Synteza antymaterii. Dokładnie odwrotnie

ANTYMATERIA, substancja składająca się z atomów, których jądra mają ujemny ładunek elektryczny i są otoczone pozytonami - elektronami o dodatnim ładunku elektrycznym. W zwykłej materii, z której zbudowany jest otaczający nas świat, dodatnio naładowane jądra otoczone są ujemnie naładowanymi elektronami. Aby odróżnić ją od antymaterii, zwykłą materię nazywa się czasem monetą (z greckiego. koinos- zwykły). Jednak termin ten praktycznie nie jest używany w literaturze rosyjskiej. Należy podkreślić, że określenie „antymateria” nie jest do końca poprawne, gdyż antymateria to także materia, jej rodzaj. Antymateria ma te same właściwości bezwładnościowe i wytwarza takie samo przyciąganie grawitacyjne jak zwykła materia.

Mówiąc o materii i antymaterii, logiczne jest rozpoczęcie od cząstek elementarnych (subatomowych). Każda cząstka elementarna ma antycząstkę; oba mają prawie takie same właściwości, z tą różnicą, że mają przeciwne ładunki elektryczne. (Jeśli cząstka jest obojętna, to antycząstka również jest obojętna, ale mogą różnić się innymi cechami. W niektórych przypadkach cząstka i antycząstka są identyczne.) Zatem elektron, cząstka naładowana ujemnie, odpowiada pozyton, a antycząstka protonu o ładunku dodatnim jest antyprotonem naładowanym ujemnie. Pozyton odkryto w 1932 r., a antyproton w 1955 r.; były to pierwsze odkryte antycząstki. Istnienie antycząstek przewidział w 1928 roku na podstawie mechaniki kwantowej angielski fizyk P. Dirac.

Kiedy elektron i pozyton zderzają się, ulegają anihilacji, tj. obie cząstki znikają, a z miejsca ich zderzenia emitowane są dwa promienie gamma. Jeśli zderzające się cząstki poruszają się z małą prędkością, wówczas energia każdego kwantu gamma wynosi 0,51 MeV. Energia ta to „energia spoczynkowa” elektronu, czyli jego masa spoczynkowa, wyrażona w jednostkach energii. Jeśli zderzające się cząstki poruszają się z dużą prędkością, wówczas energia promieni gamma będzie większa ze względu na ich energię kinetyczną. Anihilacja zachodzi również w przypadku zderzenia protonu z antyprotonem, jednak w tym przypadku proces jest znacznie bardziej skomplikowany. Jako produkty pośrednie interakcji rodzi się wiele krótkotrwałych cząstek; jednakże po kilku mikrosekundach jako końcowe produkty przemian pozostają neutrina, promienie gamma i niewielka liczba par elektron-pozyton. Pary te mogą w końcu anihilować, tworząc dodatkowe promienie gamma. Anihilacja ma miejsce również wtedy, gdy antyneutron zderza się z neutronem lub protonem.

Ponieważ antycząstki istnieją, pojawia się pytanie, czy antyjądra mogą powstać z antycząstek. Jądra zwykłych atomów materii składają się z protonów i neutronów. Najprostszym jądrem jest jądro izotopu zwykłego wodoru 1H; reprezentuje pojedynczy proton. Jądro deuteru 2H składa się z jednego protonu i jednego neutronu; nazywa się to deuteronem. Innym przykładem prostego jądra jest jądro 3He, składające się z dwóch protonów i jednego neutronu. Antydeuteron, składający się z antyprotonu i antyneutronu, otrzymano w laboratorium w 1966 roku; Jądro anty-3He, składające się z dwóch antyprotonów i jednego antyneutronu, otrzymano po raz pierwszy w 1970 roku.

Według współczesnej fizyki cząstek elementarnych przy pomocy odpowiednich środków technicznych możliwe byłoby otrzymanie antyjąder wszystkich zwykłych jąder. Jeśli te antyjądra otoczy się odpowiednią liczbą pozytonów, wówczas tworzą antyatomy. Antyatomy miałyby prawie dokładnie takie same właściwości jak zwykłe atomy; tworzyłyby cząsteczki, z których mogłyby powstać ciała stałe, ciecze i gazy, w tym substancje organiczne. Na przykład dwa antyprotony i jedno jądro antytlenowe wraz z ośmioma pozytonami mogą utworzyć cząsteczkę przeciwwody podobną do zwykłej wody H 2 O, której każda cząsteczka składa się z dwóch protonów jąder wodoru, jednego jądra tlenu i ośmiu elektronów. Współczesna teoria cząstek jest w stanie przewidzieć, że antywoda zamarznie w temperaturze 0°C, wrze w temperaturze 100°C i poza tym będzie zachowywać się jak zwykła woda. Kontynuując takie rozumowanie, możemy dojść do wniosku, że antyświat zbudowany z antymaterii byłby niezwykle podobny do zwykłego otaczającego nas świata. Wniosek ten służy jako punkt wyjścia dla teorii symetrycznego wszechświata, opartej na założeniu, że wszechświat zawiera równe ilości zwykłej materii i antymaterii. Żyjemy w tej jego części, która składa się ze zwykłej materii.

Jeżeli zetkną się dwie identyczne cząstki substancji przeciwnego typu, wówczas nastąpi anihilacja elektronów z pozytonami i jąder z antyjądrami. W tym przypadku pojawią się kwanty gamma, po których wyglądzie można ocenić, co się dzieje. Ponieważ Ziemia z definicji składa się ze zwykłej materii, nie ma na niej znaczących ilości antymaterii, z wyjątkiem niewielkiej liczby antycząstek wytwarzanych w dużych akceleratorach i promieniach kosmicznych. To samo tyczy się całego Układu Słonecznego.

Obserwacje pokazują, że w naszej Galaktyce wytwarzana jest jedynie ograniczona ilość promieniowania gamma. Na tej podstawie wielu badaczy wnioskuje, że nie ma w nim zauważalnych ilości antymaterii. Ale wniosek ten nie jest bezsporny. Obecnie nie ma sposobu, aby określić na przykład, czy dana pobliska gwiazda składa się z materii czy antymaterii; gwiazda antymaterii emituje dokładnie takie samo widmo jak zwykła gwiazda. Co więcej, jest całkiem możliwe, że rozrzedzona materia wypełniająca przestrzeń wokół gwiazdy i identyczna z materią samej gwiazdy jest oddzielona od obszarów wypełnionych materią przeciwnego typu - bardzo cienkimi, wysokotemperaturowymi „warstwami Leidenfrosta”. Można zatem mówić o „komórkowej” strukturze przestrzeni międzygwiezdnej i międzygalaktycznej, w której każda komórka zawiera materię lub antymaterię. Hipotezę tę potwierdzają współczesne badania pokazujące, że magnetosfera i heliosfera (przestrzeń międzyplanetarna) mają strukturę komórkową. Ogniwa o różnym namagnesowaniu, a czasami także o różnych temperaturach i gęstościach, są oddzielone bardzo cienkimi powłokami prądowymi. Prowadzi to do paradoksalnego wniosku, że obserwacje te nie zaprzeczają istnieniu antymaterii nawet w naszej Galaktyce.

Jeśli wcześniej nie było przekonujących argumentów na rzecz istnienia antymaterii, teraz sukcesy astronomii rentgenowskiej i gamma zmieniły sytuację. Zaobserwowano zjawiska związane z ogromnym i często silnie nieuporządkowanym uwalnianiem energii. Najprawdopodobniej źródłem takiego uwolnienia energii była anihilacja.

Szwedzki fizyk O. Klein opracował teorię kosmologiczną opartą na hipotezie symetrii materii i antymaterii i doszedł do wniosku, że procesy anihilacji odgrywają decydującą rolę w ewolucji Wszechświata i powstawaniu struktury galaktyk.

Staje się coraz bardziej jasne, że główna teoria alternatywna, teoria „Wielkiego Wybuchu”, poważnie zaprzecza danym obserwacyjnym, a „kosmologia symetryczna” prawdopodobnie zajmie centralne miejsce w rozwiązywaniu problemów kosmologicznych w najbliższej przyszłości.

Antymateria to materia składająca się wyłącznie z antycząstek. W przyrodzie każda cząstka elementarna ma antycząstkę. Dla elektronu będzie to pozyton, a dla dodatnio naładowanego protonu będzie to antyproton. Atomy zwykłej materii – inaczej się to nazywa substancja monetarna- składają się z dodatnio naładowanego jądra, wokół którego poruszają się elektrony. Z kolei ujemnie naładowane jądra atomów antymaterii są otoczone antyelektronami.

Siły determinujące strukturę materii są takie same zarówno dla cząstek, jak i antycząstek. Mówiąc najprościej, cząstki różnią się jedynie znakiem ładunku. Charakterystyczne jest, że „antymateria” nie jest do końca poprawną nazwą. Zasadniczo jest to tylko rodzaj substancji, która ma te same właściwości i jest w stanie wywołać przyciąganie.

Unicestwienie

W rzeczywistości jest to proces zderzenia pozytonu z elektronem. W rezultacie następuje wzajemne zniszczenie (anihilacja) obu cząstek z wyzwoleniem ogromnej energii. Anihilacja 1 grama antymaterii jest równoznaczna z eksplozją ładunku trotylu o masie 10 kiloton!

Synteza

W 1995 roku ogłoszono, że zsyntetyzowano pierwszych dziewięć atomów przeciwwodoru.Żyły przez 40 nanosekund i umarły, uwalniając energię. I już w 2002 roku liczba uzyskanych atomów szła w setki. Ale wszystkie powstałe antycząstki mogły przetrwać tylko przez nanosekundy. Sytuacja uległa zmianie wraz z wystrzeleniem zderzacza hadronów: udało się zsyntetyzować 38 atomów antywodoru i utrzymać je przez pełną sekundę. W tym okresie stało się możliwe przeprowadzenie badań nad strukturą antymaterii. Nauczyli się zatrzymywać cząstki po stworzeniu specjalnej pułapki magnetycznej. Aby uzyskać pożądany efekt, tworzona jest bardzo niska temperatura. To prawda, że ​​​​taka pułapka jest sprawą bardzo uciążliwą, złożoną i kosztowną.

W trylogii S. Snegova „Ludzie jak bogowie” proces anihilacji wykorzystywany jest w lotach międzygalaktycznych. Bohaterowie powieści za jego pomocą zamieniają gwiazdy i planety w pył. Ale w naszych czasach pozyskiwanie antymaterii jest znacznie trudniejsze i droższe niż wyżywienie ludzkości.

Ile kosztuje antymateria?

Jeden miligram pozytonów powinien kosztować 25 miliardów dolarów. A za jeden gram antywodoru trzeba będzie zapłacić 62,5 biliona dolarów.

Nie pojawiła się jeszcze osoba tak hojna, aby mogła kupić choćby jedną setną grama. Za jedną miliardową grama trzeba było zapłacić kilkaset milionów franków szwajcarskich, aby uzyskać materiał do prac eksperymentalnych nad zderzeniami cząstek i antycząstek. Jak dotąd w przyrodzie nie ma substancji droższej od antymaterii.

Ale w kwestii masy antymaterii wszystko jest całkiem proste. Ponieważ różni się od zwykłej materii jedynie ładunkiem, wszystkie pozostałe cechy są takie same. Okazuje się, że jeden gram antymaterii będzie ważył dokładnie jeden gram.

Świat antymaterii

Jeśli przyjmiemy, że istniało, to w wyniku tego procesu powinny powstać równe ilości zarówno materii, jak i antymaterii. Dlaczego więc nie obserwujemy w pobliżu obiektów zbudowanych z antymaterii? Odpowiedź jest dość prosta: te dwa rodzaje materii nie mogą współistnieć razem. Na pewno zniszczą się nawzajem. Jest prawdopodobne, że istnieją galaktyki, a nawet wszechświaty zbudowane z antymaterii, a nawet niektóre z nich widzimy. Ale emanuje z nich to samo promieniowanie, to samo światło pochodzi z nich, jak ze zwykłych galaktyk. Dlatego nadal nie można z całą pewnością stwierdzić, czy antyświat istnieje, czy też jest to piękna bajka.

Czy to jest niebezpieczne?

Ludzkość zamieniła wiele przydatnych odkryć w środki zniszczenia. Antymateria w tym sensie nie może być wyjątkiem. Nie można sobie jeszcze wyobrazić broni potężniejszej niż ta oparta na zasadzie anihilacji. Może nie jest tak źle, że nie można jeszcze wydobyć i przechowywać antymaterii? Czy stanie się to fatalnym dzwonem, który ludzkość usłyszy w swoim ostatnim dniu?

Niedawno członkowie zespołu ALICE w CERN zmierzyli masy jąder antymaterii z rekordową dokładnością, a nawet oszacowali energię, która wiąże w nich antyprotony z antyneutronami. Jak dotąd nie stwierdzono znaczącej różnicy między tymi parametrami w materii i antymaterii, ale nie to jest najważniejsze. Ważne jest, że właśnie teraz, w ciągu ostatnich kilku lat, do pomiarów i obserwacji stają się dostępne nie tylko antycząstki, ale także antyjądra, a nawet antyatomy. Oznacza to, że nadszedł czas, aby dowiedzieć się, czym jest antymateria i jakie miejsce zajmują jej badania we współczesnej fizyce.

Spróbujmy odgadnąć niektóre z Twoich pierwszych pytań na temat antymaterii.

Czy to prawda, że ​​przy użyciu antymaterii można zbudować superpotężną bombę? Czy to możliwe, że w CERN faktycznie gromadzi się antymateria, jak pokazano w filmie Anioły i demony, i że jest ona bardzo niebezpieczna? Czy to prawda, że ​​antymateria będzie niezwykle wydajnym paliwem do podróży kosmicznych? Czy jest ziarno prawdy w idei mózgu pozytronowego, w którą Izaak Asimov wyposażył w swoich pracach roboty?...

Nie jest tajemnicą, że dla większości ludzi antymateria kojarzy się z czymś niezwykle (wybuchowo) niebezpiecznym, z czymś podejrzanym, z czymś, co pobudza wyobraźnię fantastycznymi obietnicami i ogromnymi zagrożeniami – stąd takie pytania. Przyznajmy: prawa fizyki nie zabraniają tego wprost. Jednak realizacja tych pomysłów jest na tyle odległa od rzeczywistości, od nowoczesnych technologii i technologii kolejnych dekad, że pragmatyczna odpowiedź jest prosta: nie, dla współczesnego świata to nieprawda. Rozmowa na te tematy to po prostu fantazja, oparta nie na rzeczywistych osiągnięciach naukowo-technicznych, ale na ich ekstrapolacji daleko poza granice współczesnych możliwości. Jeśli chcesz poważnie porozmawiać na te tematy, podejdź bliżej 2100. Na razie porozmawiajmy o faktycznych badaniach naukowych nad antymaterią.

Co to jest antymateria?

Nasz świat jest zaprojektowany w taki sposób, że dla każdego rodzaju cząstek - elektronów, protonów, neutronów itp. - istnieją antycząstki (pozytony, antyprotony, antyneutrony). Mają tę samą masę i, jeśli są niestabilne, ten sam okres półtrwania, ale przeciwne ładunki i inne liczby charakteryzujące oddziaływanie. Pozytony mają tę samą masę co elektrony, ale tylko ładunek dodatni. Antyprotony mają ładunek ujemny. Antyneutrony są elektrycznie obojętne, podobnie jak neutrony, ale mają przeciwną liczbę barionową i składają się z antykwarków. Antyjądro można złożyć z antyprotonów i antyneutronów. Dodając pozytony, tworzymy antyatomy, a gromadząc je, otrzymujemy antymaterię. To wszystko jest antymateria.

I tutaj jest kilka interesujących subtelności, o których warto porozmawiać. Po pierwsze samo istnienie antycząstek jest ogromnym triumfem fizyki teoretycznej. Ta nieoczywista, a dla niektórych wręcz szokująca koncepcja została teoretycznie wyprowadzona przez Paula Diraca i początkowo spotkała się z wrogością. Co więcej, nawet po odkryciu pozytonów wielu nadal wątpiło w istnienie antyprotonów. Po pierwsze, jak powiedzieli, Dirac przedstawił własną teorię opisującą elektron i nie jest faktem, że sprawdzi się ona w przypadku protonu. Na przykład moment magnetyczny protonu różni się kilkakrotnie od przewidywań teorii Diraca. Po drugie, długo szukali śladów antyprotonów w promieniowaniu kosmicznym, ale nic nie znaleźli. Po trzecie argumentowali – dosłownie powtarzając nasze słowa – że skoro istnieją antyprotony, to muszą istnieć antyatomy, antygwiazdy i antygalaktyki, które z pewnością zauważylibyśmy w potężnych kosmicznych eksplozjach. Ponieważ tego nie widzimy, dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że antymateria nie istnieje. Dlatego eksperymentalne odkrycie antyprotonu w 1955 roku w nowo uruchomionym akceleratorze Bevatron było wynikiem dość nietrywialnym, nagrodzonym Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za 1959 rok. W 1956 roku w tym samym akceleratorze odkryto antyneutron. Historię tych poszukiwań, wątpliwości i osiągnięć można znaleźć w licznych esejach historycznych, na przykład w tym raporcie czy w najnowszej książce Franka Close'a Antimatter.

Trzeba jednak powiedzieć osobno, że zdrowe wątpliwości w twierdzeniach czysto teoretycznych są zawsze przydatne. Na przykład stwierdzenie, że antycząstki mają tę samą masę co cząstki, jest również wynikiem teoretycznym i wynika z bardzo ważnego twierdzenia CPT. Tak, na tym stwierdzeniu opiera się współczesna, eksperymentalnie sprawdzona fizyka mikroświata. Ale to wciąż równość: kto wie, może w ten sposób znajdziemy granice stosowalności teorii.

Kolejna cecha: nie wszystkie siły mikroświata odnoszą się w równym stopniu do cząstek i antycząstek. Dla oddziaływań elektromagnetycznych i silnych nie ma między nimi różnicy, dla oddziaływań słabych jest. Z tego powodu pewne subtelne szczegóły oddziaływań cząstek i antycząstek różnią się, na przykład prawdopodobieństwa rozpadu cząstki A na zbiór cząstek B i anty-A na zbiór anty-B (więcej szczegółów na temat różnice, zobacz zbiór Pawła Pachowa). Ta cecha powstaje, ponieważ słabe interakcje łamią symetrię CP naszego świata. Ale dlaczego tak się dzieje, jest jedną z tajemnic cząstek elementarnych i wymaga wyjścia poza granice znanego.

Oto kolejna subtelność: niektóre cząstki mają tak mało cech, że antycząstki i cząstki w ogóle się od siebie nie różnią. Takie cząstki nazywane są naprawdę neutralnymi. Jest to foton, bozon Higgsa, mezony neutralne, składające się z kwarków i antykwarków tego samego typu. Jednak sytuacja z neutrinami jest nadal niejasna: może są one naprawdę neutralne (Majorana), a może nie. Ma to kluczowe znaczenie dla teorii opisującej masy i oddziaływania neutrin. Odpowiedź na to pytanie będzie naprawdę dużym krokiem naprzód, ponieważ pomoże nam zrozumieć strukturę naszego świata. Eksperyment nie powiedział jeszcze nic jednoznacznego na ten temat. Ale program eksperymentalny badań neutrin jest tak potężny, przeprowadza się tak wiele eksperymentów, że fizycy stopniowo zbliżają się do rozwiązania.

Gdzie jest ta antymateria?

Kiedy antycząstka spotyka się ze swoją cząstką, ulega anihilacji: obie cząstki znikają i zamieniają się w zbiór fotonów lub lżejszych cząstek. Cała energia spoczynkowa zamienia się w energię tej mikroeksplozji. Jest to najefektywniejsza przemiana masy w energię cieplną, setki razy wydajniejsza niż eksplozja jądrowa. Ale nie widzimy wokół siebie żadnych wspaniałych naturalnych eksplozji; Antymateria nie występuje w przyrodzie w znaczących ilościach. Jednakże poszczególne antycząstki mogą rodzić się w różnych naturalnych procesach.

Najłatwiej jest stworzyć pozytony. Najprostszą opcją jest radioaktywność, czyli rozpad niektórych jąder w wyniku dodatniej radioaktywności beta. Na przykład w eksperymentach jako źródło pozytonów często wykorzystuje się izotop sodu-22 o okresie półtrwania wynoszącym dwa i pół roku. Innym, dość nieoczekiwanym źródłem naturalnym jest to, że czasami wykrywane są rozbłyski promieniowania gamma powstałe w wyniku anihilacji pozytonów, co oznacza, że ​​w jakiś sposób narodziły się tam pozytony.

Trudniej jest stworzyć antyprotony i inne antycząstki: nie ma na to wystarczającej energii rozpadu radioaktywnego. W naturze rodzą się pod wpływem wysokoenergetycznego promieni kosmicznych: kosmiczny proton zderzając się z jakąś cząsteczką w górnych warstwach atmosfery, generuje strumienie cząstek i antycząstek. Jednak tam się to zdarza, antyprotony prawie nigdy nie docierają do ziemi (o czym nie wiedzieli ci, którzy w latach 40. XX wieku szukali antyprotonów w promieniowaniu kosmicznym), a tego źródła antyprotonów nie można przenieść do laboratorium.

We wszystkich eksperymentach fizycznych antyprotony powstają przy użyciu „brutalnej siły”: pobierają wiązkę protonów o wysokiej energii, kierują ją na cel i sortują „skrawki hadronów”, które powstają w dużych ilościach podczas tego zderzenia. Posortowane antyprotony wyprowadzane są w postaci wiązki, a następnie albo są przyspieszane do wysokich energii, aby zderzyć się z protonami (tak działał np. amerykański zderzacz Tevatron), albo odwrotnie, są zwalniane i używany do bardziej subtelnych pomiarów.

W CERN, który słusznie może poszczycić się długą historią badań nad antymaterią, znajduje się specjalny „akcelerator” AD, „Antiproton Moderator”, który wykonuje właśnie to zadanie. Pobiera wiązkę antyprotonów, chłodzi je (tj. spowalnia), a następnie rozdziela przepływ powolnych antyprotonów na kilka specjalnych eksperymentów. Nawiasem mówiąc, jeśli chcesz sprawdzić stan AD w czasie rzeczywistym, umożliwiają to monitory online Cernov.

Syntetyzowanie antyatomów, nawet najprostszych, atomów antywodoru jest już bardzo trudne. W ogóle nie powstają w naturze - nie ma odpowiednich warunków. Nawet w laboratorium trzeba pokonać wiele trudności technicznych, zanim antyprotony zechcą połączyć się z pozytonami. Problem polega na tym, że antyprotony i pozytony emitowane ze źródeł są wciąż zbyt gorące; po prostu zderzą się ze sobą i rozpadną, zamiast tworzyć antyatom. Fizycy nadal pokonują te trudności, ale dość przebiegłymi metodami (jak ma to miejsce w jednym z eksperymentów ASACUSA Cern).

Co wiadomo o antyjądrach?

Wszystkie antyatomowe osiągnięcia ludzkości dotyczą wyłącznie antywodoru. Antyatomy innych pierwiastków nie zostały jeszcze zsyntetyzowane w laboratorium ani zaobserwowane w naturze. Powód jest prosty: antyjądra są jeszcze trudniejsze do wytworzenia niż antyprotony.

Jedynym znanym nam sposobem tworzenia antyjąder jest zderzenie ciężkich jąder o wysokich energiach i zobaczenie, co się tam stanie. Jeśli energia zderzenia jest wysoka, tysiące cząstek, w tym antyprotony i antyneutrony, urodzi się i rozproszy we wszystkich kierunkach. Antyprotony i antyneutrony przypadkowo wyemitowane w jednym kierunku mogą łączyć się ze sobą, tworząc antyjądro.

Detektor ALICE potrafi rozróżnić różne jądra i antyjądra na podstawie uwalnianej przez nie energii i kierunku skręcenia pola magnetycznego.

Zdjęcie: CERN

Metoda jest prosta, ale niezbyt nieskuteczna: prawdopodobieństwo syntezy jądra w ten sposób gwałtownie spada wraz ze wzrostem liczby nukleonów. Najlżejsze antyjądra, antydeuterony, po raz pierwszy zaobserwowano dokładnie pół wieku temu. Antihelium-3 zaobserwowano w 1971 roku. Znane są również antytryton i antyhel-4, ten ostatni został odkryty całkiem niedawno, w 2011 roku. Nie zaobserwowano jeszcze cięższych jąder.

Dwa parametry opisujące oddziaływania nukleon-nukleon (długość rozpraszania f0 i promień efektywny d0) dla różnych par cząstek. Czerwona gwiazdka to wynik dla pary antyprotonów uzyskany w ramach współpracy STAR.

Niestety, w ten sposób nie można wytworzyć antyatomów. Antyjądra nie tylko powstają rzadko, ale mają też za dużo energii i rozlatują się we wszystkich kierunkach. Próba złapania ich przy zderzaczu, a następnie przeprowadzeniu specjalnym kanałem i ochłodzeniu jest nierealna.

Czasami jednak wystarczy dokładne śledzenie antyjądrowych w locie, aby uzyskać interesujące informacje na temat sił przeciwjądrowych działających pomiędzy antynukleonami. Najprościej jest dokładnie zmierzyć masę antyjąder, porównać ją z sumą mas antyprotonów i antyneutronów i obliczyć defekt masy, czyli: energia wiązania jądrowego. Niedawno działa w Wielkim Zderzaczu Hadronów; Energia wiązania antydeuteronu i antyhelu-3 pokrywała się w granicach błędu ze zwykłymi jądrami.

Inny, bardziej subtelny efekt badano w eksperymencie STAR w amerykańskim zderzaczu ciężkich jonów RHIC. Zmierzył rozkład kątowy wytwarzanych antyprotonów i odkrył, jak się on zmienia, gdy dwa antyprotony są emitowane w bardzo bliskim kierunku. Korelacje między antyprotonami umożliwiły po raz pierwszy zmierzenie właściwości działających między nimi sił „antyjądrowych” (długość rozpraszania i efektywny promień oddziaływania); pokrywały się one z tym, co wiadomo o oddziaływaniu protonów.

Czy w kosmosie istnieje antymateria?

Kiedy Paul Dirac wywnioskował ze swojej teorii istnienie pozytonów, w pełni założył, że gdzieś w przestrzeni mogą istnieć prawdziwe antyświaty. Teraz wiemy, że w widzialnej części Wszechświata nie ma gwiazd, planet ani galaktyk zbudowanych z antymaterii. Nie chodzi nawet o to, że eksplozji anihilacyjnych nie widać; Jest po prostu całkowicie niewyobrażalne, jak mogły w ogóle powstać i przetrwać do dnia dzisiejszego w stale rozwijającym się wszechświecie.

Ale pytanie „jak to się stało” to kolejna wielka tajemnica współczesnej fizyki; w języku naukowym nazywa się to problemem bariogenezy. Zgodnie z kosmologicznym obrazem świata, w najwcześniejszym wszechświecie istniała równa liczba cząstek i antycząstek. Wówczas w wyniku naruszenia symetrii CP i liczby barionowej w dynamicznie rozwijającym się wszechświecie powinien pojawić się niewielki, na poziomie jednej miliardowej, nadmiar materii nad antymaterią. Gdy Wszechświat ostygł, wszystkie antycząstki połączyły się z cząstkami; przetrwał tylko ten nadmiar materii, który dał początek obserwowanemu przez nas Wszechświatowi. To dzięki niemu pozostaje w nim przynajmniej coś ciekawego, to dzięki niemu w ogóle istniejemy. Nie wiadomo, jak dokładnie powstała ta asymetria. Teorii jest wiele, ale która z nich jest prawdziwa, nie wiadomo. Wiadomo tylko, że na pewno musi to być jakaś Nowa Fizyka, teoria wykraczająca poza Model Standardowy, poza granice tego, co zostało zweryfikowane eksperymentalnie.

Trzy możliwości pochodzenia antycząstek w wysokoenergetycznym promieniowaniu kosmicznym: 1 - mogą po prostu powstać i przyspieszyć w „kosmicznym akceleratorze”, na przykład w pulsarze; 2 - mogą narodzić się podczas zderzeń zwykłych promieni kosmicznych z atomami ośrodka międzygwiazdowego; 3 - mogą powstawać podczas rozpadu ciężkich cząstek ciemnej materii.

Chociaż nie ma planet ani gwiazd zbudowanych z antymaterii, antymateria jest nadal obecna w kosmosie. Strumienie pozytonów i antyprotonów o różnych energiach rejestrują satelitarne obserwatoria promieniowania kosmicznego, takie jak PAMELA, Fermi, AMS-02. To, że pozytony i antyprotony docierają do nas z kosmosu oznacza, że ​​gdzieś tam się rodzą. Procesy wysokoenergetyczne, które mogą je wytwarzać, są w zasadzie znane: są to silnie namagnesowane sąsiedztwa gwiazd neutronowych, różne eksplozje, przyspieszanie promieni kosmicznych na czołach fal uderzeniowych w ośrodku międzygwiazdowym itp. Pytaniem jest, czy potrafią wyjaśnić wszystkie zaobserwowane właściwości przepływu kosmicznych antycząstek. Jeśli okaże się, że nie, będzie to dowód na to, że część z nich powstaje w wyniku rozpadu lub anihilacji cząstek ciemnej materii.

Tutaj także kryje się tajemnica. W 2008 roku obserwatorium PAMELA odkryło podejrzanie dużą liczbę wysokoenergetycznych pozytonów w porównaniu z przewidywaniami modelowania teoretycznego. Wyniki te potwierdziła niedawno instalacja AMS-02 – jeden z modułów Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i w ogóle największy detektor cząstek elementarnych wystrzelony w przestrzeń kosmiczną (i zmontowany, zgadnij gdzie? – poprawnie, w CERN). Ten nadmiar pozytonów ekscytuje teoretyków - w końcu to nie „nudne” obiekty astrofizyczne są za to odpowiedzialne, ale ciężkie cząstki ciemnej materii, które rozpadają się lub anihilują na elektrony i pozytony. Nie ma tu jeszcze jasności, ale instalacja AMS-02, a także wielu krytycznych fizyków, bardzo uważnie bada to zjawisko.

Stosunek antyprotonów do protonów w promieniach kosmicznych o różnych energiach. Kropki to dane eksperymentalne, wielokolorowe krzywe to oczekiwania astrofizyczne z różnymi błędami.

Zdjęcie: Biblioteka Uniwersytetu Cornell

Niejasna jest również sytuacja z antyprotonami. W kwietniu tego roku AMS-02 zaprezentował na specjalnej konferencji naukowej wstępne wyniki nowego cyklu badań. Najważniejszym punktem raportu było stwierdzenie, że AMS-02 widzi zbyt wiele wysokoenergetycznych antyprotonów – co może również wskazywać na rozpad cząstek ciemnej materii. Jednak inni fizycy nie zgadzają się z tak wesołym wnioskiem. Obecnie uważa się, że dane antyprotonowe z AMS-02, w pewnym stopniu, można wyjaśnić za pomocą konwencjonalnych źródeł astrofizycznych. Tak czy inaczej, wszyscy z niecierpliwością czekają na nowe dane dotyczące pozytonów i antyprotonów z AMS-02.

AMS-02 wykrył już miliony pozytonów i ćwierć miliona antyprotonów. Ale twórcy tej instalacji mają jasny sen - złapać przynajmniej jeden antyjądro. To będzie prawdziwa sensacja – to absolutnie niewiarygodne, że antyjądra mogłyby narodzić się gdzieś w kosmosie i przylecieć do nas. Jak dotąd nie odkryto żadnego takiego przypadku, ale zbieranie danych trwa i kto wie, jakie niespodzianki przygotowała dla nas natura.

Antymateria - antygrawitacja? Jak ona w ogóle czuje grawitację?

Jeśli opierać się wyłącznie na zweryfikowanej eksperymentalnie fizyce i nie zagłębiać się w egzotyczne, niepotwierdzone jeszcze teorie, to grawitacja powinna oddziaływać na antymaterię dokładnie w taki sam sposób, jak na materię. W przypadku antymaterii nie oczekuje się antygrawitacji. Jeśli pozwolimy sobie spojrzeć nieco dalej, poza granice znanego, to czysto teoretycznie możliwe opcje są wtedy, gdy oprócz zwykłej uniwersalnej siły grawitacyjnej istnieje coś dodatkowego, co inaczej działa na materię i antymaterię. Bez względu na to, jak iluzoryczna może się wydawać ta możliwość, należy ją zweryfikować eksperymentalnie, a w tym celu konieczne jest przeprowadzenie eksperymentów, aby sprawdzić, jak antymateria odczuwa grawitację Ziemi.

Przez długi czas nie było to w zasadzie możliwe z prostego powodu: w tym celu konieczne było stworzenie pojedynczych atomów antymaterii, uwięzienie ich i przeprowadzenie z nimi eksperymentów. Teraz nauczyliśmy się, jak to zrobić, więc długo oczekiwany test jest tuż za rogiem.

Głównym dostawcą wyników jest ten sam CERN ze swoim rozbudowanym programem badań antymaterii. Niektóre z tych eksperymentów pośrednio potwierdziły już, że grawitacja antymaterii jest w porządku. Odkrył na przykład, że (obojętna) masa antyprotonu pokrywa się z masą protonu z bardzo dużą dokładnością. Gdyby grawitacja działała inaczej na antyprotony, fizycy zauważyliby różnicę – w końcu porównania dokonano w tej samej instalacji i w tych samych warunkach. Wynik tego eksperymentu: wpływ grawitacji na antyprotony pokrywa się z wpływem na protony z dokładnością większą niż jedna milionowa.

Pomiar ten jest jednak pośredni. Aby być bardziej przekonującym, chciałbym przeprowadzić bezpośredni eksperyment: wziąć kilka atomów antymaterii, upuścić je i zobaczyć, jak spadają w polu grawitacyjnym. Takie eksperymenty są również prowadzone lub przygotowywane w CERN. Pierwsza próba nie była zbyt imponująca. W 2013 r. w ramach eksperymentu ALPHA, który zdążył już nauczyć się zatrzymywać chmurę antywodoru w swojej pułapce, próbowano ustalić, gdzie spadną antyatomy, jeśli pułapka zostanie wyłączona. Niestety, ze względu na małą czułość eksperymentu, nie udało się uzyskać jednoznacznej odpowiedzi: upłynęło zbyt mało czasu, antyatomy biegały w pułapce tam i z powrotem, a tu i ówdzie zdarzały się wybuchy anihilacji.

Dwa inne eksperymenty Cerna obiecują radykalną poprawę sytuacji: GBAR i AEGIS. Obydwa eksperymenty pozwolą na różne sposoby sprawdzić, jak chmura ultrazimnego antywodoru opada w polu grawitacyjnym. Ich oczekiwana dokładność pomiaru przyspieszenia grawitacyjnego dla antymaterii wynosi około 1%. Obie instalacje są obecnie na etapie montażu i debugowania, a główne badania rozpoczną się w 2017 roku, kiedy moderator antyprotonowy AD zostanie uzupełniony o nowy pierścień magazynujący ELENA.

Warianty zachowania pozytonów w materii stałej.

Zdjęcie: natura.com

Co się stanie, jeśli pozyton wejdzie w materię?

Tworzenie się molekularnego pozytonu na powierzchni kwarcu.

Zdjęcie: Clifford M. Surko / Fizyka atomowa: Powiew zupy z antymaterii

Jeśli doczytałeś aż do tego miejsca, już dobrze wiesz, że gdy tylko cząstka antymaterii wejdzie w zwykłą materię, następuje anihilacja: cząstki i antycząstki znikają i zamieniają się w promieniowanie. Ale jak szybko to się dzieje? Wyobraźmy sobie pozyton, który wyleciał z próżni i wszedł w substancję stałą. Czy ulegnie anihilacji w kontakcie z pierwszym atomem? Wcale nie konieczne! Anihilacja elektronu i pozytonu nie jest procesem natychmiastowym; wymaga to długiego czasu w skali atomowej. Dlatego pozytonowi udaje się żyć jasnym życiem w materii, pełnej nietrywialnych wydarzeń.

Po pierwsze, pozyton może wychwycić osierocony elektron i utworzyć stan związany, pozyton (Ps). Przy odpowiedniej orientacji spinu pozyton może przetrwać dziesiątki nanosekund, zanim ulegnie anihilacji. Będąc w materii stałej, w tym czasie będzie miało czas na zderzenie się z atomami miliony razy, ponieważ prędkość cieplna pozytu w temperaturze pokojowej wynosi około 25 km/s.

Po drugie, dryfując w substancji, pozyton może wypłynąć na powierzchnię i tam utknąć - jest to pozytronowy (a raczej pozytonowy) analog adsorpcji atomowej. W temperaturze pokojowej nie siedzi w jednym miejscu, ale aktywnie przemieszcza się po powierzchni. A jeśli nie jest to powierzchnia zewnętrzna, ale por wielkości nanometra, to pozyton zostaje w niej uwięziony na długi czas.

Ponadto. W standardowym materiale do takich eksperymentów, porowatym kwarcu, pory nie są izolowane, ale połączone nanokanałami we wspólną sieć. Ciepły pozyton, pełzając po powierzchni, będzie miał czas na zbadanie setek porów. A ponieważ w takich eksperymentach powstaje dużo pozytonu i prawie wszystkie wpełzają do porów, prędzej czy później wpadają na siebie i wchodząc w interakcję czasami tworzą prawdziwe cząsteczki - pozyton molekularny, Ps 2. Następnie możesz zbadać, jak zachowuje się gaz pozytonowy, jakie stany wzbudzone ma pozyton itp. I nie myśl, że są to rozważania czysto teoretyczne; Wszystkie te efekty zostały już przetestowane i zbadane eksperymentalnie.

Czy antymateria ma praktyczne zastosowania?

Oczywiście. Ogólnie rzecz biorąc, każdy proces fizyczny, jeśli otworzy przed nami jakiś nowy aspekt naszego świata i nie wymaga żadnych dodatkowych kosztów, z pewnością znajdzie praktyczne zastosowania. Co więcej, takie zastosowania, których sami nie wyobrażalibyśmy sobie, gdybyśmy nie odkryli i nie przestudiowali naukowej strony tego zjawiska.

Najbardziej znanym zastosowaniem antycząstek jest PET, czyli pozytonowa tomografia emisyjna. Ogólnie rzecz biorąc, fizyka jądrowa ma imponujące osiągnięcia w zastosowaniach medycznych i antycząstki również nie są tutaj bezczynne. W przypadku PET do organizmu pacjenta wstrzykiwana jest niewielka dawka leku, zawierająca niestabilny izotop o krótkim czasie życia (od minut do godzin) i rozkładający się w wyniku dodatniego rozpadu beta. Lek gromadzi się w pożądanych tkankach, jądra rozpadają się i emitują pozytony, które anihilują w pobliżu i wytwarzają dwa kwanty gamma o określonej energii. Detektor je rejestruje, określa kierunek i czas ich przybycia oraz odtwarza miejsce, w którym nastąpił zanik. Umożliwia to skonstruowanie trójwymiarowej mapy rozkładu materii o dużej rozdzielczości przestrzennej i przy minimalnej dawce promieniowania.

Pozytony można również wykorzystać w materiałoznawstwie, na przykład do pomiaru porowatości substancji. Jeśli substancja jest ciągła, wówczas pozytony utknięte w substancji na wystarczającej głębokości anihilują dość szybko i emitują promienie gamma. Jeśli wewnątrz substancji znajdują się nanopory, anihilacja jest opóźniona, ponieważ pozyton przykleja się do powierzchni porów. Mierząc to opóźnienie, można określić stopień nanoporowatości substancji metodą bezkontaktową i nieniszczącą. Technikę tę ilustrują niedawne prace nad tym, jak nanopory pojawiają się i zamykają w najcieńszej warstwie lodu, gdy na powierzchni osadza się para. Podobne podejście sprawdza się również podczas badania defektów strukturalnych w kryształach półprzewodników, na przykład wakatów i dyslokacji, i pozwala zmierzyć zmęczenie strukturalne materiału.

Antyprotony mogą mieć również zastosowania medyczne. Obecnie w tym samym CERN prowadzony jest eksperyment ACE, który bada wpływ wiązki antyprotonów na żywe komórki. Jego celem jest zbadanie perspektyw wykorzystania antyprotonów w terapii nowotworów.

Wyzwolenie energii wiązki jonów i promieni rentgenowskich podczas przechodzenia przez substancję.

Zdjęcie: Johannes Gutleber/CERN

Ta myśl może z przyzwyczajenia przestraszyć czytelnika: jak to możliwe, że wiązka antyprotonu uderza w żywą osobę?! Tak, i jest to o wiele bezpieczniejsze niż naświetlanie głębokiego guza promieniami rentgenowskimi! Wiązka antyprotonowa o specjalnie dobranej energii staje się w rękach chirurga skutecznym narzędziem, za pomocą którego możliwe jest wypalenie nowotworu w głębi organizmu i zminimalizowanie wpływu na otaczające tkanki. W przeciwieństwie do promieni rentgenowskich, które spalają wszystko, co wpadnie pod wiązkę, ciężkie naładowane cząstki w drodze przez materię uwalniają większość swojej energii na ostatnich centymetrach, zanim się zatrzymają. Dostosowując energię cząstek, możesz zmieniać głębokość, na której zatrzymują się cząstki; To właśnie ten obszar o wielkości milimetrów będzie najbardziej narażony na promieniowanie.

Ten rodzaj radioterapii wiązką protonów jest od dawna stosowany w wielu świetnie wyposażonych klinikach na całym świecie. Ostatnio część z nich przeszła na terapię jonową, w której wykorzystuje się wiązkę jonów węgla, a nie protonów. Dla nich profil uwalniania energii jest jeszcze bardziej kontrastowy, co oznacza, że ​​wzrasta skuteczność pary „efekty terapeutyczne kontra skutki uboczne”. Jednak od dawna proponowano wypróbowanie w tym celu antyprotonów. Przecież kiedy dostaną się do substancji, nie tylko oddają swoją energię kinetyczną, ale także po zatrzymaniu anihilują - a to kilkakrotnie zwiększa uwalnianie energii. Miejsce zdeponowania tej dodatkowej energii jest kwestią złożoną i należy ją dokładnie zbadać przed rozpoczęciem badań klinicznych.

To właśnie robi eksperyment ACE. Badacze przepuszczają w nim wiązkę antyprotonów przez kuwetę zawierającą hodowlę bakterii i mierzą ich przeżycie w zależności od lokalizacji, parametrów wiązki i cech fizycznych środowiska. To metodyczne i być może nudne gromadzenie danych technicznych jest ważnym początkowym etapem każdej nowej technologii.

Igor Iwanow

Ekologia wiedzy: Antymateria od dawna jest tematem science fiction. W książce i filmie Anioły i demony profesor Langdon próbuje uratować Watykan przed bombą antymaterii. Statek kosmiczny Star Trek Enterprise korzysta z silnika opartego na

Antymateria od dawna jest tematem science fiction. W książce i filmie Anioły i demony profesor Langdon próbuje uratować Watykan przed bombą antymaterii. Statek Star Ship Enterprise ze Star Trek wykorzystuje anihilujący napęd antymaterii, aby podróżować szybciej niż prędkość światła. Ale antymateria jest także przedmiotem naszej rzeczywistości. Cząstki antymaterii są praktycznie identyczne ze swoimi materialnymi partnerami, z tą różnicą, że mają przeciwny ładunek i spin. Kiedy antymateria spotyka się z materią, natychmiast anihiluje w energię i nie jest to już fikcja.

Chociaż bomby na antymaterię i statki napędzane tym samym paliwem nie są jeszcze praktycznymi możliwościami, istnieje wiele faktów na temat antymaterii, które Cię zaskoczą lub odświeżą Twoją pamięć o tym, co już wiedziałeś.

1. Antymateria powinna była zniszczyć całą materię we Wszechświecie po Wielkim Wybuchu

Według tej teorii Wielki Wybuch stworzył materię i antymaterię w równych ilościach. Kiedy się spotykają, następuje wzajemne zniszczenie, anihilacja i pozostaje tylko czysta energia. Na tej podstawie nie powinniśmy istnieć.

Ale istniejemy. O ile fizycy wiedzą, dzieje się tak dlatego, że na każdy miliard par materia-antymateria przypadała jedna dodatkowa cząstka materii. Fizycy starają się wyjaśnić tę asymetrię.

2. Antymateria jest bliżej ciebie niż myślisz

Niewielkie ilości antymaterii nieustannie spadają na Ziemię w postaci promieni kosmicznych, energetycznych cząstek z kosmosu. Cząsteczki antymaterii docierają do naszej atmosfery w ilościach od jednego do ponad stu na metr kwadratowy. Naukowcy mają również dowody na to, że podczas burzy powstaje antymateria.

Istnieją inne źródła antymaterii, które są bliżej nas. Na przykład banany wytwarzają antymaterię, emitując jeden pozyton – antymateryjny odpowiednik elektronu – mniej więcej raz na 75 minut. Dzieje się tak, ponieważ banany zawierają niewielkie ilości potasu-40, naturalnie występującego izotopu potasu. Rozpad potasu-40 czasami powoduje powstanie pozytonu.

Nasze ciała zawierają również potas-40, co oznacza, że ​​emitujesz także pozytony. Antymateria anihiluje natychmiast po zetknięciu się z materią, więc te cząstki antymaterii nie trwają zbyt długo.

3. Ludziom udało się stworzyć bardzo mało antymaterii

Anihilacja antymaterii i materii może wyzwolić ogromne ilości energii. Gram antymaterii może wywołać eksplozję wielkości bomby atomowej. Jednak ludzie nie wyprodukowali zbyt wiele antymaterii, więc nie ma się czego bać.

Wszystkie antyprotony wytworzone w akceleratorze cząstek Tevatron firmy Fermilab miały zaledwie 15 nanogramów. Do tej pory CERN wyprodukował zaledwie około 1 nanograma. W DESY w Niemczech - nie więcej niż 2 nanogramy pozytonów.

Gdyby cała antymateria stworzona przez człowieka została natychmiast unicestwiona, jej energia nie wystarczyłaby nawet do zagotowania filiżanki herbaty.

Problem leży w wydajności i kosztach produkcji i przechowywania antymaterii. Wytworzenie 1 grama antymaterii wymaga około 25 milionów miliardów kilowatogodzin energii i kosztuje ponad milion miliardów dolarów. Nic dziwnego, że antymateria czasami znajduje się na liście dziesięciu najdroższych substancji naszego świata.

4. Istnieje coś takiego jak pułapka na antymaterię

Aby badać antymaterię, należy zapobiec jej anihilacji z materią. Naukowcy znaleźli na to kilka sposobów.

Naładowane cząstki antymaterii, takie jak pozytony i antyprotony, można przechowywać w tak zwanych pułapkach Penninga. Działają jak małe akceleratory cząstek. Wewnątrz nich cząstki poruszają się spiralnie, a pola magnetyczne i elektryczne zapobiegają ich zderzeniom ze ściankami pułapki.

Jednakże pułapki Penninga nie działają w przypadku cząstek obojętnych, takich jak antywodór. Ponieważ nie mają ładunku, cząstki te nie mogą być ograniczone przez pola elektryczne. Przetrzymywane są w pułapkach Ioffe’a, których działanie polega na tworzeniu obszaru przestrzeni, w którym pole magnetyczne staje się silniejsze we wszystkich kierunkach. Cząsteczki antymaterii utknęły w obszarze o najsłabszym polu magnetycznym.

Pole magnetyczne Ziemi może działać jak pułapki na antymaterię. Antyprotony odkryto w niektórych strefach wokół Ziemi – w pasach radiacyjnych Van Allena.

5. Antymateria może spaść (dosłownie)

Cząstki materii i antymaterii mają tę samą masę, ale różnią się właściwościami, takimi jak ładunek elektryczny i spin. Model Standardowy przewiduje, że grawitacja powinna w równym stopniu oddziaływać na materię i antymaterię, ale to się dopiero okaże. Pracują nad tym eksperymenty takie jak AEGIS, ALPHA i GBAR.

Obserwowanie efektu grawitacyjnego w antymaterii nie jest tak proste, jak obserwowanie upadku jabłka z drzewa. Eksperymenty te wymagają zatrzymania antymaterii w pułapce lub spowolnienia jej poprzez ochłodzenie jej do temperatur nieco powyżej zera absolutnego. A ponieważ grawitacja jest najsłabszą z podstawowych sił, fizycy muszą w tych eksperymentach używać neutralnych cząstek antymaterii, aby zapobiec interakcji z potężniejszą siłą, jaką jest elektryczność.

6. Antymateria jest badana w moderatorach cząstek

Czy słyszałeś o akceleratorach cząstek i moderatorach cząstek? CERN posiada maszynę zwaną Deceleratorem Antyprotonów, która wychwytuje i spowalnia antyprotony w pierścieniu w celu zbadania ich właściwości i zachowania.

W pierścieniowych akceleratorach cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów, cząstki otrzymują impuls energetyczny za każdym razem, gdy okrążą krąg. Moderatorzy działają w odwrotny sposób: zamiast przyspieszać cząstki, są popychane w przeciwnym kierunku.

7. Neutrina mogą być swoimi własnymi antycząstkami

Cząstka materii i jej antymateria mają przeciwne ładunki, co ułatwia ich rozróżnienie. Neutrina, cząstki prawie bezmasowe, które rzadko oddziałują z materią, nie mają ładunku. Naukowcy uważają, że mogą to być cząstki Majorany, hipotetyczna klasa cząstek, które są swoimi własnymi antycząstkami.

Projekty takie jak Majorana Demonstrator i EXO-200 mają na celu ustalenie, czy neutrina są rzeczywiście cząstkami Majorany, poprzez obserwację zachowania tak zwanego podwójnego rozpadu beta bez neutrin.

Niektóre jądra radioaktywne rozpadają się jednocześnie, emitując dwa elektrony i dwa neutrina. Gdyby neutrina były swoimi własnymi antycząstkami, anihilowałyby po podwójnym rozpadzie, pozostawiając naukowcom do obserwacji jedynie elektrony.

Poszukiwania neutrin Majorany mogą pomóc w wyjaśnieniu, dlaczego istnieje asymetria materia-antymateria. Fizycy sugerują, że neutrina Majorany mogą być ciężkie lub lekkie. Lekkie istnieją dzisiaj, ale ciężkie istniały zaraz po Wielkim Wybuchu. Ciężkie neutrina Majorany rozpadały się asymetrycznie, w wyniku czego pojawiła się niewielka ilość materii wypełniającej nasz Wszechświat.

8. Antymateria jest wykorzystywana w medycynie

PET, PET (topografia emisji pozytonów) wykorzystuje pozytony do tworzenia obrazów ciała o wysokiej rozdzielczości. Izotopy radioaktywne emitujące pozytony (takie jak te znajdujące się w bananach) przyłączają się do substancji chemicznych, takich jak glukoza, które znajdują się w organizmie. Są wstrzykiwane do krwioobiegu, gdzie w naturalny sposób ulegają rozpadowi, emitując pozytony. Te z kolei spotykają się z elektronami ciała i anihilują. Anihilacja wytwarza promienie gamma, które służą do konstruowania obrazów.

Naukowcy z projektu ACE w CERN badają antymaterię jako potencjalnego kandydata do leczenia raka. Lekarze odkryli już, że potrafią kierować wiązki cząstek w kierunku nowotworów, uwalniając ich energię dopiero wtedy, gdy bezpiecznie przejdą przez zdrową tkankę. Użycie antyprotonów doda dodatkowy przypływ energii. Technikę tę uznano za skuteczną w leczeniu chomików, ale nie została ona jeszcze przetestowana na ludziach.

9. Antymateria może czaić się w kosmosie

Jednym ze sposobów, w jaki naukowcy próbują rozwiązać problem asymetrii materii i antymaterii, jest poszukiwanie antymaterii pozostałej po Wielkim Wybuchu.

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) to detektor cząstek znajdujący się na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, który szuka takich cząstek. AMS zawiera pola magnetyczne, które zakrzywiają tor cząstek kosmicznych i oddzielają materię od antymaterii. Jego detektory muszą wykrywać i identyfikować przechodzące cząstki.

Zderzenia promieni kosmicznych zazwyczaj powodują powstanie pozytonów i antyprotonów, ale prawdopodobieństwo powstania atomu antyhelu pozostaje niezwykle małe ze względu na ogromną ilość energii potrzebnej do tego procesu. Oznacza to, że obserwacja choćby jednego jądra antyhelu byłaby mocnym dowodem na istnienie gigantycznych ilości antymaterii gdzie indziej we wszechświecie.

10. Ludzie faktycznie badają, jak zasilać statki kosmiczne paliwem antymaterii.

Już niewielka ilość antymaterii może wytworzyć ogromne ilości energii, co czyni ją popularnym paliwem dla futurystycznych statków w science fiction.

Napęd rakietowy na antymaterię jest hipotetycznie możliwy; głównym ograniczeniem jest zebranie wystarczającej ilości antymaterii, aby tak się stało.

Nie istnieje jeszcze technologia umożliwiająca masową produkcję lub gromadzenie antymaterii w ilościach wymaganych do takich zastosowań. Naukowcy pracują jednak nad symulacją takiego ruchu i magazynowania właśnie tej antymaterii. Jeśli pewnego dnia znajdziemy sposób na wytworzenie dużych ilości antymaterii, ich badania mogą pomóc w urzeczywistnieniu podróży międzygwiezdnych. opublikowany

Powszechna dostępność wszelkiego rodzaju informacji, obfitość filmów science fiction, których tematyka wiąże się z określonymi problemami naukowymi lub pseudonaukowymi, popularność powieści sensacyjnych – wszystko to doprowadziło do powstania znacznej liczby mitów na temat naszego społeczeństwa. świat. Na przykład dzięki licznym teoriom odtwarzającym warianty Końca Świata pojęcie „antymateria” stało się powszechnie stosowane. W dziełach sztuki i teoriach apokaliptycznych antymateria odnosi się do pewnej substancji, której właściwości są przeciwne substancji, czyli materii. Rodzaj czarnej dziury, która pochłania i niszczy wszystko, co wpadnie w jej strefę przyciągania. Czym tak naprawdę jest antymateria, o to trzeba pytać nie pisarzy, reżyserów i tych, którzy mają obsesję na punkcie oczekiwania ogólnego upadku, ale naukowców.

Antycząstki i antymateria są normalną częścią wszechświata

Naukowcy powiedzą Ci, że w antymaterii nie ma nic strasznego ani katastrofalnego. Choćby dlatego, że nie da się przeciwstawić materii i antymaterii – to, co potocznie nazywa się antymaterią, jest w rzeczywistości rodzajem substancji, czyli materii. Według klasyfikacji naukowej cząstki materii nazywane są zwykle strukturami materialnymi składającymi się z atomów otoczonych cząstkami elementarnymi. Podstawową częścią atomu jest jądro, które ma ładunek dodatni, a otaczające go cząstki elementarne są naładowane ujemnie. Są to te same elektrony, których nazwy używamy na co dzień, mówiąc o elektronice i urządzeniach elektrycznych.

Antymateria składa się z antycząstek, czyli struktur materialnych, których jądra mają ładunek ujemny, a otaczające je cząstki mają ładunek dodatni.

Dodatnie cząstki elementarne zostały odkryte przez naukowców dopiero w 1932 roku i nazwane pozytonami. Nie ma też fatalnego dramatu w oddziaływaniu cząstek i antycząstek, materii i antymaterii. Następuje anihilacja - proces przemiany reagującej materii i antymaterii w zasadniczo nowe cząstki, które początkowo nie istniały i mają właściwości odmienne od pierwotnych, „cząstek matek”. To prawda, że ​​​​„efekt uboczny” może być dość niebezpieczny: anihilacji towarzyszy uwolnienie ogromnej ilości energii. Szacuje się, że reakcja 1 kilograma materii z 1 kilogramem antymaterii wyzwoli energię równą około 43 megatonom eksplodującego trotylu. Najpotężniejsza bomba atomowa, która eksplodowała na Ziemi, miała potencjał około 58 megaton trotylu.

Sposób uzyskania antymaterii nie jest kwestią nauki

Istnienie antymaterii jest udowodnionym faktem. Teoretyczne założenia naukowców harmonijnie połączyły się z ogólnym naukowym obrazem świata, po czym eksperymentalnie odkryto antycząstki. Od prawie pięćdziesięciu lat antycząstki są wytwarzane sztucznie w wyniku reakcji interakcji między cząstkami i antycząstkami. W 1965 roku zsyntetyzowano antydeuteron, a 30 lat później otrzymano antywodór (różni się od „klasycznego” wodoru tym, że atom antymaterii składa się z pozytonu i antyprotonu). Naukowcy poszli dalej i w latach 2010-2011 udało im się „złapać” atomy antymaterii w warunkach laboratoryjnych. Niech tylko około 40 atomów znalazło się w „pułapce” i udało im się je utrzymać przez 172 milisekundy.

Praktyczne perspektywy badania antycząstek są oczywiste, biorąc pod uwagę ogromny potencjał energetyczny interakcji cząstek i antycząstek.

Wykorzystanie antymaterii i uruchomienie tego procesu w sposób kontrolowany faktycznie raz na zawsze eliminuje problem pozyskiwania energii.

Trudność, jak zawsze, leży w pieniądzach: obliczenia pokazują, że obecnie wyprodukowanie zaledwie jednego grama antymaterii kosztowałoby około 60 bilionów dolarów. Zatem tradycyjne źródła energii pozostają na razie aktualne, ale badania należy kontynuować. Co więcej, już na przełomie XX i XXI wieku astronomowie i astrofizycy odkryli źródła antymaterii we Wszechświecie. W szczególności uzyskano dane dotyczące rzeczywistych przepływów dodatnio naładowanych cząstek elementarnych (pozytronów) poruszających się w przestrzeni kosmicznej. Powstało kilka teorii, mniej lub bardziej popartych badaniami praktycznymi, wyjaśniających mechanizmy powstawania antycząstek w warunkach naturalnych.

Bardzo popularnym wyjaśnieniem jest to, że antycząstki powstają w silnym polu grawitacyjnym w czarnych dziurach. To pole grawitacyjne oddziałuje ze „zwykłą” materią, a w wyniku procesu „przetwarzania” materii powstają pozytony – cząstki, które pod wpływem grawitacji zmieniły swój ładunek z ujemnego na dodatni. Inna koncepcja wskazuje na naturalnie występujące pierwiastki promieniotwórcze, z których najbardziej znanymi są supernowe. Zakłada się, że te naturalne reaktory jądrowe „produkują” antycząstki jako produkt uboczny. Istnieją inne wersje: na przykład procesowi łączenia dwóch gwiazd może towarzyszyć powstawanie cząstek o zmienionym ładunku lub wręcz przeciwnie, taki efekt może spowodować śmierć gwiazd.

Gdzie znaleźć antymaterię - zagadka dla badaczy

Zatem obecność antymaterii jest niezaprzeczalna. Jednak, jak to zwykle bywa przy badaniu tajemnic Wszechświata, pojawił się zasadniczy problem, którego nauka na tym etapie swojego rozwoju nie jest jeszcze w stanie rozwiązać. Zgodnie z zasadą symetrii budowy Wszechświata , nasz świat powinien zawierać w przybliżeniu taką samą ilość materii co antymateria, tyle samo atomów składających się z dodatniego jądra i ujemnie naładowanych cząstek, co atomów z ujemnym jądrem i cząstkami dodatnimi. Jednak w praktyce nie odkryto obecnie żadnych śladów nagromadzeń antymaterii na dużą skalę (teoretycy wymyślili nawet nazwę takich nagromadzeń - „antyświat”).

W obserwacjach astronomicznych antymateria jest wykrywana dość dobrze jedynie dzięki emitowanemu promieniowaniu gamma. Optymiści nie tracą jednak nadziei – i całkiem słusznie.

Po pierwsze, Ziemia może znajdować się w tej „materialnej” części Wszechświata, która jest maksymalnie oddalona od połowy „antymaterii”. Oznacza to, że cały punkt tkwi w niewystarczająco wydajnych i wyrafinowanych urządzeniach obserwacyjnych. Po drugie, obiekty składające się z materii i antymaterii pod względem promieniowania elektromagnetycznego są nie do odróżnienia, dlatego metoda obserwacji optycznej jest tutaj bezużyteczna. Po trzecie, nie odrzucono teorii kompromisowych – np. mówiących, że Wszechświat ma strukturę komórkową, w której każda komórka składa się w połowie z materii i w połowie z antymaterii.

Aleksander Babicki