Antimateriālu sintēze. Tieši otrādi

ANTIMATERIJA, viela, kas sastāv no atomiem, kuru kodoliem ir negatīvs elektriskais lādiņš un kurus ieskauj pozitroni – elektroni ar pozitīvu elektrisko lādiņu. Parastā vielā, no kuras ir veidota apkārtējā pasaule, pozitīvi lādētus kodolus ieskauj negatīvi lādēti elektroni. Lai atšķirtu to no antimatērijas, parasto vielu dažreiz sauc par coinematter (no grieķu valodas. koinos- parasta). Taču krievu literatūrā šis termins praktiski netiek lietots. Jāuzsver, ka jēdziens “antimatērija” nav gluži pareizs, jo arī antimaterija ir matērija, tās veids. Antimatērijai ir tādas pašas inerciālās īpašības un tā rada tādu pašu gravitācijas pievilcību kā parastajai vielai.

Runājot par matēriju un antimatēriju, ir loģiski sākt ar elementārdaļiņām (subatomiskām). Katrai elementārdaļiņai ir antidaļiņa; abiem ir gandrīz vienādas īpašības, izņemot to, ka tiem ir pretējs elektriskais lādiņš. (Ja daļiņa ir neitrāla, tad arī antidaļiņa ir neitrāla, taču tās var atšķirties pēc citiem raksturlielumiem. Dažos gadījumos daļiņa un antidaļiņa ir viena otrai identiskas.) Tādējādi elektrons, negatīvi lādēta daļiņa, atbilst a. pozitrons, un protona antidaļiņa ar pozitīvu lādiņu ir negatīvi lādēts antiprotons. Pozitronu atklāja 1932. gadā, bet antiprotonu 1955. gadā; šīs bija pirmās atklātās antidaļiņas. Antidaļiņu esamību 1928. gadā, pamatojoties uz kvantu mehāniku, paredzēja angļu fiziķis P. Diraks.

Saduroties elektronam un pozitronam, tie anihilējas, t.i. abas daļiņas pazūd, un no to sadursmes vietas tiek izstaroti divi gamma stari. Ja sadursmes daļiņas pārvietojas ar mazu ātrumu, tad katra gamma kvanta enerģija ir 0,51 MeV. Šī enerģija ir elektrona "atpūtas enerģija" vai tā miera masa, kas izteikta enerģijas vienībās. Ja sadursmes daļiņas pārvietojas lielā ātrumā, tad gamma staru enerģija būs lielāka to kinētiskās enerģijas dēļ. Iznīcināšana notiek arī tad, kad protons saduras ar antiprotonu, taču process šajā gadījumā ir daudz sarežģītāks. Kā mijiedarbības starpprodukti dzimst vairākas īslaicīgas daļiņas; tomēr pēc dažām mikrosekundēm kā transformāciju galaprodukti paliek neitrīni, gamma stari un neliels skaits elektronu-pozitronu pāru. Šie pāri galu galā var iznīcināt, radot papildu gamma starus. Iznīcināšana notiek arī tad, kad antineutrons saduras ar neitronu vai protonu.

Tā kā antidaļiņas pastāv, rodas jautājums, vai no antidaļiņām var izveidot antikodolus. Parasto vielu atomu kodoli sastāv no protoniem un neitroniem. Vienkāršākais kodols ir parastā ūdeņraža izotopa kodols 1 H; tas apzīmē vienu protonu. Deitērija 2H kodols sastāv no viena protona un viena neitrona; to sauc par deuteronu. Vēl viens vienkārša kodola piemērs ir 3 He kodols, kas sastāv no diviem protoniem un viena neitrona. Antideuterons, kas sastāv no antiprotona un antineitrona, tika iegūts laboratorijā 1966. gadā; Anti-3He kodols, kas sastāv no diviem antiprotoniem un viena antineitrona, pirmo reizi tika iegūts 1970. gadā.

Saskaņā ar mūsdienu daļiņu fiziku ar atbilstošiem tehniskajiem līdzekļiem būtu iespējams iegūt visu parasto kodolu antikodolus. Ja šos antikodolus ieskauj atbilstošs pozitronu skaits, tad tie veido antiatomus. Antiatomiem būtu gandrīz tieši tādas pašas īpašības kā parastajiem atomiem; tie veidotu molekulas, no kurām varētu veidoties cietas vielas, šķidrumi un gāzes, tostarp organiskās vielas. Piemēram, divi antiprotoni un viens antiskābekļa kodols kopā ar astoņiem pozitroniem varētu veidot pretūdens molekulu, kas līdzīga parastajam ūdens H 2 O, kuras katra molekula sastāv no diviem ūdeņraža kodolu protoniem, viena skābekļa kodola un astoņiem elektroniem. Mūsdienu daļiņu teorija spēj paredzēt, ka antiūdens sasals 0°C, vārīsies 100°C un citādi uzvedīsies kā parasts ūdens. Turpinot šādu spriešanu, varam nonākt pie secinājuma, ka no antimatērijas uzbūvēta antipasaule būtu ārkārtīgi līdzīga parastajai pasaulei ap mums. Šis secinājums kalpo par sākumpunktu simetriskā Visuma teorijām, kas balstās uz pieņēmumu, ka Visums satur vienādu daudzumu parastās matērijas un antimatērijas. Mēs dzīvojam tajā daļā, kas sastāv no parastas matērijas.

Ja saskaras divi identiski pretēja veida vielu gabali, tad notiks elektronu iznīcināšana ar pozitroniem un kodolu ar antikodoli. Šajā gadījumā parādīsies gamma kvanti, pēc kuru parādīšanās var spriest par notiekošo. Tā kā Zeme pēc definīcijas sastāv no parastas vielas, tajā nav ievērojama daudzuma antimateriāla, izņemot niecīgo skaitu antidaļiņu, kas rodas lielos paātrinātājos un kosmiskajos staros. Tas pats attiecas uz visu Saules sistēmu.

Novērojumi liecina, ka mūsu galaktikā tiek ražots tikai ierobežots daudzums gamma starojuma. No tā vairāki pētnieki secina, ka tajā nav manāma daudzuma antimateriāla. Bet šis secinājums nav neapstrīdams. Pašlaik nav iespējams noteikt, piemēram, vai dotā tuvumā esošā zvaigzne sastāv no matērijas vai antimatērijas; antimatērijas zvaigzne izstaro tieši tādu pašu spektru kā parasta zvaigzne. Turklāt ir pilnīgi iespējams, ka retinātā matērija, kas aizpilda telpu ap zvaigzni un ir identiska pašas zvaigznes matērijai, ir atdalīta no apgabaliem, kas piepildīti ar pretējā tipa vielu - ļoti plāniem augstas temperatūras “Leidenfrosta slāņiem”. Tādējādi mēs varam runāt par starpzvaigžņu un starpgalaktiskās telpas “šūnu” struktūru, kurā katra šūna satur vielu vai antimateriālu. Šo hipotēzi apstiprina mūsdienu pētījumi, kas parāda, ka magnetosfērai un heliosfērai (starpplanētu telpai) ir šūnu struktūra. Šūnas ar dažādu magnetizāciju un dažkārt arī dažādu temperatūru un blīvumu atdala ar ļoti plāniem strāvas apvalkiem. Tas noved pie paradoksāla secinājuma, ka šie novērojumi nav pretrunā ar antimatērijas esamību pat mūsu Galaktikā.

Ja iepriekš nebija pārliecinošu argumentu par labu antimatērijas esamībai, tad tagad rentgenstaru un gamma staru astronomijas panākumi ir mainījuši situāciju. Ir novērotas parādības, kas saistītas ar milzīgu un bieži ļoti nesakārtotu enerģijas izdalīšanos. Visticamāk, šādas enerģijas atbrīvošanās avots bija iznīcināšana.

Zviedru fiziķis O. Kleins izstrādāja kosmoloģisko teoriju, kuras pamatā bija matērijas un antimatērijas simetrijas hipotēze, un nonāca pie secinājuma, ka iznīcināšanas procesiem ir izšķiroša nozīme Visuma evolūcijā un galaktiku struktūras veidošanā.

Kļūst arvien skaidrāks, ka galvenā alternatīvā teorija, "lielā sprādziena" teorija, ir nopietni pretrunā novērojumu datiem un "simetriskā kosmoloģija", visticamāk, tuvākajā nākotnē ieņems centrālo vietu kosmoloģisko problēmu risināšanā.

Antimateriāls ir matērija, kas sastāv tikai no antidaļiņām. Dabā katrai elementārdaļiņai ir antidaļiņa. Elektronam tas būs pozitrons, un pozitīvi lādētam protonam tas būs antiprotons. Parastās matērijas atomi - citādi to sauc monētas viela- sastāv no pozitīvi lādēta kodola, ap kuru pārvietojas elektroni. Un negatīvi lādētos antimateriālu atomu kodolus, savukārt, ieskauj antielektroni.

Spēki, kas nosaka vielas struktūru, ir vienādi gan daļiņām, gan antidaļiņām. Vienkārši sakot, daļiņas atšķiras tikai ar to lādiņa zīmi. Raksturīgi, ka “antimatērija” nav gluži pareizais nosaukums. Tas būtībā ir tikai vielas veids, kam ir tādas pašas īpašības un kas spēj radīt pievilcību.

Iznīcināšana

Faktiski tas ir pozitrona un elektrona sadursmes process. Tā rezultātā notiek abu daļiņu savstarpēja iznīcināšana (iznīcināšana), atbrīvojot milzīgu enerģiju. 1 grama antimatērijas iznīcināšana ir līdzvērtīga 10 kilotonu TNT lādiņa sprādzienam!

Sintēze

1995. gadā tika paziņots, ka ir sintezēti pirmie deviņi antiūdeņraža atomi. Viņi dzīvoja 40 nanosekundes un nomira, atbrīvojot enerģiju. Un jau 2002. gadā iegūto atomu skaits bija simtos. Bet visas iegūtās antidaļiņas varēja izdzīvot tikai nanosekundes. Notikumi mainījās līdz ar hadronu paātrinātāja palaišanu: viņiem izdevās sintezēt 38 antiūdeņraža atomus un noturēt tos veselu sekundi. Šajā laika posmā kļuva iespējams veikt dažus pētījumus par antimatērijas struktūru. Viņi iemācījās aizturēt daļiņas pēc īpašas magnētiskās lamatas izveidošanas. Lai sasniegtu vēlamo efektu, tiek izveidota ļoti zema temperatūra. Tiesa, šāds slazds ir ļoti apgrūtinoša, sarežģīta un dārga lieta.

S. Sņegova triloģijā “People Like Gods” iznīcināšanas process tiek izmantots starpgalaktiskiem lidojumiem. Romāna varoņi, to izmantojot, pārvērš zvaigznes un planētas putekļos. Bet mūsu laikos iegūt antimateriālu ir daudz grūtāk un dārgāk nekā pabarot cilvēci.

Cik maksā antimateriāls?

Vienam pozitronu miligramam vajadzētu maksāt 25 miljardus dolāru. Un par vienu gramu antiūdeņraža būs jāmaksā 62,5 triljoni dolāru.

Tik dāsns cilvēks vēl nav uzradies, lai varētu nopirkt kaut vienu simtdaļu grama. Par vienu miljardo daļu grama bija jāmaksā vairāki simti miljonu Šveices franku, lai iegūtu materiālu eksperimentālajam darbam par daļiņu un antidaļiņu sadursmi. Pagaidām dabā nav tādas vielas, kas būtu dārgāka par antimateriālu.

Bet ar jautājumu par antimatērijas svaru viss ir pavisam vienkārši. Tā kā tas atšķiras no parastās matērijas tikai ar lādiņu, visas pārējās īpašības ir vienādas. Izrādās, ka viens grams antimatērijas svērs tieši vienu gramu.

Antimatērijas pasaule

Ja mēs pieņemam par patiesību, ka tas bija, tad šī procesa rezultātā vajadzēja rasties vienādam daudzumam gan matērijas, gan antimatērijas. Tātad, kāpēc mēs nenovērojam no antimatērijas izgatavotus objektus mūsu tuvumā? Atbilde ir pavisam vienkārša: divi matērijas veidi nevar pastāvēt līdzās. Viņi noteikti iznīcinās viens otru. Visticamāk, ka pastāv galaktikas un pat visumi, kas veidoti no antimatērijas, un mēs pat redzam dažus no tiem. Bet no tiem izplūst tas pats starojums, no tiem nāk tāda pati gaisma kā no parastajām galaktikām. Tāpēc joprojām nav iespējams precīzi pateikt, vai antipasaule pastāv, vai arī šī ir skaista pasaka.

Vai tas ir bīstami?

Cilvēce daudzus noderīgus atklājumus ir pārvērtusi iznīcināšanas līdzekļos. Antimatērija šajā ziņā nevar būt izņēmums. Pagaidām nav iespējams iedomāties jaudīgāku ieroci par tādu, kas balstīts uz iznīcināšanas principu. Varbūt tas nav tik slikti, ka vēl nav iespējams iegūt un uzglabāt antimateriālu? Vai tas kļūs par liktenīgu zvanu, ko cilvēce dzirdēs savā pēdējā dienā?

Nesen ALICE sadarbības dalībnieki CERN mērīja antimateriālu kodolu masas ar rekordlielu precizitāti un pat novērtēja enerģiju, kas tajos saista antiprotonus ar antineitroniem. Līdz šim būtiska atšķirība starp šiem parametriem matērijā un antimateriālā nav konstatēta, taču tas nav galvenais. Svarīgi, ka tieši tagad, pēdējos gados, mērījumiem un novērojumiem kļūst pieejamas ne tikai antidaļiņas, bet arī antikodoli un pat antiatomi. Tas nozīmē, ka ir pienācis laiks izdomāt, kas ir antimateriāls un kādu vietu tās pētījumi ieņem mūsdienu fizikā.

Mēģināsim uzminēt dažus no jūsu pirmajiem jautājumiem par antimateriālu.

Vai tā ir taisnība, ka superjaudīgu bumbu var izgatavot, izmantojot antimateriālu? Vai ir iespējams, ka CERN patiešām tiek uzkrāta antimateriāla, kā parādīts filmā Eņģeļi un dēmoni, un ka tā ir ļoti bīstama? Vai tā ir taisnība, ka antimatērija būs ārkārtīgi efektīva degviela kosmosa ceļojumiem? Vai ir kāda patiesība idejai par pozitroniskām smadzenēm, ar kurām Īzaks Asimovs savos darbos apveltījis robotus?...

Nav noslēpums, ka lielākajai daļai cilvēku antimatērija asociējas ar kaut ko ārkārtīgi (sprādzienbīstamu) bīstamu, ar kaut ko aizdomīgu, ar kaut ko, kas aizrauj iztēli ar fantastiskiem solījumiem un milzīgiem riskiem – tāpēc arī tādi jautājumi. Atzīsim: fizikas likumi to visu tieši neaizliedz. Taču šo ideju īstenošana ir tik tālu no realitātes, no modernajām tehnoloģijām un no nākamo gadu desmitu tehnoloģijām, ka pragmatiskā atbilde ir vienkārša: nē, mūsdienu pasaulei tā nav taisnība. Sarunas par šīm tēmām ir vienkārši fantāzija, kas balstīta nevis uz reāliem zinātnes un tehnikas sasniegumiem, bet gan uz to ekstrapolāciju, kas tālu pārsniedz mūsdienu iespēju robežas. Ja vēlaties nopietni parunāt par šīm tēmām, nāciet tuvāk 2100. Pagaidām parunāsim par reāliem zinātniskiem pētījumiem par antimateriālu.

Kas ir antimatērija?

Mūsu pasaule ir veidota tā, lai katram daļiņu veidam - elektroni, protoni, neitroni utt. - ir antidaļiņas (pozitroni, antiprotoni, antineitroni). Tiem ir vienāda masa un, ja tie ir nestabili, arī pussabrukšanas laiks, bet pretēji lādiņi un citi mijiedarbību raksturojoši skaitļi. Pozitronu masa ir tāda pati kā elektroniem, bet tikai pozitīvs lādiņš. Antiprotoniem ir negatīvs lādiņš. Antineitroni ir elektriski neitrāli, tāpat kā neitroni, bet tiem ir pretējs barionu skaits un tie sastāv no antikvarkiem. Antikodolu var samontēt no antiprotoniem un antineutroniem. Pievienojot pozitronus, mēs veidojam antiatomus, un, tos akumulējot, iegūstam antimateriālu. Tas viss ir antimatērija.

Un šeit ir vairāki interesanti smalkumi, par kuriem ir vērts runāt. Pirmkārt, pati antidaļiņu esamība ir milzīgs teorētiskās fizikas triumfs. Šo nepārprotamo un dažiem pat šokējošo ideju teorētiski atvasināja Pols Diraks, un sākotnēji tā tika uztverta naidīgi. Turklāt pat pēc pozitronu atklāšanas daudzi joprojām šaubījās par antiprotonu esamību. Pirmkārt, viņi teica, ka Diraks nāca klajā ar savu teoriju, lai aprakstītu elektronu, un tas nav fakts, ka tā darbosies protonam. Piemēram, protona magnētiskais moments vairākas reizes atšķiras no Diraka teorijas prognozētā. Otrkārt, viņi ilgu laiku meklēja antiprotonu pēdas kosmiskajos staros, taču nekas netika atrasts. Treškārt, viņi strīdējās - burtiski atkārtojot mūsu vārdus -, ka, ja ir antiprotoni, tad ir jābūt antiatomiem, antizvaigznēm un antigalaktikām, un mēs tos noteikti pamanītu grandiozos kosmiskos sprādzienos. Tā kā mēs to neredzam, iespējams, tas ir tāpēc, ka antimateriāls neeksistē. Tāpēc eksperimentālais antiprotona atklājums 1955. gadā nesen palaistajā Bevatron paātrinātājā bija diezgan nenozīmīgs rezultāts, kam 1959. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. 1956. gadā antineitronu atklāja tajā pašā paātrinātājā. Stāsts par šiem meklējumiem, šaubām un sasniegumiem ir atrodams daudzās vēsturiskās esejās, piemēram, šajā ziņojumā vai Frenka Klouza nesenajā grāmatā Antimatter.

Tomēr atsevišķi jāsaka, ka veselīgas šaubas tīri teorētiskos apgalvojumos vienmēr ir noderīgas. Piemēram, apgalvojums, ka antidaļiņām ir tāda pati masa kā daļiņām, arī ir teorētisks rezultāts; tas izriet no ļoti svarīgas CPT teorēmas. Jā, mūsdienu, eksperimentāli pārbaudītā mikropasaules fizika ir balstīta uz šo apgalvojumu. Bet tā joprojām ir vienlīdzība: kas zina, varbūt tādā veidā mēs atradīsim teorijas pielietojamības robežas.

Vēl viena iezīme: ne visi mikropasaules spēki ir vienādi saistīti ar daļiņām un antidaļiņām. Elektromagnētiskai un spēcīgai mijiedarbībai starp tām nav atšķirības, vājām ir. Šī iemesla dēļ dažas smalkas daļiņu un antidaļiņu mijiedarbības detaļas atšķiras, piemēram, daļiņas A sabrukšanas varbūtība daļiņu B kopā un anti-A par anti-B kopu (lai iegūtu sīkāku informāciju par atšķirības, skatiet Pāvela Pahova kolekciju). Šī iezīme rodas tāpēc, ka vāja mijiedarbība izjauc mūsu pasaules CP simetriju. Bet kāpēc tas notiek, ir viens no elementārdaļiņu noslēpumiem, un tas prasa pārsniegt zināmās robežas.

Šeit ir vēl viens smalkums: dažām daļiņām ir tik maz īpašību, ka antidaļiņas un daļiņas nemaz neatšķiras viena no otras. Šādas daļiņas sauc par patiesi neitrālām. Tas ir fotons, Higsa bozons, neitrāli mezoni, kas sastāv no viena veida kvarkiem un antikvarkiem. Bet situācija ar neitrīniem joprojām ir neskaidra: varbūt tie ir patiesi neitrāli (Majorana), vai varbūt nē. Tas ir ļoti svarīgi teorijai, kas apraksta neitrīno masas un mijiedarbību. Atbilde uz šo jautājumu patiešām būs liels solis uz priekšu, jo tas palīdzēs mums izprast mūsu pasaules uzbūvi. Eksperiments par to vēl neko nepārprotamu nepateica. Taču neitrīno izpētes eksperimentālā programma ir tik spēcīga, tiek veikti tik daudz eksperimentu, ka fiziķi pamazām tuvojas risinājumam.

Kur ir šī antiviela?

Kad antidaļiņa satiekas ar savu daļiņu, tā iznīcinās: abas daļiņas pazūd un pārvēršas fotonu vai vieglāku daļiņu komplektā. Visa atpūtas enerģija pārvēršas šī mikrosprādziena enerģijā. Šī ir visefektīvākā masas pārvēršana siltumenerģijā, simtiem reižu efektīvāka nekā kodolsprādziens. Bet mēs neredzam nekādus grandiozu dabas sprādzienus sev apkārt; Antimateriāls dabā nepastāv ievērojamos daudzumos. Tomēr atsevišķas antidaļiņas var rasties dažādos dabiskos procesos.

Vienkāršākais veids ir izveidot pozitronus. Vienkāršākā iespēja ir radioaktivitāte, dažu kodolu sabrukšana pozitīvas beta radioaktivitātes dēļ. Piemēram, eksperimentos kā pozitronu avots bieži tiek izmantots nātrija izotops-22, kura pussabrukšanas periods ir divarpus gadi. Vēl viens diezgan negaidīts dabisks avots ir, kura laikā dažkārt tiek konstatēti pozitronu iznīcināšanas radītā gamma starojuma uzplaiksnījumi, kas nozīmē, ka pozitroni kaut kā tur ir dzimuši.

Ir grūtāk izveidot antiprotonus un citas antidaļiņas: tam nav pietiekami daudz radioaktīvās sabrukšanas enerģijas. Dabā tie dzimst augstas enerģijas kosmisko staru ietekmē: kosmiskais protons, saduroties ar kādu molekulu atmosfēras augšējos slāņos, ģenerē daļiņu un antidaļiņu plūsmas. Tomēr tas notiek tur augšā, antiprotoni gandrīz nekad nesasniedz zemi (kas nebija zināms tiem, kuri 40. gados meklēja antiprotonus kosmiskajos staros), un jūs nevarat ienest šo antiprotonu avotu laboratorijā.

Visos fizikas eksperimentos antiprotoni tiek ražoti ar “brutālu spēku”: tie ņem augstas enerģijas protonu staru kūli, novirza to uz mērķi un sašķiro “hadronu lūžņus”, kas šajā sadursmē rodas lielos daudzumos. Sašķirotie antiprotoni tiek izvadīti stara veidā, un pēc tam tos vai nu paātrina līdz lielām enerģijām, lai tie sadurtos ar protoniem (tā darbojās, piemēram, amerikāņu Tevatron koliders), vai, gluži pretēji, tie tiek palēnināti un izmanto smalkākiem mērījumiem.

CERN, kas var pamatoti lepoties ar ilgu antimateriālu izpētes vēsturi, ir īpašs “paātrinātājs” AD, “Antiproton Moderator”, kas veic tieši šo uzdevumu. Tas paņem antiprotonu staru kūli, tos atdzesē (t.i., palēnina) un pēc tam sadala lēno antiprotonu plūsmu vairākos īpašos eksperimentos. Starp citu, ja vēlaties apskatīt AD stāvokli reāllaikā, tad Cernov tiešsaistes monitori to atļauj.

Jau tagad ir ļoti grūti sintezēt antiatomus, pat visvienkāršākos, antiūdeņraža atomus. Dabā tie nemaz nerodas – nav piemērotu apstākļu. Pat laboratorijā ir jāpārvar daudzas tehniskas grūtības, pirms antiprotoni sāk apvienoties ar pozitroniem. Problēma ir tā, ka no avotiem emitētie antiprotoni un pozitroni joprojām ir pārāk karsti; tie vienkārši sadursies viens ar otru un izlidos, nevis veidos antiatomu. Fiziķi joprojām pārvar šīs grūtības, taču ar diezgan viltīgām metodēm (kā tas tiek darīts vienā no ASACUSA Cern eksperimentiem).

Kas ir zināms par antikodoli?

Visi cilvēces antiatomiskie sasniegumi attiecas tikai uz antiūdeņradi. Citu elementu antiatomi vēl nav sintezēti laboratorijā vai novēroti dabā. Iemesls ir vienkāršs: antikodolus ir vēl grūtāk izveidot nekā antiprotonus.

Vienīgais veids, kā mēs zinām, kā radīt antikodolus, ir sadurties ar smago augstas enerģijas kodolu un redzēt, kas tur notiek. Ja sadursmes enerģija ir augsta, dzims tūkstošiem daļiņu, ieskaitot antiprotonus un antineitronus, kas izkliedēsies visos virzienos. Antiprotoni un antineitroni, kas nejauši izstaroti vienā virzienā, var apvienoties viens ar otru, veidojot pretkodolu.

ALICE detektors var atšķirt dažādus kodolus un antikodolus, pamatojoties uz to enerģijas izdalīšanos un pagrieziena virzienu magnētiskajā laukā.

Attēls: CERN

Metode ir vienkārša, bet ne pārāk neefektīva: iespēja sintezēt kodolu šādā veidā strauji samazinās, palielinoties nukleonu skaitam. Vieglākie antikodoli, antideuteroni, pirmo reizi tika novēroti tieši pirms pusgadsimta. Antihēlijs-3 tika novērots 1971. gadā. Ir zināmi arī antitritons un antihēlijs-4, pēdējais tika atklāts pavisam nesen, 2011. gadā. Smagāki antikodoli vēl nav novēroti.

Divi parametri, kas apraksta nukleonu un nukleonu mijiedarbību (izkliedes garums f0 un efektīvais rādiuss d0) dažādiem daļiņu pāriem. Sarkanā zvaigznīte ir rezultāts antiprotonu pārim, kas iegūts, sadarbojoties STAR.

Diemžēl jūs nevarat izveidot antiatomus šādā veidā. Antikodoli ne tikai rodas reti, bet arī tiem ir pārāk daudz enerģijas un izlido uz visām pusēm. Mēģināt tos noķert pie sadursmes un pēc tam izvadīt pa īpašu kanālu un atdzesēt ir nereāli.

Tomēr dažreiz pietiek rūpīgi izsekot antikodoli lidojuma laikā, lai iegūtu kādu interesantu informāciju par antinukleārajiem spēkiem, kas darbojas starp antinukleoniem. Vienkāršākais ir rūpīgi izmērīt antikodolu masu, salīdzināt to ar antiprotonu un antineitronu masu summu un aprēķināt masas defektu, t.i. kodolenerģija. Tas nesen darbojas Lielajā hadronu paātrinātājā; Antideuterona un antihēlija-3 saistīšanās enerģija kļūdas robežās sakrita ar parastajiem kodoliem.

Vēl viens, smalkāks efekts tika pētīts STAR eksperimentā Amerikas smago jonu paātrinātājā RHIC. Viņš izmērīja saražoto antiprotonu leņķisko sadalījumu un noskaidroja, kā tas mainās, ja divi antiprotoni tiek emitēti ļoti tuvu virzienā. Korelācijas starp antiprotoniem ļāva pirmo reizi izmērīt starp tiem iedarbojošo “pretkodolu” spēku īpašības (izkliedes garums un efektīvais mijiedarbības rādiuss); tie sakrita ar to, kas ir zināms par protonu mijiedarbību.

Vai kosmosā ir antimateriāls?

Kad Pols Diraks no savas teorijas secināja pozitronu esamību, viņš pilnībā pieņēma, ka kaut kur kosmosā varētu pastāvēt īstas antipasaules. Tagad mēs zinām, ka Visuma redzamajā daļā nav zvaigžņu, planētu vai galaktiku, kas veidotas no antimatērijas. Lieta nav pat tajā, ka iznīcināšanas sprādzieni nav redzami; Tas ir vienkārši pilnīgi neiedomājami, kā viņi kādreiz varēja veidoties un izdzīvot līdz mūsdienām visumā, kas pastāvīgi attīstās.

Taču jautājums “kā tas notika” ir vēl viens milzīgs mūsdienu fizikas noslēpums; zinātniskajā valodā to sauc par barioģenēzes problēmu. Saskaņā ar pasaules kosmoloģisko ainu, senākajā Visumā bija vienāds skaits daļiņu un antidaļiņu. Tad CP simetrijas un bariona skaitļa pārkāpuma dēļ dinamiski attīstošā Visumā bija jāparādās nelielam, vienas miljarddaļas līmenī, matērijas pārsniegumam pār antimateriālu. Visumam atdziestot, visas antidaļiņas atlaidās ar daļiņām; izdzīvoja tikai šis vielas pārpalikums, kas radīja mūsu novēroto Visumu. Tieši viņa dēļ tajā vismaz kaut kas interesants paliek, pateicoties viņam mēs vispār eksistējam. Kā tieši šī asimetrija radās, nav zināms. Ir daudz teoriju, taču nav zināms, kura no tām ir patiesa. Ir tikai skaidrs, ka tai noteikti ir jābūt kaut kādai jaunai fizikai, teorijai, kas pārsniedz standarta modeli, pārsniedz eksperimentāli pārbaudītā robežas.

Trīs iespējas, no kurienes var rasties antidaļiņas augstas enerģijas kosmiskajos staros: 1 - tās var vienkārši rasties un paātrināties “kosmiskajā paātrinātājā”, piemēram, pulsārā; 2 - tie var piedzimt parasto kosmisko staru sadursmē ar starpzvaigžņu vides atomiem; 3 - tie var rasties smago tumšās vielas daļiņu sabrukšanas laikā.

Lai gan nav planētu vai zvaigžņu, kas veidotu no antimatērijas, antimatērija joprojām atrodas kosmosā. Dažādu enerģiju pozitronu un antiprotonu plūsmas fiksē satelītu kosmisko staru observatorijas, piemēram, PAMELA, Fermi, AMS-02. Tas, ka pozitroni un antiprotoni nonāk pie mums no kosmosa, nozīmē, ka tie ir dzimuši kaut kur ārpusē. Augstas enerģijas procesi, kas tos var radīt, principā ir zināmi: tie ir ļoti magnetizēti neitronu zvaigžņu apkaimes, dažādi sprādzieni, kosmisko staru paātrinājums triecienviļņu frontēs starpzvaigžņu vidē utt. Jautājums ir par to, vai tie var izskaidrot visas novērotās kosmisko antidaļiņu plūsmas īpašības. Ja izrādīsies, ka nē, tas būs pierādījums tam, ka daži no tiem rodas tumšās vielas daļiņu sabrukšanas vai iznīcināšanas rezultātā.

Šeit ir arī kāds noslēpums. 2008. gadā PAMELA observatorija atklāja aizdomīgi lielu skaitu augstas enerģijas pozitronu, salīdzinot ar teorētiskās modelēšanas prognozēto. Šos rezultātus nesen apstiprināja AMS-02 instalācija - viens no Starptautiskās kosmosa stacijas moduļiem un vispār lielākais elementārdaļiņu detektors, kas palaists kosmosā (un samontēts, uzmini, kur? - pareizi, CERN). Šis pozitronu pārpalikums aizrauj teorētiķu prātus - galu galā par to var būt atbildīgi nevis “garlaicīgi” astrofiziski objekti, bet gan smagās tumšās vielas daļiņas, kas sadalās vai iznīcinās elektronos un pozitronos. Šeit vēl nav skaidrības, taču AMS-02 instalācija, kā arī daudzi kritiski fiziķi ļoti rūpīgi pēta šo parādību.

Antiprotonu un protonu attiecība dažādu enerģiju kosmiskajos staros. Punkti ir eksperimentāli dati, daudzkrāsainās līknes ir astrofiziskas cerības ar dažādām kļūdām.

Attēls: Kornela universitātes bibliotēka

Situācija ar antiprotoniem arī nav skaidra. Šī gada aprīlī AMS-02 īpašā zinātniskā konferencē prezentēja jauna pētījumu cikla provizoriskos rezultātus. Galvenais ziņojuma akcents bija apgalvojums, ka AMS-02 redz pārāk daudz augstas enerģijas antiprotonu, un tas varētu būt arī mājiens uz tumšās vielas daļiņu sabrukšanu. Tomēr citi fiziķi nepiekrīt tik jautram secinājumam. Tagad tiek uzskatīts, ka AMS-02 antiprotonu datus ar zināmu stiepšanos var izskaidrot ar parastiem astrofiziskiem avotiem. Vienā vai otrā veidā visi ar nepacietību gaida jaunos pozitronu un antiprotonu datus no AMS-02.

AMS-02 jau ir atklājis miljoniem pozitronu un ceturtdaļmiljonu antiprotonu. Taču šīs instalācijas veidotājiem ir gaišs sapnis – noķert vismaz vienu pretkodolu. Tā būs īsta sensācija – ir pilnīgi neticami, ka kaut kur kosmosā piedzimtu antikodoli un lidotu pie mums. Pagaidām šāds gadījums nav atklāts, taču datu vākšana turpinās, un, kas zina, kādus pārsteigumus daba mums sagādājusi.

Antimatērija – antigravitācija? Kā viņa vispār jūt gravitāciju?

Ja paļaujamies tikai uz eksperimentāli pārbaudītu fiziku un neiedziļināmies eksotiskās, vēl neapstiprinātās teorijās, tad gravitācijai uz antimateriālu būtu jāiedarbojas tieši tāpat kā uz matēriju. Nav sagaidāma antigravitācija antimatērijai. Ja atļaujamies paskatīties nedaudz tālāk, aiz zināmā robežām, tad tīri teorētiski iespējamie varianti ir tad, kad papildus ierastajam universālajam gravitācijas spēkam ir kaut kas papildus, kas uz vielu un antimateriālu iedarbojas atšķirīgi. Neatkarīgi no tā, cik iluzora šī iespēja šķistu, tā ir jāpārbauda eksperimentāli, un šim nolūkam ir jāveic eksperimenti, lai pārbaudītu, kā antimatērija izjūt zemes gravitāciju.

Ilgu laiku to nebija īsti iespējams izdarīt tā vienkāršā iemesla dēļ, ka šim nolūkam ir nepieciešams izveidot atsevišķus antimateriālus, tos notvert un veikt ar tiem eksperimentus. Tagad mēs esam iemācījušies, kā to izdarīt, tāpēc ilgi gaidītais pārbaudījums ir tepat aiz stūra.

Galvenais rezultātu piegādātājs ir tas pats CERN ar savu plašo programmu antimatērijas izpētei. Daži no šiem eksperimentiem jau ir netieši apstiprinājuši, ka antimateriāla gravitācija ir laba. Piemēram, viņš atklāja, ka antiprotona (inertā) masa ļoti precīzi sakrīt ar protona masu. Ja gravitācija uz antiprotoniem būtu iedarbojusies savādāk, fiziķi būtu pamanījuši atšķirību – galu galā salīdzinājums tika veikts tajā pašā instalācijā un tādos pašos apstākļos. Šī eksperimenta rezultāts: gravitācijas ietekme uz antiprotoniem sakrīt ar ietekmi uz protoniem ar precizitāti, kas ir labāka par vienu miljono daļu.

Tomēr šis mērījums ir netiešs. Lai būtu pārliecinošāk, es vēlētos veikt tiešu eksperimentu: paņemt vairākus antimateriālus atomus, nomest tos un redzēt, kā tie nokrīt gravitācijas laukā. Šādi eksperimenti tiek veikti vai sagatavoti arī CERN. Pirmais mēģinājums nebija īpaši iespaidīgs. 2013. gadā ALPHA eksperiments, kas līdz tam jau bija iemācījies noturēt antiūdeņraža mākoni savā slazdā, mēģināja noteikt, kur antiatomi nokristu, ja slazds tiktu izslēgts. Diemžēl eksperimenta zemās jutības dēļ viennozīmīgu atbildi iegūt neizdevās: bija pagājis pārāk maz laika, antiatomi slazdā steidzās šurpu turpu, šur tur gadījās iznīcināšanas uzliesmojumi.

Divi citi Cern eksperimenti sola radikāli uzlabot situāciju: GBAR un AEGIS. Abos šajos eksperimentos dažādos veidos tiks pārbaudīts, kā gravitācijas laukā nokrīt īpaši auksta antiūdeņraža mākonis. To paredzamā precizitāte, mērot gravitācijas paātrinājumu antimateriālam, ir aptuveni 1%. Abas instalācijas pašlaik atrodas montāžas un atkļūdošanas stadijā, un galvenie pētījumi sāksies 2017. gadā, kad AD antiprotonu moderators tiks papildināts ar jauno ELENA uzglabāšanas gredzenu.

Pozitronu uzvedības varianti cietā vielā.

Attēls: nature.com

Kas notiek, ja pozitrons iekļūst matērijā?

Molekulārā pozitronija veidošanās uz kvarca virsmas.

Attēls: Clifford M. Surko / Atomfizika: antimateriālu zupas dvesma

Ja esat izlasījis tik tālu, jūs jau ļoti labi zināt, ka, tiklīdz antimatērijas daļiņa nonāk parastajā matērijā, notiek iznīcināšana: daļiņas un antidaļiņas pazūd un pārvēršas starojumā. Bet cik ātri tas notiek? Iedomāsimies pozitronu, kas lidoja no vakuuma un iekļuva cietā vielā. Vai tas iznīcinās, saskaroties ar pirmo atomu? Nemaz nav vajadzīgs! Elektrona un pozitrona iznīcināšana nav momentāns process; tas prasa ilgu laiku uz atomu mērogiem. Tāpēc pozitronam izdodas dzīvot gaišu dzīvi matērijā, pilnu ar nenozīmīgiem notikumiem.

Pirmkārt, pozitrons var uzņemt bezsaimnieka elektronu un izveidot saistītu stāvokli, pozitroniju (Ps). Ja ir piemērota griešanās orientācija, pozitronijs var dzīvot desmitiem nanosekunžu pirms iznīcināšanas. Atrodoties cietā vielā, šajā laikā tam būs laiks sadurties ar atomiem miljoniem reižu, jo pozitronija termiskais ātrums istabas temperatūrā ir aptuveni 25 km/sek.

Otrkārt, dreifējot vielā, pozitronijs var nonākt uz virsmas un tur pielipt - tas ir pozitronisks (vai drīzāk, pozitronija) atomu adsorbcijas analogs. Istabas temperatūrā tas nesēž vienā vietā, bet aktīvi pārvietojas pa virsmu. Un, ja tā nav ārējā virsma, bet nanometra izmēra poras, tad pozitronijs tajā ilgstoši tiek iesprostots.

Tālāk vairāk. Šādu eksperimentu standarta materiālā, porainajā kvarcā, poras nav izolētas, bet ir savienotas ar nanokanāliem kopējā tīklā. Siltam pozitronijam, kas rāpo pa virsmu, būs laiks pārbaudīt simtiem poru. Un tā kā šādos eksperimentos veidojas daudz pozitronija un gandrīz visi izrāpjas ārā porās, tad agri vai vēlu tie saduras viens ar otru un, mijiedarbojoties, dažkārt veido īstas molekulas – molekulāro pozitroniju, Ps 2. Tad var izpētīt, kā uzvedas pozitronija gāze, kādi ir pozitronija ierosinātie stāvokļi utt. Un nedomājiet, ka tie ir tīri teorētiski apsvērumi; Visi šie efekti jau ir pārbaudīti un pētīti eksperimentāli.

Vai antimatērijai ir praktisks pielietojums?

Protams. Kopumā jebkurš fizisks process, ja tas mums paver kādu jaunu mūsu pasaules šķautni un neprasa nekādas papildu izmaksas, noteikti atradīs praktisku pielietojumu. Turklāt tādi pielietojumi, kādus mēs paši nebūtu iedomājušies, ja nebūtu atklājuši un vispirms pētījuši šīs parādības zinātnisko pusi.

Vispazīstamākais antidaļiņu pielietojums ir PET, pozitronu emisijas tomogrāfija. Kopumā kodolfizikai ir iespaidīgi medicīnisko lietojumu rezultāti, un arī antidaļiņas šeit nav dīkā. Izmantojot PET, pacienta ķermenī tiek ievadīta neliela zāļu deva, kas satur nestabilu izotopu ar īsu kalpošanas laiku (minūtes līdz stundas) un sadalās pozitīvas beta sabrukšanas dēļ. Zāles uzkrājas vajadzīgajos audos, kodoli sadalās un izdala pozitronus, kas iznīcina tuvumā un rada divus noteiktas enerģijas gamma kvantus. Detektors tos reģistrē, nosaka ierašanās virzienu un laiku, kā arī atjauno vietu, kur notika sabrukšana. Tas dod iespēju izveidot trīsdimensiju matērijas sadalījuma karti ar augstu telpisko izšķirtspēju un ar minimālu starojuma devu.

Pozitronus var izmantot arī materiālu zinātnē, piemēram, lai izmērītu vielas porainību. Ja viela ir nepārtraukta, tad vielā pietiekamā dziļumā iestrēgušie pozitroni diezgan ātri anihilējas un izstaro gamma starus. Ja vielas iekšpusē ir nanoporas, iznīcināšana tiek aizkavēta, jo pozitronijs pielīp pie poru virsmas. Izmērot šo aizkavi, ir iespējams noteikt vielas nanoporozitātes pakāpi, izmantojot bezkontakta un nesagraujošu metodi. Šo paņēmienu ilustrē nesenais darbs par to, kā nanoporas parādās un aizveras plānākajā ledus slānī, kad uz virsmas tiek nogulsnēti tvaiki. Līdzīga pieeja darbojas arī, pētot pusvadītāju kristālu strukturālos defektus, piemēram, vakances un dislokācijas, un ļauj izmērīt materiāla strukturālo nogurumu.

Antiprotoniem var būt arī medicīnisks pielietojums. Tagad tajā pašā CERN tiek veikts ACE eksperiments, kas pēta antiprotonu staru ietekmi uz dzīvām šūnām. Tās mērķis ir izpētīt antiprotonu izmantošanas izredzes vēža terapijā.

Jonu staru un rentgenstaru enerģijas izdalīšanās, ejot cauri vielai.

Attēls: Johanness Gutlebers/CERN

Šī doma lasītāju var nobiedēt aiz ieraduma: kā tas var būt, ka antiprotonu stars ietriecas dzīvā cilvēkā?! Jā, un tas ir daudz drošāk nekā dziļa audzēja apstarošana ar rentgena stariem! Īpaši atlasītas enerģijas antiprotonu stars ķirurga rokās kļūst par efektīvu instrumentu, ar kuru iespējams izdedzināt audzējus dziļi ķermeņa iekšienē un samazināt ietekmi uz apkārtējiem audiem. Atšķirībā no rentgena stariem, kas sadedzina visu, kas nokrīt zem stara, smagas lādētas daļiņas ceļā cauri matērijai atbrīvo lielāko daļu savas enerģijas pēdējos centimetros pirms apstāšanās. Regulējot daļiņu enerģiju, jūs varat mainīt dziļumu, kurā daļiņas apstājas; Tieši šis reģions, kura izmērs ir milimetri, būs tas, kas nesīs galveno radiācijas ietekmi.

Šāda veida protonu staru terapija jau sen ir izmantota daudzās labi aprīkotās klīnikās visā pasaulē. Nesen daži no viņiem ir pārgājuši uz jonu terapiju, kurā izmanto oglekļa jonu staru kūli, nevis protonus. Viņiem enerģijas izdalīšanas profils ir vēl kontrastējošāks, kas nozīmē, ka palielinās pāra “ārstnieciskie efekti pret blakusparādībām” efektivitāte. Bet šim nolūkam jau sen ir ierosināts izmēģināt antiprotonus. Galu galā, nonākot vielā, viņi ne tikai atsakās no kinētiskās enerģijas, bet arī iznīcina pēc apstāšanās - un tas vairākas reizes palielina enerģijas izdalīšanos. Kur šī papildu enerģija tiek noglabāta, ir sarežģīts jautājums, un tas ir rūpīgi jāizpēta pirms klīnisko pētījumu uzsākšanas.

Tieši to dara ACE eksperiments. Tajā pētnieki izlaiž antiprotonu staru cauri kiveti, kurā ir baktēriju kultūra, un mēra to izdzīvošanu atkarībā no atrašanās vietas, staru kūļa parametriem un vides fiziskajām īpašībām. Šī metodiskā un, iespējams, garlaicīgā tehnisko datu apkopošana ir svarīgs jebkuras jaunas tehnoloģijas sākuma posms.

Igors Ivanovs

Zināšanu ekoloģija: antimateriāls jau sen ir bijis zinātniskās fantastikas priekšmets. Grāmatā un filmā Eņģeļi un dēmoni profesors Lengdons mēģina glābt Vatikānu no antimatērijas bumbas. Star Trek zvaigžņu kuģis Enterprise izmanto dzinēju, kura pamatā ir

Antimatērija jau sen ir bijusi zinātniskās fantastikas priekšmets. Grāmatā un filmā Eņģeļi un dēmoni profesors Lengdons mēģina glābt Vatikānu no antimatērijas bumbas. Star Trek's Starship Enterprise izmanto iznīcinošu antimateriālu dzinējspēku, lai pārvietotos ātrāk par gaismas ātrumu. Bet antimateriāls ir arī mūsu realitātes objekts. Antimatērijas daļiņas ir praktiski identiskas to materiālajiem partneriem, izņemot to, ka tām ir pretējs lādiņš un griešanās. Kad antimatērija satiekas ar matēriju, tās acumirklī iznīcinās enerģijā, un tā vairs nav fikcija.

Lai gan antimatērijas bumbas un kuģi, kas darbina vienu un to pašu degvielu, vēl nav praktiskas iespējas, ir daudz faktu par antimateriālu, kas jūs pārsteigs vai atsvaidzinās atmiņu par to, ko jau zinājāt.

1. Antimatērijai pēc Lielā sprādziena vajadzēja iznīcināt visu matēriju Visumā

Saskaņā ar teoriju Lielais sprādziens radīja matēriju un antimateriālu vienādos daudzumos. Kad viņi satiekas, notiek savstarpēja iznīcināšana, iznīcināšana, un paliek tikai tīra enerģija. Pamatojoties uz to, mums nevajadzētu pastāvēt.

Bet mēs eksistējam. Un, cik fiziķi zina, tas ir tāpēc, ka uz katriem miljarda matērijas-antimatērijas pāru bija viena papildu matērijas daļiņa. Fiziķi cenšas visu iespējamo, lai izskaidrotu šo asimetriju.

2. Antimatērija jums ir tuvāk, nekā jūs domājat

Neliels daudzums antimatērijas pastāvīgi nolīst uz Zemes kosmisko staru, enerģētisko daļiņu veidā no kosmosa. Šīs antimatērijas daļiņas sasniedz mūsu atmosfēru līmenī, kas svārstās no viena līdz vairāk nekā simtam uz kvadrātmetru. Zinātniekiem ir arī pierādījumi, ka pērkona negaisa laikā rodas antimateriāls.

Ir arī citi antimatērijas avoti, kas mums ir tuvāki. Piemēram, banāni ražo antimateriālu, aptuveni reizi 75 minūtēs izstarojot vienu pozitronu — elektrona antimatērijas ekvivalentu. Tas ir tāpēc, ka banāni satur nelielu daudzumu kālija-40, kas ir dabiski sastopams kālija izotops. Kālija-40 sabrukšana dažkārt rada pozitronu.

Mūsu ķermeņi satur arī kāliju-40, kas nozīmē, ka jūs izstaro arī pozitronus. Antimateriāls iznīcinās uzreiz, nonākot saskarē ar matēriju, tāpēc šīs antimatērijas daļiņas neiztur ļoti ilgi.

3. Cilvēkiem izdevās izveidot ļoti maz antimatērijas

Antimatērijas un matērijas iznīcināšana var atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu. Grams antimatērijas var radīt sprādzienu kodolbumbas lielumā. Taču cilvēki nav radījuši daudz antimatērijas, tāpēc nav no kā baidīties.

Visi antiprotoni, kas izveidoti Fermilab Tevatron daļiņu paātrinātājā, būtu tikko mērīti 15 nanogramus. CERN līdz šim ir saražojis tikai aptuveni 1 nanogramu. DESY Vācijā - ne vairāk kā 2 nanogrami pozitronu.

Ja visa cilvēku radītā antiviela tiktu iznīcināta uzreiz, tās enerģijas nepietiktu pat tējas tases uzvārīšanai.

Problēma ir saistīta ar antimateriāla ražošanas un uzglabāšanas efektivitāti un izmaksām. Lai izveidotu 1 gramu antimatērijas, ir nepieciešami aptuveni 25 miljoni miljardu kilovatstundu enerģijas un tas maksā vairāk nekā miljonu miljardu dolāru. Nav pārsteidzoši, ka antimateriāls dažkārt ir iekļauts desmit dārgāko vielu sarakstā mūsu pasaulē.

4. Ir tāda lieta kā antimatērijas slazds

Lai pētītu antimatēriju, jums ir jānovērš tās iznīcināšana ar matēriju. Zinātnieki ir atraduši vairākus veidus, kā to izdarīt.

Uzlādētas antimateriālas daļiņas, piemēram, pozitronus un antiprotonus, var uzglabāt tā sauktajos Peninga slazdos. Tie ir kā sīki daļiņu paātrinātāji. To iekšpusē daļiņas pārvietojas pa spirāli, savukārt magnētiskie un elektriskie lauki neļauj tām sadurties ar slazda sienām.

Tomēr Penninga slazdi nedarbojas neitrālām daļiņām, piemēram, antiūdeņradim. Tā kā tām nav lādiņa, šīs daļiņas nevar ierobežot elektriskie lauki. Tie tiek turēti Ioffe slazdos, kas darbojas, izveidojot telpas reģionu, kurā magnētiskais lauks kļūst spēcīgāks visos virzienos. Antimatērijas daļiņas iestrēgst reģionā ar vājāko magnētisko lauku.

Zemes magnētiskais lauks var darboties kā antimatērijas lamatas. Antiprotoni tika atrasti noteiktās zonās ap Zemi - Van Alena starojuma joslās.

5. Antimatērija var nokrist (burtiski)

Vielas un antimateriālas daļiņām ir vienāda masa, taču tās atšķiras pēc tādām īpašībām kā elektriskais lādiņš un griešanās. Standarta modelis paredz, ka gravitācijai vajadzētu vienlīdz ietekmēt matēriju un antimateriālu, taču tas vēl ir skaidri redzams. Pie tā strādā tādi eksperimenti kā AEGIS, ALPHA un GBAR.

Novērot gravitācijas efektu antimatērijā nav tik vienkārši, kā skatīties, kā ābols nokrīt no koka. Šie eksperimenti prasa noturēt antimateriālu vai palēnināt to, atdzesējot līdz temperatūrai, kas ir nedaudz virs absolūtās nulles. Un tā kā gravitācija ir vājākais no pamatspēkiem, fiziķiem šajos eksperimentos ir jāizmanto neitrālas antimateriālas daļiņas, lai novērstu mijiedarbību ar jaudīgāko elektrības spēku.

6. Antimateriāls tiek pētīts daļiņu moderatoros

Vai esat dzirdējuši par daļiņu paātrinātājiem un vai esat dzirdējuši par daļiņu moderatoriem? CERN ir iekārta ar nosaukumu Antiproton Decelerator, kas notver un palēnina antiprotonus gredzenā, lai izpētītu to īpašības un uzvedību.

Gredzenveida daļiņu paātrinātājos, piemēram, lielajā hadronu paātrinātājā, daļiņas saņem enerģisku stimulu katru reizi, kad tās veic apli. Moderatori darbojas pretēji: tā vietā, lai paātrinātu daļiņas, tās tiek stumtas pretējā virzienā.

7. Neitrīni varētu būt viņu pašu antidaļiņas

Matērijas daļiņai un tās pretmatērijas partnerim ir pretējs lādiņš, tāpēc tos ir viegli atšķirt. Neitrīniem, gandrīz bezmasas daļiņām, kas reti mijiedarbojas ar vielu, nav lādiņa. Zinātnieki domā, ka tās varētu būt Majorana daļiņas, hipotētiska daļiņu klase, kas ir viņu pašu antidaļiņas.

Tādu projektu kā Majorana Demonstrator un EXO-200 mērķis ir noteikt, vai neitrīno patiešām ir Majorana daļiņas, novērojot tā saukto bez neitrīno dubultās beta sabrukšanas uzvedību.

Daži radioaktīvie kodoli sadalās vienlaikus, izstarojot divus elektronus un divus neitrīno. Ja neitrīno būtu viņu pašu antidaļiņas, tie iznīcinātos pēc dubultās sabrukšanas, atstājot zinātniekiem tikai elektronus, ko novērot.

Majoranas neitrīno meklēšana varētu palīdzēt izskaidrot, kāpēc pastāv matērijas un antimatērijas asimetrija. Fiziķi norāda, ka Majorana neitrīno var būt gan smagi, gan viegli. Vieglie eksistē mūsdienās, bet smagie pastāvēja uzreiz pēc Lielā sprādziena. Smagie Majorānas neitrīno sadalījās asimetriski, kā rezultātā parādījās neliels daudzums vielas, kas piepildīja mūsu Visumu.

8. Antimateriālu izmanto medicīnā

PET, PET (pozitronu emisijas topogrāfija) izmanto pozitronus, lai iegūtu augstas izšķirtspējas ķermeņa attēlus. Pozitronus izstarojošie radioaktīvie izotopi (piemēram, tie, kas atrodami banānos) saistās ar tādām ķīmiskām vielām kā glikoze, kas atrodas organismā. Tie tiek ievadīti asinsritē, kur tie dabiski sadalās, izdalot pozitronus. Tie, savukārt, satiekas ar ķermeņa elektroniem un iznīcina. Iznīcināšana rada gamma starus, ko izmanto attēlu konstruēšanai.

CERN ACE projekta zinātnieki pēta antimateriālu kā potenciālu kandidātu vēža ārstēšanai. Ārsti jau ir atklājuši, ka viņi var novirzīt daļiņu starus uz audzējiem, atbrīvojot savu enerģiju tikai pēc tam, kad tie ir droši izgājuši cauri veseliem audiem. Antiprotonu izmantošana pievienos papildu enerģijas uzliesmojumu. Šis paņēmiens ir atzīts par efektīvu kāmju ārstēšanā, taču tas vēl nav pārbaudīts ar cilvēkiem.

9. Antimatērija var slēpties kosmosā

Viens no veidiem, kā zinātnieki mēģina atrisināt matērijas un antimatērijas asimetrijas problēmu, ir meklēt antimateriju, kas palikusi no Lielā sprādziena.

Alfa magnētiskais spektrometrs (AMS) ir daļiņu detektors, kas atrodas Starptautiskajā kosmosa stacijā un meklē šādas daļiņas. AMS satur magnētiskos laukus, kas izliek kosmisko daļiņu ceļu un atdala vielu no antimatērijas. Tās detektoriem ir jāatklāj un jāidentificē šādas daļiņas, kad tās iet garām.

Kosmisko staru sadursmes parasti rada pozitronus un antiprotonus, taču antihēlija atoma radīšanas iespējamība joprojām ir ārkārtīgi maza, jo šim procesam ir nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums. Tas nozīmē, ka pat viena antihēlija kodola novērošana būtu spēcīgs pierādījums tam, ka citur Visumā pastāv milzīgs daudzums antimateriāla.

10. Cilvēki faktiski pēta, kā darbināt kosmosa kuģus ar antimateriālu degvielu.

Tikai nedaudz antimatērijas var saražot milzīgu daudzumu enerģijas, padarot to par populāru degvielu futūristiskiem kuģiem zinātniskajā fantastikā.

Hipotētiski ir iespējama antimateriālu raķešu dzinējspēks; galvenais ierobežojums ir savākt pietiekami daudz antimateriāla, lai tas notiktu.

Pagaidām nepastāv tehnoloģija, lai masveidā ražotu vai savāktu antimateriālu tādos daudzumos, kādi nepieciešami šādiem lietojumiem. Tomēr zinātnieki strādā pie šīs pašas antimatērijas šādas kustības un uzglabāšanas simulācijas. Kādu dienu, ja mēs atradīsim veidu, kā ražot lielu daudzumu antimatērijas, viņu pētījumi varētu palīdzēt starpzvaigžņu ceļojumiem kļūt par realitāti. publicēts

Jebkura veida informācijas publiska pieejamība, zinātniskās fantastikas filmu pārpilnība, kuru tēmas ir saistītas ar noteiktām zinātniskām vai pseidozinātniskām problēmām, sensacionālu romānu popularitāte - tas viss ir novedis pie ievērojama skaita mītu veidošanās par mūsu pasaule. Piemēram, pateicoties daudzām teorijām, kas apspēlē pasaules gala variantus, jēdziens “antimatērija” ir kļuvis plaši izmantots. Mākslas darbos un apokaliptiskajās teorijās antimatērija attiecas uz noteiktu vielu, kuras īpašības ir pretējas vielai, matērijai. Melnais caurums, kas absorbē un iznīcina visu, kas nonāk tā pievilkšanās zonā. Kas patiesībā ir antimatērija, jums jājautā nevis rakstniekiem, režisoriem un tiem, kas ir apsēsti ar vispārējām sabrukuma cerībām, bet gan zinātniekiem.

Antidaļiņas un antimateriāls ir normāla Visuma sastāvdaļa

Zinātnieki jums pateiks, ka antimateriālā nav nekā briesmīga vai katastrofāla. Kaut vai tāpēc, ka nav iespējams pretstatīt matēriju un antimatēriju - tas, ko parasti sauc par antimateriālu, patiesībā ir vielas veids, tas ir, matērija. Saskaņā ar zinātnisko klasifikāciju matērijas daļiņas parasti sauc par materiālām struktūrām, kas sastāv no atomiem, kurus ieskauj elementārdaļiņas. Atoma pamatdaļa ir kodols, kuram ir pozitīvs lādiņš, un tam apkārt esošās elementārdaļiņas ir negatīvi lādētas. Tie ir tie paši elektroni, kuru vārdu ikdienā lietojam ikdienā, pieminot elektroniku un elektroierīces.

Antimateriāls sastāv no antidaļiņām, tas ir, tām materiālajām struktūrām, kuru kodoliem ir negatīvs lādiņš, bet to apkārtējām daļiņām ir pozitīvs lādiņš.

Pozitīvās elementārdaļiņas zinātnieki atklāja tikai 1932. gadā un sauca par pozitroniem. Daļiņu un antidaļiņu, matērijas un antimatērijas mijiedarbībā nav arī fatālas drāmas. Notiek iznīcināšana - reaģējošas vielas un antimateriāla pārvēršanās process principiāli jaunās daļiņās, kuras sākotnēji nepastāvēja un kurām ir īpašības, kas atšķiras no sākotnējām, “mātes” daļiņām. Tiesa, “blakusparādība” var būt diezgan bīstama: iznīcināšanu pavada milzīga enerģijas daudzuma atbrīvošana. Tiek lēsts, ka 1 kilograma vielas reakcija ar 1 kilogramu antimateriāla atbrīvos enerģiju, kas vienāda ar aptuveni 43 megatonnām eksplodējoša trotila. Visspēcīgākās uz Zemes eksplodētās kodolbumbas potenciāls bija aptuveni 58 megatonnas trotila.

Zinātnei nav jautājums, kā iegūt antimateriālu

Antimatērijas realitāte ir pierādīts fakts. Zinātnieku teorētiskie pieņēmumi harmoniski apvienojās ar vispārējo zinātnisko pasaules ainu, un pēc tam eksperimentāli tika atklātas antidaļiņas. Jau gandrīz piecdesmit gadus antidaļiņas tiek ražotas mākslīgi, mijiedarbojoties starp daļiņām un antidaļiņām. 1965. gadā tika sintezēts anti-deuterons, un 30 gadus vēlāk tika iegūts antiūdeņradis (tā atšķirība no “klasiskā” ūdeņraža ir tāda, ka antimatērijas atoms sastāv no pozitrona un antiprotona). Zinātnieki gāja tālāk un 2010.-2011.gadā izdevās laboratorijas apstākļos “noķert” antimatērijas atomus. Ļaujiet "slazdā" atrasties tikai aptuveni 40 atomiem, un viņi tos spēja noturēt 172 milisekundes.

Antidaļiņu izpētes praktiskās izredzes ir acīmredzamas, ņemot vērā daļiņu un antidaļiņu mijiedarbības milzīgo enerģijas potenciālu.

Antimatērijas izmantošana un šī procesa kontrole kontrolētā veidā faktiski novērš enerģijas iegūšanas problēmu uz visiem laikiem.

Grūtības, kā vienmēr, ir naudā: aprēķini liecina, ka šodien tikai viena grama antimatērijas ražošana izmaksātu aptuveni 60 triljonus dolāru. Tāpēc tradicionālie enerģijas avoti joprojām ir aktuāli, taču pētījumi ir jāturpina. Turklāt jau 20.-21.gadsimta mijā astronomi un astrofiziķi atklāja antimatērijas avotus Visumā. Jo īpaši tika iegūti dati par reālajām pozitīvi lādētu elementārdaļiņu (pozitronu) plūsmām, kas pārvietojas kosmosā. Ir radušās vairākas teorijas, kas vairāk vai mazāk pamatotas ar praktiskiem pētījumiem, kas izskaidro antidaļiņu veidošanās mehānismus dabiskos apstākļos.

Ļoti populārs skaidrojums ir tāds, ka antidaļiņas veidojas spēcīgā gravitācijas laukā melnajos caurumos. Šis gravitācijas lauks mijiedarbojas ar “parasto” vielu, un matērijas “apstrādes” procesa rezultātā tiek iegūti pozitroni - daļiņas, kuras gravitācijas ietekmē ir mainījušas savu lādiņu no negatīva uz pozitīvu. Cits jēdziens norāda uz dabā sastopamiem radioaktīviem elementiem, no kuriem pazīstamākie ir supernovas. Tiek pieņemts, ka šie dabiskie kodolreaktori kā blakusproduktu “ražo” antidaļiņas. Ir arī citas versijas: piemēram, divu zvaigžņu saplūšanas procesu var pavadīt daļiņu veidošanās ar mainītu lādiņu vai, gluži pretēji, šāds efekts var izraisīt zvaigžņu nāvi.

Kur atrast antimatēriju – mīkla pētniekiem

Tādējādi antimatērijas klātbūtne ir nenoliedzama. Bet, kā tas parasti notiek, pētot Visuma noslēpumus, ir radusies fundamentāla problēma, kuru zinātne šajā attīstības stadijā vēl nav spējusi atrisināt. Pēc Visuma uzbūves simetrijas principa , mūsu pasaulē vajadzētu saturēt aptuveni tādu pašu vielas daudzumu kā antimaterijai, tikpat daudz atomu, kas sastāv no pozitīva kodola un negatīvi lādētām daļiņām, cik atomiem ar negatīvu kodolu un pozitīvām daļiņām. Bet praksē šobrīd nav atklātas liela mēroga antimatērijas uzkrāšanās pēdas (teorētiķi pat izdomāja šādu uzkrājumu nosaukumu - “antipasaule”).

Astronomiskajos novērojumos antimateriālu diezgan labi atklāj tikai izstarotā gamma starojuma dēļ. Tomēr optimisti nezaudē cerību – un tas ir pilnīgi pamatoti.

Pirmkārt, Zeme var atrasties tajā Visuma “materiālajā” daļā, kas ir maksimāli tālu no “antimatērijas” puses. Tas nozīmē, ka visa būtība ir nepietiekami jaudīgas un sarežģītas novērošanas ierīces. Otrkārt, to elektromagnētiskā starojuma ziņā objekti, kas sastāv no matērijas un antimateriāla, nav atšķirami, tāpēc optiskā novērošanas metode šeit ir bezjēdzīga. Treškārt, nav noraidītas kompromisu teorijas – piemēram, ka Visumam ir šūnu struktūra, kurā katra šūna sastāv no puse matērijas un puse antimatērijas.

Aleksandrs Babitskis