perangkap antimateri. Antiproton ditemukan di zona tertentu di sekitar Bumi - sabuk radiasi Van Allen.
5. Antimateri bisa jatuh (secara harfiah)
Partikel materi dan antimateri memiliki massa yang sama, tetapi berbeda sifat seperti muatan listrik dan putarannya. Model Standar memperkirakan bahwa gravitasi akan mempengaruhi materi dan antimateri secara seimbang, namun hal ini masih harus dilihat secara pasti. Eksperimen seperti AEGIS, ALPHA dan GBAR sedang mengerjakan hal ini.
Mengamati efek gravitasi pada antimateri tidak semudah menyaksikan apel jatuh dari pohonnya. Eksperimen ini mengharuskan antimateri tetap terperangkap atau memperlambatnya dengan mendinginkannya hingga suhu sedikit di atas nol mutlak. Dan karena gravitasi adalah gaya fundamental yang paling lemah, fisikawan harus menggunakan partikel antimateri netral dalam eksperimen ini untuk mencegah interaksi dengan gaya listrik yang lebih kuat.
6. Antimateri sedang dipelajari dalam moderator partikel
Pernahkah Anda mendengar tentang akselerator partikel, dan pernahkah Anda mendengar tentang moderator partikel? CERN memiliki mesin yang disebut Antiproton Decelerator, yang menjebak dan memperlambat antiproton dalam sebuah cincin untuk mempelajari sifat dan perilakunya.
Dalam akselerator partikel berbentuk cincin seperti Large Hadron Collider, partikel menerima dorongan energi setiap kali mereka menyelesaikan satu lingkaran. Moderator bekerja dengan cara sebaliknya: alih-alih mempercepat partikel, mereka malah mendorongnya ke arah yang berlawanan.
7. Neutrino bisa menjadi antipartikelnya sendiri
Partikel materi dan pasangan antimaterinya mempunyai muatan yang berlawanan, sehingga mudah dibedakan. Neutrino, partikel hampir tak bermassa yang jarang berinteraksi dengan materi, tidak bermuatan. Para ilmuwan mengira itu mungkin partikel Majorana, kelas partikel hipotetis yang merupakan antipartikelnya sendiri.
Proyek seperti Majorana Demonstrator dan EXO-200 bertujuan untuk menentukan apakah neutrino memang merupakan partikel Majorana dengan mengamati perilaku peluruhan beta ganda tanpa neutrino.
Beberapa inti radioaktif meluruh secara bersamaan, melepaskan dua elektron dan dua neutrino. Jika neutrino adalah antipartikelnya, mereka akan musnah setelah peluruhan ganda, sehingga para ilmuwan hanya memiliki elektron untuk mengamatinya.
Pencarian neutrino Majorana dapat membantu menjelaskan mengapa ada asimetri materi-antimateri. Fisikawan berpendapat bahwa neutrino Majorana bisa berat atau ringan. Yang ringan sudah ada saat ini, tapi yang berat sudah ada segera setelah Big Bang. Neutrino Majorana yang berat membusuk secara asimetris, mengakibatkan munculnya sejumlah kecil materi yang memenuhi Alam Semesta kita.
8. Antimateri digunakan dalam pengobatan
PET, PET (topografi emisi positron) menggunakan positron untuk menghasilkan gambar tubuh beresolusi tinggi. Isotop radioaktif yang memancarkan positron (seperti yang ditemukan pada pisang) menempel pada bahan kimia seperti glukosa, yang ditemukan di dalam tubuh. Mereka disuntikkan ke dalam aliran darah, di mana mereka membusuk secara alami, mengeluarkan positron. Mereka, pada gilirannya, bertemu dengan elektron-elektron tubuh dan memusnahkan. Pemusnahan menghasilkan sinar gamma, yang digunakan untuk membuat gambar.
Para ilmuwan di Proyek ACE CERN sedang mempelajari antimateri sebagai kandidat potensial untuk mengobati kanker. Para dokter telah menemukan bahwa mereka dapat mengarahkan pancaran partikel ke tumor, melepaskan energinya hanya setelah partikel tersebut berhasil melewati jaringan sehat dengan aman. Penggunaan antiproton akan menambah ledakan energi tambahan. Teknik ini terbukti efektif untuk mengobati hamster, namun belum diuji pada manusia.
9. Antimateri mungkin bersembunyi di luar angkasa
Salah satu cara para ilmuwan mencoba memecahkan masalah asimetri materi-antimateri adalah dengan mencari antimateri sisa dari Big Bang.
Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) adalah detektor partikel yang terletak di Stasiun Luar Angkasa Internasional yang mencari partikel tersebut. AMS berisi medan magnet yang membengkokkan jalur partikel kosmik dan memisahkan materi dari antimateri. Detektornya harus mendeteksi dan mengidentifikasi partikel yang lewat.
Tabrakan sinar kosmik biasanya menghasilkan positron dan antiproton, namun kemungkinan terciptanya atom antihelium masih sangat kecil karena besarnya jumlah energi yang dibutuhkan untuk proses ini. Artinya, pengamatan terhadap satu nukleolus antihelium saja akan menjadi bukti kuat keberadaan antimateri dalam jumlah besar di tempat lain di alam semesta.
10. Manusia sebenarnya sedang mempelajari cara memberi daya pada pesawat ruang angkasa dengan bahan bakar antimateri.
Sedikit saja antimateri dapat menghasilkan energi dalam jumlah besar, menjadikannya bahan bakar populer untuk kapal futuristik dalam fiksi ilmiah.
Penggerak roket antimateri secara hipotetis mungkin; batasan utamanya adalah mengumpulkan cukup antimateri agar hal ini terjadi.
Belum ada teknologi yang dapat memproduksi secara massal atau mengumpulkan antimateri dalam jumlah yang diperlukan untuk aplikasi tersebut. Namun, para ilmuwan sedang berupaya untuk mensimulasikan pergerakan dan penyimpanan antimateri ini. Suatu hari nanti, jika kita menemukan cara untuk menghasilkan antimateri dalam jumlah besar, penelitian mereka dapat membantu perjalanan antarbintang menjadi kenyataan. diterbitkan
Ketersediaan informasi dalam bentuk apa pun kepada publik, banyaknya film fiksi ilmiah, yang temanya berkaitan dengan masalah ilmiah atau pseudoscientific tertentu, popularitas novel sensasional - semua ini telah mengarah pada terbentuknya sejumlah besar mitos tentang kita. dunia. Misalnya, berkat banyaknya teori yang mengemukakan varian Akhir Dunia, konsep “antimateri” telah banyak digunakan. Dalam karya seni dan teori apokaliptik, antimateri mengacu pada zat tertentu yang sifatnya berlawanan dengan zat, yaitu materi. Semacam lubang hitam yang menyerap dan menghancurkan segala sesuatu yang jatuh ke dalam zona tariknya. Sebenarnya apa itu antimateri, yang perlu ditanyakan bukan kepada penulis, sutradara, dan mereka yang terobsesi dengan ekspektasi keruntuhan umum, tetapi para ilmuwan.
Antipartikel dan antimateri adalah bagian normal dari alam semesta
Para ilmuwan akan memberi tahu Anda bahwa tidak ada yang mengerikan atau bencana dalam antimateri. Kalau saja karena tidak mungkin menentang materi dan antimateri - yang biasa disebut antimateri sebenarnya adalah sejenis zat, yaitu materi. Menurut klasifikasi ilmiah, partikel materi biasanya disebut struktur material yang terdiri dari atom-atom yang dikelilingi oleh partikel-partikel elementer. Bagian dasar atom adalah inti atom yang bermuatan positif, dan partikel elementer disekitarnya bermuatan negatif. Ini adalah elektron yang sama yang namanya kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari setiap hari ketika menyebut elektronik dan peralatan listrik.
Antimateri terdiri dari antipartikel, yaitu struktur material yang intinya bermuatan negatif, dan partikel di sekitarnya bermuatan positif.
Partikel elementer positif baru ditemukan oleh para ilmuwan pada tahun 1932 dan disebut positron. Juga tidak ada drama fatal dalam interaksi partikel dan antipartikel, materi dan antimateri. Terjadi pemusnahan - proses transformasi zat yang bereaksi dan antimateri menjadi partikel baru yang pada awalnya tidak ada dan memiliki sifat yang berbeda dari partikel “induk” aslinya. Benar, “efek sampingnya” bisa sangat berbahaya: pemusnahan disertai dengan pelepasan energi dalam jumlah besar. Diperkirakan reaksi 1 kilogram materi dengan 1 kilogram antimateri akan melepaskan energi setara dengan sekitar 43 megaton ledakan TNT. Bom nuklir terkuat yang meledak di Bumi memiliki potensi sekitar 58 megaton TNT.
Cara memperoleh antimateri bukanlah pertanyaan bagi sains
Realitas antimateri adalah fakta yang terbukti. Asumsi teoretis para ilmuwan berpadu secara harmonis dengan gambaran ilmiah umum tentang dunia, dan kemudian antipartikel ditemukan secara eksperimental. Selama hampir lima puluh tahun, antipartikel telah diproduksi secara artifisial melalui reaksi interaksi antara partikel dan antipartikel. Pada tahun 1965, anti-deuteron disintesis, dan 30 tahun kemudian anti-hidrogen diperoleh (perbedaannya dengan hidrogen “klasik” adalah atom antimateri terdiri dari positron dan antiproton). Para ilmuwan melangkah lebih jauh dan pada 2010-2011 berhasil “menangkap” atom antimateri dalam kondisi laboratorium. Biarkan hanya sekitar 40 atom yang berada dalam “perangkap” dan mereka mampu menahannya selama 172 milidetik.
Prospek praktis untuk mempelajari antipartikel sangat jelas, mengingat potensi energi yang sangat besar dari interaksi partikel dan antipartikel.
Penggunaan antimateri dan peluncuran proses ini secara terkendali sebenarnya menghilangkan masalah perolehan energi untuk selamanya.
Kesulitannya, seperti biasa, adalah pada uang: perhitungan menunjukkan bahwa saat ini diperlukan biaya sekitar 60 triliun dolar untuk memproduksi satu gram antimateri saja. Jadi sumber energi tradisional masih relevan untuk saat ini – namun penelitian perlu dilanjutkan. Apalagi, pada pergantian abad 20-21, para astronom dan astrofisikawan menemukan sumber antimateri di Alam Semesta. Secara khusus, data diperoleh tentang aliran nyata partikel elementer bermuatan positif (positron) yang bergerak di luar angkasa. Beberapa teori, yang kurang lebih didukung oleh penelitian praktis, telah muncul yang menjelaskan mekanisme pembentukan antipartikel dalam kondisi alam.
Penjelasan yang sangat populer adalah bahwa antipartikel terbentuk dalam medan gravitasi yang kuat di lubang hitam. Medan gravitasi ini berinteraksi dengan materi "biasa", dan sebagai hasil dari proses "pemrosesan" materi, diperoleh positron - partikel yang, di bawah pengaruh gravitasi, telah mengubah muatannya dari negatif menjadi positif. Konsep lain menunjuk pada unsur radioaktif yang terjadi secara alami, yang paling terkenal adalah supernova. Diasumsikan bahwa reaktor nuklir alami ini “menghasilkan” antipartikel sebagai produk sampingannya. Ada versi lain: misalnya, proses penggabungan dua bintang dapat disertai dengan pembentukan partikel dengan muatan yang berubah, atau sebaliknya, efek tersebut dapat menyebabkan kematian bintang.
Di mana menemukan antimateri merupakan teka-teki bagi para peneliti
Dengan demikian, keberadaan antimateri tidak dapat disangkal. Namun, seperti yang biasa terjadi ketika mempelajari rahasia Alam Semesta, muncul masalah mendasar yang belum mampu dipecahkan oleh ilmu pengetahuan pada tahap perkembangannya. Menurut prinsip simetri struktur Alam Semesta 
, dunia kita seharusnya mengandung jumlah materi yang kira-kira sama dengan antimateri, jumlah atom yang terdiri dari inti positif dan partikel bermuatan negatif sama banyaknya dengan atom dengan inti negatif dan partikel positif. Namun dalam praktiknya, tidak ada jejak akumulasi antimateri skala besar (para ahli teori bahkan memberikan nama untuk akumulasi tersebut - "antidunia") yang ditemukan saat ini.
Dalam pengamatan astronomi, antimateri terdeteksi dengan baik hanya karena radiasi gamma yang dipancarkan. Namun, orang-orang yang optimis tidak kehilangan harapan – dan memang demikian adanya.
Pertama, Bumi mungkin terletak di bagian “materi” Alam Semesta yang paling jauh dari separuh “antimateri”. Ini berarti bahwa intinya adalah perangkat observasi tidak cukup kuat dan canggih. Kedua, dari segi radiasi elektromagnetiknya, benda-benda yang terdiri dari materi dan antimateri tidak dapat dibedakan, oleh karena itu metode pengamatan optik tidak berguna di sini. Ketiga, teori kompromi belum ditolak - misalnya, bahwa Alam Semesta memiliki struktur seluler, di mana setiap sel terdiri dari setengah materi dan setengah antimateri.
Alexander Babitsky
