Sinteza antimaterije. Ravno obratno

ANTIMATERIJA, snov, sestavljena iz atomov, katerih jedra imajo negativen električni naboj in so obdana s pozitroni – elektroni s pozitivnim električnim nabojem. V navadni snovi, iz katere je zgrajen svet okoli nas, so pozitivno nabita jedra obdana z negativno nabitimi elektroni. Da bi jo razlikovali od antimaterije, navadno snov včasih imenujemo koinematerija (iz grščine. koinos- vsakdanji). Vendar se ta izraz v ruski literaturi praktično ne uporablja. Treba je poudariti, da izraz "antimaterija" ni povsem pravilen, saj je tudi antimaterija snov, njena vrsta. Antimaterija ima enake vztrajnostne lastnosti in ustvarja enako gravitacijsko privlačnost kot navadna snov.

Ko govorimo o materiji in antimateriji, je logično začeti z osnovnimi (subatomskimi) delci. Vsak elementarni delec ima antidelec; oba imata skoraj enake lastnosti, le da imata nasprotne električne naboje. (Če je delec nevtralen, je tudi antidelec nevtralen, vendar se lahko razlikujeta v drugih značilnostih. V nekaterih primerih sta delec in antidelec enaka drug drugemu.) Tako elektron, negativno nabit delec, ustreza pozitron, antidelec protona s pozitivnim nabojem pa je negativno nabit antiproton. Pozitron je bil odkrit leta 1932, antiproton pa leta 1955; to so bili prvi odkriti antidelci. Obstoj antidelcev je leta 1928 na podlagi kvantne mehanike napovedal angleški fizik P. Dirac.

Ko elektron in pozitron trčita, se anihilirata, tj. oba delca izgineta in iz točke njunega trka se izsevata dva žarka gama. Če se trkajoči delci gibljejo z nizko hitrostjo, potem je energija vsakega kvanta gama 0,51 MeV. Ta energija je "energija mirovanja" elektrona ali njegova masa mirovanja, izražena v energijskih enotah. Če se trkajoči delci gibljejo z veliko hitrostjo, bo energija žarkov gama zaradi njihove kinetične energije večja. Do anihilacije pride tudi ob trku protona z antiprotonom, vendar je proces v tem primeru veliko bolj zapleten. Kot vmesni produkti interakcije se rodijo številni kratkoživi delci; vendar po nekaj mikrosekundah kot končni produkt transformacij ostanejo nevtrini, žarki gama in majhno število parov elektron-pozitron. Ti pari se lahko sčasoma uničijo in ustvarijo dodatne žarke gama. Do anihilacije pride tudi, ko antinevtron trči v nevtron ali proton.

Ker antidelci obstajajo, se postavlja vprašanje, ali lahko iz antidelcev nastanejo antinukleusi. Jedra atomov navadne snovi sestavljajo protoni in nevtroni. Najenostavnejše jedro je jedro izotopa navadnega vodika 1 H; predstavlja en sam proton. Jedro devterija 2H je sestavljeno iz enega protona in enega nevtrona; imenuje se devteron. Drug primer preprostega jedra je jedro 3 He, sestavljeno iz dveh protonov in enega nevtrona. Antidevteron, sestavljen iz antiprotona in antinevtrona, je bil pridobljen v laboratoriju leta 1966; Jedro anti-3He, sestavljeno iz dveh antiprotonov in enega antinevtrona, je bilo prvič pridobljeno leta 1970.

Po sodobni fiziki delcev bi bilo mogoče z ustreznimi tehničnimi sredstvi dobiti antinukleuse vseh navadnih jeder. Če so ta antinukleusi obdani z ustreznim številom pozitronov, potem tvorijo antiatome. Antiatomi bi imeli skoraj popolnoma enake lastnosti kot navadni atomi; tvorili bi molekule, iz katerih bi lahko nastale trdne snovi, tekočine in plini, vključno z organskimi snovmi. Na primer, dva antiprotona in eno antikisikovo jedro skupaj z osmimi pozitroni bi lahko tvorili antivodno molekulo, podobno navadni vodi H 2 O, katere vsaka molekula je sestavljena iz dveh protonov vodikovih jeder, enega kisikovega jedra in osmih elektronov. Sodobna teorija delcev lahko napove, da bo antivoda zmrznila pri 0 °C, zavrela pri 100 °C in se drugače obnašala kot navadna voda. Če nadaljujemo s takšnim razmišljanjem, lahko pridemo do zaključka, da bi bil anti-svet, zgrajen iz antimaterije, izjemno podoben običajnemu svetu okoli nas. Ta sklep služi kot izhodišče za teorije o simetričnem vesolju, ki temeljijo na predpostavki, da vesolje vsebuje enake količine navadne snovi in ​​antimaterije. Živimo v tistem njegovem delu, ki je sestavljen iz navadne snovi.

Če prideta v stik dva enaka kosa snovi nasprotnih vrst, pride do anihilacije elektronov s pozitroni in jeder z antinukleusi. V tem primeru se bodo pojavili gama kvanti, po videzu katerih je mogoče presoditi, kaj se dogaja. Ker je Zemlja po definiciji sestavljena iz navadne snovi, v njej ni omembe vrednih količin antimaterije, razen majhnega števila antidelcev, ki nastanejo v velikih pospeševalnikih in v kozmičnih žarkih. Enako velja za celoten sončni sistem.

Opazovanja kažejo, da v naši Galaksiji nastaja le omejena količina sevanja gama. Iz tega vrsta raziskovalcev sklepa, da v njej ni opaznih količin antimaterije. Vendar ta ugotovitev ni neizpodbitna. Trenutno ni načina, da bi na primer ugotovili, ali je določena bližnja zvezda sestavljena iz snovi ali antimaterije; zvezda iz antimaterije oddaja popolnoma enak spekter kot običajna zvezda. Poleg tega je povsem možno, da je redka snov, ki zapolnjuje prostor okoli zvezde in je identična snovi same zvezde, ločena od območij, napolnjenih z snovjo nasprotnega tipa - zelo tanke visokotemperaturne "Leidenfrostove plasti". Tako lahko govorimo o »celični« strukturi medzvezdnega in medgalaktičnega prostora, v kateri vsaka celica vsebuje bodisi snov bodisi antimaterijo. To hipotezo podpirajo sodobne raziskave, ki kažejo, da imata magnetosfera in heliosfera (medplanetarni prostor) celično strukturo. Celice z različnimi magnetizacijami in včasih tudi različnimi temperaturami in gostotami so ločene z zelo tankimi tokovnimi lupinami. To vodi do paradoksalnega zaključka, da ta opažanja niso v nasprotju z obstojem antimaterije niti v naši Galaksiji.

Če prej ni bilo prepričljivih argumentov v prid obstoja antimaterije, so zdaj uspehi astronomije rentgenskih žarkov in žarkov gama spremenili situacijo. Opaženi so bili pojavi, povezani z ogromnim in pogosto zelo neurejenim sproščanjem energije. Najverjetneje je bil vir takšnega sproščanja energije anihilacija.

Švedski fizik O. Klein je razvil kozmološko teorijo, ki temelji na hipotezi o simetriji med snovjo in antimaterijo, in prišel do zaključka, da igrajo anihilacijski procesi odločilno vlogo pri evoluciji vesolja in oblikovanju strukture galaksij.

Vse bolj postaja jasno, da je glavna alternativna teorija, teorija "velikega poka", resno v nasprotju z opazovalnimi podatki in da bo "simetrična kozmologija" v bližnji prihodnosti verjetno zasedla osrednje mesto pri reševanju kozmoloških problemov.

Antimaterija je snov, sestavljena izključno iz antidelcev. V naravi ima vsak elementarni delec antidelec. Za elektron bo to pozitron, za pozitivno nabit proton pa antiproton. Atomi navadne snovi - drugače se imenuje kovanec- sestojijo iz pozitivno nabitega jedra, okoli katerega se gibljejo elektroni. Negativno nabita jedra atomov antimaterije pa so obdana z antielektroni.

Sile, ki določajo strukturo snovi, so enake tako za delce kot za antidelce. Preprosto povedano, delci se razlikujejo le po predznaku naboja. Značilno je, da "antimaterija" ni povsem pravilno ime. V bistvu gre le za vrsto snovi, ki ima enake lastnosti in je sposobna ustvarjati privlačnost.

Uničenje

Pravzaprav je to proces trka med pozitronom in elektronom. Posledično pride do medsebojnega uničenja (anihilacije) obeh delcev s sproščanjem ogromne energije. Uničenje 1 grama antimaterije je enakovredno eksploziji 10 kilotonskega naboja TNT!

Sinteza

Leta 1995 je bilo objavljeno, da je bilo sintetiziranih prvih devet antivodikovih atomov.Živeli so 40 nanosekund in umrli, pri čemer so sprostili energijo. In že leta 2002 je bilo število pridobljenih atomov v stotinah. Toda vsi nastali antidelci so lahko preživeli le nanosekunde. Stvari so se spremenile z zagonom hadronskega trkalnika: uspelo jim je sintetizirati 38 antivodikovih atomov in jih zadržati celo sekundo. V tem obdobju je bilo mogoče izvesti nekatere raziskave strukture antimaterije. Naučili so se zadržati delce po izdelavi posebne magnetne pasti. Za dosego želenega učinka se ustvari zelo nizka temperatura. Res je, da je takšna past zelo okorna, zapletena in draga zadeva.

V trilogiji S. Snegova "Ljudje kot bogovi" se postopek uničenja uporablja za medgalaktične lete. Junaki romana z njegovo uporabo spreminjajo zvezde in planete v prah. Ampak v našem času je pridobivanje antimaterije veliko težje in dražje kot nahraniti človeštvo.

Koliko stane antimaterija?

En miligram pozitronov naj bi stal 25 milijard dolarjev. In za en gram antivodika boste morali plačati 62,5 trilijona dolarjev.

Še ni se pojavil tako radodaren človek, da bi lahko kupil celo stotinko grama. Nekaj ​​sto milijonov švicarskih frankov je bilo treba plačati za milijardo grama, da bi dobili material za eksperimentalno delo na trku delcev in antidelcev. Zaenkrat v naravi ni snovi, ki bi bila dražja od antimaterije.

Toda z vprašanjem teže antimaterije je vse precej preprosto. Ker se od navadne snovi razlikuje le po naboju, so vse ostale lastnosti enake. Izkazalo se je, da bo en gram antimaterije tehtal natanko en gram.

Svet antimaterije

Če sprejmemo kot resnico, da je obstajala, potem bi morale kot rezultat tega procesa nastati enake količine materije in antimaterije. Zakaj torej ne opazujemo predmetov iz antimaterije v svoji bližini? Odgovor je povsem preprost: ti dve vrsti snovi ne moreta soobstajati skupaj. Zagotovo se bosta uničila. Verjetno obstajajo galaksije in celo vesolja iz antimaterije, nekatere pa celo vidimo. Toda iz njih izhaja isto sevanje, iz njih prihaja enaka svetloba, kot iz navadnih galaksij. Zato je še vedno nemogoče zagotovo reči, ali protisvet obstaja ali je to lepa pravljica.

Ali je nevarno?

Človeštvo je marsikatero koristno odkritje spremenilo v sredstva uničevanja. Antimaterija v tem smislu ne more biti izjema. Še vedno si ni mogoče predstavljati močnejšega orožja od tistega, ki temelji na principu anihilacije. Morda ni tako hudo, da še ni mogoče izločiti in shraniti antimaterije? Bo postal usodni zvon, ki ga bo človeštvo slišalo na svoj zadnji dan?

Pred kratkim so člani kolaboracije ALICE v CERN-u rekordno natančno izmerili mase jeder antimaterije in celo ocenili energijo, ki v njih veže antiprotone na antinevtrone. Doslej ni bilo ugotovljene bistvene razlike med temi parametri v materiji in antimateriji, vendar to ni glavna stvar. Pomembno je, da prav zdaj, v zadnjih nekaj letih, postajajo za meritve in opazovanja na voljo ne le antidelci, ampak tudi antinukleusi in celo antiatomi. To pomeni, da je čas, da ugotovimo, kaj je antimaterija in kakšno mesto zavzemajo njene raziskave v sodobni fiziki.

Poskusimo uganiti nekaj vaših prvih vprašanj o antimateriji.

Ali je res, da je mogoče iz antimaterije izdelati super-močno bombo? Je možno, da se v CERN-u dejansko kopiči antimaterija, kot je prikazano v filmu Angeli in demoni, in da je zelo nevarna? Ali drži, da bo antimaterija izjemno učinkovito gorivo za vesoljska potovanja? Je kaj resnice v ideji o pozitronskih možganih, s katerimi je Isaac Asimov v svojih delih obdaril robote?...

Nobena skrivnost ni, da je antimaterija za večino ljudi povezana z nečim izjemno (eksplozivno) nevarnim, z nečim sumljivim, z nečim, kar buri domišljijo s fantastičnimi obljubami in ogromnimi tveganji – od tod tudi takšna vprašanja. Priznajmo: fizikalni zakoni vsega tega neposredno ne prepovedujejo. Vendar je udejanjanje teh idej tako daleč od realnosti, od sodobnih tehnologij in tehnologij naslednjih desetletij, da je pragmatičen odgovor preprost: ne, za sodobni svet to ne drži. Pogovor o teh temah je preprosto fantazija, ki ne temelji na resničnih znanstvenih in tehničnih dosežkih, temveč na njihovi ekstrapolaciji daleč onkraj meja sodobnih zmožnosti. Če želite imeti resen pogovor o teh temah, se približajte 2100. Za zdaj se pogovorimo o dejanskih znanstvenih raziskavah antimaterije.

Kaj je antimaterija?

Naš svet je zasnovan tako, da za vsako vrsto delcev - elektrone, protone, nevtrone itd. - obstajajo antidelci (pozitroni, antiprotoni, antinevtroni). Imajo enako maso in, če so nestabilni, enako razpolovno dobo, vendar nasprotne naboje in druga števila, ki označujejo interakcijo. Pozitroni imajo enako maso kot elektroni, le pozitiven naboj. Antiprotoni imajo negativen naboj. Antinevtroni so električno nevtroni, tako kot nevtroni, vendar imajo nasprotno barionsko število in so sestavljeni iz antikvarkov. Antinukleus je mogoče sestaviti iz antiprotonov in antinevtronov. Z dodajanjem pozitronov ustvarimo antiatome, z njihovim kopičenjem pa dobimo antimaterijo. Vse to je antimaterija.

In tukaj je nekaj zanimivih podrobnosti, o katerih je vredno govoriti. Prvič, sam obstoj antidelcev je velika zmaga teoretične fizike. To neočitno in za nekatere celo šokantno idejo je teoretično izpeljal Paul Dirac in je bila sprva sprejeta sovražno. Še več, tudi po odkritju pozitronov so mnogi še vedno dvomili v obstoj antiprotonov. Prvič, rekli so, da je Dirac prišel s svojo lastno teorijo za opis elektrona, in ni dejstvo, da bo delovala za proton. Na primer, magnetni moment protona se večkrat razlikuje od napovedi Diracove teorije. Drugič, dolgo so iskali sledi antiprotonov v kozmičnih žarkih, a niso našli ničesar. Tretjič, trdili so - dobesedno ponavljajo naše besede - da če obstajajo antiprotoni, potem morajo obstajati antiatomi, antizvezde in antigalaksije, ki bi jih zagotovo opazili v grandioznih kozmičnih eksplozijah. Ker tega ne vidimo, je verjetno zato, ker antimaterija ne obstaja. Zato je bilo eksperimentalno odkritje antiprotona leta 1955 na novo zagnanem pospeševalniku Bevatron precej netrivialen rezultat, ki je bil leta 1959 nagrajen z Nobelovo nagrado za fiziko. Leta 1956 so na istem pospeševalniku odkrili antinevtron. Zgodbo o teh iskanjih, dvomih in dosežkih je mogoče najti v številnih zgodovinskih esejih, na primer v tem poročilu ali v nedavni knjigi Franka Closea Antimatter.

Vendar je treba ločeno povedati, da je zdrav dvom v čisto teoretične izjave vedno koristen. Na primer, izjava, da imajo antidelci enako maso kot delci, je prav tako teoretični rezultat; izhaja iz zelo pomembnega izreka CPT. Da, na tej trditvi je zgrajena sodobna, eksperimentalno preizkušena fizika mikrosveta. A vseeno gre za enakost: kdo ve, morda bomo tako našli meje uporabnosti teorije.

Še ena značilnost: vse sile mikrosveta se ne nanašajo enako na delce in antidelce. Za elektromagnetne in močne interakcije med njimi ni razlike, za šibke pa je. Zaradi tega se nekatere subtilne podrobnosti interakcij delcev in antidelcev razlikujejo, na primer verjetnosti razpada delca A v množico delcev B in anti-A v množico anti-B (za več podrobnosti o razlike, glej zbirko Pavla Pakhova). Ta lastnost nastane, ker šibke interakcije porušijo CP simetrijo našega sveta. Toda zakaj se to zgodi, je ena od skrivnosti osnovnih delcev in zahteva preseganje meja znanega.

Tukaj je še ena subtilnost: nekateri delci imajo tako malo značilnosti, da se antidelci in delci med seboj sploh ne razlikujejo. Takšni delci se imenujejo resnično nevtralni. To je foton, Higgsov bozon, nevtralni mezon, sestavljen iz kvarkov in antikvarkov iste vrste. Toda situacija z nevtrini je še vedno nejasna: morda so resnično nevtralni (Majorana) ali morda ne. To je ključnega pomena za teorijo, ki opisuje mase in interakcije nevtrinov. Odgovor na to vprašanje bo res velik korak naprej, saj nam bo pomagal razumeti strukturo našega sveta. Eksperiment o tem še ni povedal nič nedvoumnega. Toda eksperimentalni program za raziskovanje nevtrinov je tako močan, da se izvaja toliko poskusov, da se fiziki postopoma približujejo rešitvi.

Kje je ta antimaterija?

Ko se antidelec sreča s svojim delcem, ta anihilira: oba delca izgineta in se spremenita v niz fotonov ali lažjih delcev. Vsa energija počitka se spremeni v energijo te mikroeksplozije. To je najučinkovitejša pretvorba mase v toplotno energijo, več stokrat učinkovitejša od jedrske eksplozije. Toda okoli sebe ne vidimo nobenih veličastnih naravnih eksplozij; Antimaterija v naravi ne obstaja v znatnih količinah. Vendar se lahko posamezni antidelci rodijo v različnih naravnih procesih.

Najlažji način je ustvarjanje pozitronov. Najenostavnejša možnost je radioaktivnost, razpad nekaterih jeder zaradi pozitivne beta radioaktivnosti. Na primer, v poskusih se kot vir pozitronov pogosto uporablja izotop natrij-22 z razpolovno dobo dveh let in pol. Drug, dokaj nepričakovan naravni vir je, med katerim se včasih zaznajo bliski sevanja gama iz anihilacije pozitronov, kar pomeni, da so se pozitroni nekako rodili tam.

Težje je ustvariti antiprotone in druge antidelce: za to ni dovolj energije radioaktivnega razpada. V naravi se rodijo pod vplivom visokoenergijskih kozmičnih žarkov: kozmični proton ob trku z neko molekulo v zgornjih plasteh atmosfere ustvari tokove delcev in antidelcev. Vendar se to dogaja tam zgoraj, antiprotoni skoraj nikoli ne dosežejo tal (kar ni bilo znano tistim, ki so v 40. letih iskali antiprotone v kozmičnih žarkih), in tega vira antiprotonov ne morete prinesti v laboratorij.

V vseh fizikalnih eksperimentih se antiprotoni proizvajajo s "surovo silo": vzamejo žarek visokoenergijskih protonov, ga usmerijo na tarčo in razvrstijo "hadronske ostanke", ki nastanejo v velikih količinah pri tem trčenju. Razvrščeni antiprotoni se izločajo v obliki žarka, nato pa se bodisi pospešijo do visokih energij, da trčijo s protoni (tako je deloval npr. ameriški trkalnik Tevatron), ali pa se, nasprotno, upočasnijo in uporablja za bolj subtilne meritve.

V CERN-u, ki se lahko upravičeno ponaša z dolgo zgodovino raziskovanja antimaterije, obstaja poseben »pospeševalec« AD, »Antiproton Moderator«, ki opravlja prav to nalogo. Vzame žarek antiprotonov, jih ohladi (tj. upočasni) in nato porazdeli tok počasnih antiprotonov na več posebnih poskusov. Mimogrede, če želite pogledati stanje AD v realnem času, potem spletni monitorji Cernov to omogočajo.

Že zdaj je zelo težko sintetizirati antiatome, tudi tiste najenostavnejše, antivodikove atome. V naravi sploh ne nastanejo - ni ustreznih pogojev. Celo v laboratoriju je treba premagati številne tehnične težave, preden se antiprotoni udovolijo združiti s pozitroni. Težava je v tem, da so antiprotoni in pozitroni, ki jih oddajajo viri, še prevroči; preprosto bodo trčili drug ob drugega in razleteli, namesto da bi oblikovali antiatom. Fiziki še vedno premagujejo te težave, vendar z dokaj zvitimi metodami (kot je storjeno v enem od poskusov ASACUSA Cern).

Kaj je znanega o antinukleusih?

Vsi antiatomski dosežki človeštva se nanašajo samo na antivodik. Antiatomov drugih elementov še niso sintetizirali v laboratoriju ali opazili v naravi. Razlog je preprost: antinukleuse je še težje ustvariti kot antiprotone.

Edini način, ki ga poznamo, da ustvarimo antinukleuse, je, da trčimo v težka jedra visokih energij in vidimo, kaj se tam zgodi. Če je energija trka visoka, se bo rodilo na tisoče delcev, vključno z antiprotoni in antinevtroni, ki se bodo razpršili v vse smeri. Antiprotoni in antinevtroni, ki se pomotoma oddajo v eno smer, se lahko med seboj združijo in tvorijo antinukleus.

Detektor ALICE lahko razlikuje med različnimi jedri in antinukleusi na podlagi njihovega sproščanja energije in smeri zasuka v magnetnem polju.

Slika: CERN

Metoda je preprosta, a ne preveč neučinkovita: verjetnost, da bi na ta način sintetizirali jedro, močno upade, ko se poveča število nukleonov. Najlažja antinukleusa, antidevteron, so prvič opazili pred natanko pol stoletja. Antihelij-3 je bil viden leta 1971. Znana sta tudi antitriton in antihelij-4, slednji je bil odkrit pred kratkim, leta 2011. Težjih antinukleusov še niso opazili.

Dva parametra, ki opisujeta nukleon-nukleonske interakcije (sipalna dolžina f0 in efektivni polmer d0) za različne pare delcev. Rdeča zvezdica je rezultat za par antiprotonov, pridobljenih s sodelovanjem STAR.

Na žalost na ta način ne morete narediti antiatomov. Antinukleusi ne le redko nastajajo, ampak imajo tudi preveč energije in letijo ven na vse strani. Poskušati jih ujeti na trkalniku in jih nato peljati skozi poseben kanal in ohladiti, je nerealno.

Vendar je včasih dovolj, da natančno sledimo antinukleusom med letom, da pridobimo nekaj zanimivih informacij o antinuklearnih silah, ki delujejo med antinukleoni. Najenostavneje je natančno izmeriti maso antinukleusov, jo primerjati z vsoto mas antiprotonov in antinevtronov ter izračunati masni defekt, tj. jedrska vezna energija. Nedavno deluje na velikem hadronskem trkalniku; Vezavna energija za antidevteron in antihelij-3 je sovpadala v mejah napake z običajnimi jedri.

Drug, bolj subtilen učinek je proučeval eksperiment STAR na ameriškem trkalniku težkih ionov RHIC. Izmeril je kotno porazdelitev proizvedenih antiprotonov in ugotovil, kako se spremeni, ko sta dva antiprotona oddana v zelo blizu smeri. Korelacije med antiprotoni so prvič omogočile merjenje lastnosti "antinuklearnih" sil, ki delujejo med njimi (razpršilna dolžina in efektivni radij interakcije); so sovpadali s tem, kar je znano o interakciji protonov.

Ali je v vesolju antimaterija?

Ko je Paul Dirac iz svoje teorije sklepal o obstoju pozitronov, je popolnoma domneval, da lahko nekje v vesolju obstajajo resnični protisvetovi. Zdaj vemo, da v vidnem delu vesolja ni zvezd, planetov ali galaksij, narejenih iz antimaterije. Bistvo niti ni v tem, da anihilacijske eksplozije niso vidne; Preprosto popolnoma nepredstavljivo je, kako so sploh lahko nastali in preživeli do danes v nenehno razvijajočem se vesolju.

Toda vprašanje "kako se je to zgodilo" je še ena velika skrivnost sodobne fizike; v znanstvenem jeziku se imenuje problem bariogeneze. Po kozmološki sliki sveta je bilo v najzgodnejšem vesolju enako število delcev in antidelcev. Potem bi se moral zaradi kršitve CP simetrije in barionskega števila v dinamično razvijajočem se vesolju pojaviti majhen presežek snovi nad antimaterijo na ravni ene milijarde. Ko se je vesolje ohlajalo, so se vsi antidelci segreli z delci; le ta presežek snovi je preživel, kar je rodilo vesolje, ki ga opazujemo. Zaradi njega je v njej ostalo vsaj nekaj zanimivega, po njegovi zaslugi sploh obstajamo. Kako natančno je nastala ta asimetrija, ni znano. Teorij je veliko, katera je resnična, pa ni znano. Jasno je le, da mora biti to zagotovo nekakšna Nova fizika, teorija, ki presega standardni model, presega meje eksperimentalno preverjenega.

Tri možnosti, od kod lahko izvirajo antidelci v visokoenergijskih kozmičnih žarkih: 1 - lahko preprosto nastanejo in pospešijo v "kozmičnem pospeševalniku", na primer v pulsarju; 2 - se lahko rodijo med trki navadnih kozmičnih žarkov z atomi medzvezdnega medija; 3 - lahko nastanejo med razpadom težkih delcev temne snovi.

Čeprav ni planetov ali zvezd iz antimaterije, je antimaterija še vedno prisotna v vesolju. Tokove pozitronov in antiprotonov različnih energij beležijo satelitski observatoriji kozmičnih žarkov, kot so PAMELA, Fermi, AMS-02. Dejstvo, da pozitroni in antiprotoni pridejo k nam iz vesolja, pomeni, da se rodijo nekje tam zunaj. Visokoenergijski procesi, ki jih lahko povzročijo, so načeloma znani: to so močno namagnetene soseščine nevtronskih zvezd, različne eksplozije, pospeševanje kozmičnih žarkov na frontah udarnih valov v medzvezdnem mediju itd. Vprašanje je, ali lahko pojasnijo vse opažene lastnosti toka kozmičnih antidelcev. Če se ne izkaže, bo to dokaz v prid dejstvu, da nekateri od njih nastanejo pri razpadu ali anihilaciji delcev temne snovi.

Tukaj je tudi skrivnost. Leta 2008 je observatorij PAMELA odkril sumljivo veliko število visokoenergijskih pozitronov v primerjavi s predvidevanjem teoretičnega modeliranja. Te rezultate je nedavno potrdila naprava AMS-02 - eden od modulov Mednarodne vesoljske postaje in nasploh največji detektor osnovnih delcev, izstreljen v vesolje (in sestavljen, uganite kje? - pravilno, v CERN). Ta presežek pozitronov vznemirja ume teoretikov - navsezadnje za to morda niso odgovorni "dolgočasni" astrofizični objekti, temveč težki delci temne snovi, ki razpadejo ali anihilirajo v elektrone in pozitrone. Tukaj še ni jasnosti, vendar namestitev AMS-02, pa tudi številni kritični fiziki zelo natančno preučujejo ta pojav.

Razmerje med antiprotoni in protoni v kozmičnih žarkih različnih energij. Pike so eksperimentalni podatki, večbarvne krivulje so astrofizikalna pričakovanja z različnimi napakami.

Slika: Univerzitetna knjižnica Cornell

Nejasna je tudi situacija z antiprotoni. Aprila letos je AMS-02 na posebni znanstveni konferenci predstavil preliminarne rezultate novega cikla raziskav. Glavni poudarek poročila je bila trditev, da AMS-02 vidi preveč visokoenergijskih antiprotonov - in to bi lahko bil tudi namig na razpad delcev temne snovi. Vendar se drugi fiziki ne strinjajo s tako veselo ugotovitvijo. Zdaj se domneva, da je antiprotonske podatke iz AMS-02 mogoče z določeno mero razložiti s konvencionalnimi astrofizikalnimi viri. Tako ali drugače vsi nestrpno pričakujejo nove podatke o pozitronih in antiprotonih iz AMS-02.

AMS-02 je zaznal že na milijone pozitronov in četrt milijona antiprotonov. Toda ustvarjalci te instalacije imajo svetle sanje - ujeti vsaj eno antinukleus. To bo prava senzacija - naravnost neverjetno je, da bi se antinukleusi rodili nekje v vesolju in prileteli k nam. Zaenkrat tak primer še ni bil odkrit, a zbiranje podatkov se nadaljuje in kdo ve, kakšna presenečenja nam pripravlja narava.

Antimaterija - antigravitacija? Kako sploh čuti gravitacijo?

Če se zanašamo le na eksperimentalno preverjeno fiziko in se ne spuščamo v eksotične, še nepotrjene teorije, potem bi morala gravitacija na antimaterijo delovati povsem enako kot na snov. Za antimaterijo ni pričakovati antigravitacije. Če si dovolimo pogledati še malo dlje, čez meje znanega, potem so čisto teoretično možne opcije, ko poleg običajne univerzalne gravitacijske sile obstaja še nekaj dodatnega, ki različno deluje na materijo in antimaterijo. Ne glede na to, kako iluzorna se zdi ta možnost, jo je treba eksperimentalno preveriti, za to pa je treba izvesti poskuse, da bi preverili, kako antimaterija čuti zemeljsko gravitacijo.

Dolgo časa tega res ni bilo mogoče narediti iz preprostega razloga, ker je za to potrebno ustvariti posamezne atome antimaterije, jih ujeti in z njimi izvajati poskuse. Zdaj smo se naučili, kako to storiti, tako da je dolgo pričakovani test tik pred vrati.

Glavni dobavitelj rezultatov je isti CERN s svojim obsežnim programom za preučevanje antimaterije. Nekateri od teh poskusov so že posredno potrdili, da je gravitacija antimaterije v redu. Na primer, odkril je, da (inertna) masa antiprotona z zelo visoko natančnostjo sovpada z maso protona. Če bi gravitacija na antiprotone delovala drugače, bi fiziki opazili razliko – navsezadnje je bila primerjava narejena v isti postavitvi in ​​pod enakimi pogoji. Rezultat tega poskusa: učinek gravitacije na antiprotone sovpada z vplivom na protone z natančnostjo, boljšo od ene milijoninke.

Vendar je ta meritev posredna. Da bi bil bolj prepričljiv, bi rad izvedel neposreden eksperiment: vzemite več atomov antimaterije, jih spustite in poglejte, kako padajo v gravitacijskem polju. Takšne poskuse izvajajo oziroma pripravljajo tudi v CERN-u. Prvi poskus ni bil preveč impresiven. Leta 2013 je eksperiment ALPHA - ki se je do takrat že naučil zadržati oblak antivodika v svoji pasti - poskušal ugotoviti, kam bi padli antiatomi, če bi past izklopili. Na žalost zaradi nizke občutljivosti eksperimenta ni bilo mogoče dobiti nedvoumnega odgovora: minilo je premalo časa, antiatomi so hiteli sem in tja v pasti, tu in tam so se pojavili izbruhi anihilacije.

Stanje obljubljata še dva Cernova poskusa: GBAR in AEGIS. Oba poskusa bosta na različne načine testirala, kako oblak ultrahladnega antivodika pade v gravitacijsko polje. Njihova pričakovana natančnost pri merjenju gravitacijskega pospeška za antimaterijo je približno 1 %. Obe namestitvi sta trenutno v fazi montaže in odpravljanja napak, glavne raziskave pa se bodo začele leta 2017, ko bo AD antiprotonski moderator dopolnjen z novim hranilnim obročem ELENA.

Različice obnašanja pozitronov v trdni snovi.

Slika: nature.com

Kaj se zgodi, če pozitron vstopi v snov?

Tvorba molekularnega pozitronija na površini kremena.

Slika: Clifford M. Surko / Atomska fizika: Pridih juhe iz antimaterije

Če ste prebrali do tukaj, že dobro veste, da takoj, ko delec antimaterije vstopi v običajno snov, pride do anihilacije: delci in antidelec izginejo in se spremenijo v sevanje. Toda kako hitro se to zgodi? Predstavljajmo si pozitron, ki je priletel iz vakuuma in vstopil v trdno snov. Ali bo anihilirala ob stiku s prvim atomom? Sploh ni potrebno! Uničenje elektrona in pozitrona ni trenutni proces; zahteva dolgo časa na atomskih lestvicah. Zato pozitronu uspe živeti svetlo življenje v materiji, polno netrivialnih dogodkov.

Prvič, pozitron lahko pobere osiroteli elektron in tvori vezano stanje, pozitronij (Ps). Ob ustrezni orientaciji vrtenja lahko pozitronij živi več deset nanosekund pred anihilacijo. Ker je v trdni snovi, bo v tem času imel čas, da se milijonkrat zaleti z atomi, saj je toplotna hitrost pozitronija pri sobni temperaturi približno 25 km/s.

Drugič, pozitronij, ki se premika v snovi, lahko pride na površje in se tam drži - to je pozitronski (ali bolje rečeno pozitronijev) analog atomske adsorpcije. Pri sobni temperaturi ne sedi na enem mestu, ampak aktivno potuje po površini. In če to ni zunanja površina, ampak nanometrska pora, potem pozitronij ostane ujet v njej za dolgo časa.

Še več. V standardnem materialu za tovrstne poskuse, poroznem kremenu, pore niso izolirane, ampak so povezane z nanokanali v skupno mrežo. Topel pozitronij, ki plazi po površini, bo imel čas za pregled na stotine por. In ker v takšnih poskusih nastane veliko pozitronija in skoraj vsi lezejo ven v pore, se prej ali slej zaletijo drug v drugega in v interakciji včasih tvorijo prave molekule - molekularni pozitronij, Ps 2. Potem lahko preučujete, kako se plin pozitronij obnaša, kakšna vzbujena stanja ima pozitronij itd. In ne mislite, da so to zgolj teoretični premisleki; Vsi ti učinki so bili že preizkušeni in eksperimentalno raziskani.

Ali ima antimaterija praktične aplikacije?

Seveda. Na splošno bo vsak fizični proces, če nam odpre nekaj novega v našem svetu in ne zahteva dodatnih stroškov, zagotovo našel praktično uporabo. Še več, takšne aplikacije, ki si jih sami ne bi predstavljali, če ne bi odkrili in najprej proučili znanstvene plati tega pojava.

Najbolj znana uporaba antidelcev je PET, pozitronska emisijska tomografija. Na splošno ima jedrska fizika impresivno zgodovino uporabe v medicini in antidelci tudi tu ne mirujejo. Pri PET se v pacientovo telo vbrizga majhen odmerek zdravila, ki vsebuje nestabilen izotop s kratko življenjsko dobo (minut do ur) in razpada zaradi pozitivnega beta razpada. Zdravilo se kopiči v želenih tkivih, jedra razpadejo in oddajajo pozitrone, ki v bližini anihilirajo in proizvedejo dva gama kvanta določene energije. Detektor jih registrira, določi smer in čas njihovega prihoda ter obnovi mesto, kjer je prišlo do razpada. To omogoča izdelavo tridimenzionalne karte porazdelitve snovi z visoko prostorsko ločljivostjo in minimalno dozo sevanja.

Pozitrone je mogoče uporabiti tudi v znanosti o materialih, na primer za merjenje poroznosti snovi. Če je snov neprekinjena, potem pozitroni, ki so obtičali v snovi na zadostni globini, precej hitro anihilirajo in oddajajo žarke gama. Če so znotraj snovi nanopore, je anihilacija zakasnjena, ker se pozitronij prilepi na površino por. Z merjenjem te zakasnitve je mogoče z brezkontaktno in nedestruktivno metodo določiti stopnjo nanoporoznosti snovi. To tehniko ponazarjajo nedavna dela o tem, kako se nanopore pojavijo in zaprejo v najtanjši plasti ledu, ko se hlapi nanesejo na površino. Podoben pristop deluje tudi pri proučevanju strukturnih napak v polprevodniških kristalih, na primer prostih mest in dislokacij, in omogoča merjenje strukturne utrujenosti materiala.

Antiprotoni imajo lahko tudi medicinske aplikacije. Zdaj v istem CERN-u poteka eksperiment ACE, ki proučuje učinek antiprotonskega žarka na žive celice. Njegov cilj je preučiti možnosti uporabe antiprotonov za zdravljenje raka.

Sproščanje energije ionskega žarka in rentgenskih žarkov pri prehodu skozi snov.

Slika: Johannes Gutleber/CERN

Ta ideja lahko bralca iz navade prestraši: kako je mogoče, da antiprotonski žarek zadene živega človeka?! Da, in veliko varneje je kot obsevanje globokega tumorja z rentgenskimi žarki! Antiprotonski žarek posebej izbrane energije postane v rokah kirurga učinkovito orodje, s katerim je mogoče izgoreti tumorje globoko v telesu in zmanjšati vpliv na okoliška tkiva. Za razliko od rentgenskih žarkov, ki sežgejo vse, kar pade pod žarek, težki nabiti delci na poti skozi snov sprostijo glavnino energije v zadnjih centimetrih, preden se ustavijo. S prilagajanjem energije delcev lahko spreminjate globino, na kateri se delci ustavijo; Prav to območje, veliko milimetrov, bo nosilo glavni vpliv sevanja.

Ta vrsta radioterapije s protonskim žarkom se že dolgo uporablja v številnih dobro opremljenih klinikah po vsem svetu. Pred kratkim so nekateri od njih prešli na ionsko terapijo, ki namesto protonov uporablja žarek ogljikovih ionov. Pri njih je profil sproščanja energije še bolj kontrasten, kar pomeni, da se poveča učinkovitost para »terapevtski učinki proti stranskim učinkom«. Toda že dolgo je bilo predlagano, da bi v ta namen poskusili antiprotone. Konec koncev, ko vstopijo v snov, ne samo dajo svojo kinetično energijo, ampak tudi anihilirajo po zaustavitvi - in to večkrat poveča sproščanje energije. Kje se odloži ta dodatna energija, je zapleteno vprašanje in ga je treba skrbno preučiti, preden se začnejo klinična preskušanja.

Točno to počne eksperiment ACE. V njej raziskovalci preidejo žarek antiprotonov skozi kiveto, ki vsebuje bakterijsko kulturo, in merijo njihovo preživetje kot funkcijo lokacije, parametrov žarka in fizičnih značilnosti okolja. To metodično in morda dolgočasno zbiranje tehničnih podatkov je pomembna začetna faza vsake nove tehnologije.

Igor Ivanov

Ekologija znanja: antimaterija je že dolgo predmet znanstvene fantastike. V knjigi in filmu Angeli in demoni skuša profesor Langdon rešiti Vatikan pred bombo iz antimaterije. Zvezdna ladja Star Trek Enterprise uporablja motor, ki temelji na

Antimaterija je že dolgo predmet znanstvene fantastike. V knjigi in filmu Angeli in demoni skuša profesor Langdon rešiti Vatikan pred bombo iz antimaterije. Zvezdna ladja Enterprise iz Zvezdnih stez uporablja uničevalni pogon antimaterije, da potuje hitreje od svetlobne hitrosti. Toda antimaterija je tudi predmet naše realnosti. Delci antimaterije so praktično identični svojim materialnim partnerjem, le da nosijo nasprotni naboj in se vrtijo. Ko se antimaterija sreča s snovjo, se takoj uničijo v energijo in to ni več fikcija.

Čeprav bombe z antimaterijo in ladje, ki jih poganja isto gorivo, še niso praktične možnosti, obstaja veliko dejstev o antimateriji, ki vas bodo presenetila ali vam osvežila spomin na tisto, kar ste že vedeli.

1. Antimaterija bi morala uničiti vso snov v vesolju po velikem poku

Po teoriji je Veliki pok ustvaril materijo in antimaterijo v enakih količinah. Ko se srečata, pride do medsebojnega uničenja, anihilacije in ostane samo čista energija. Na podlagi tega ne bi smeli obstajati.

Vendar obstajamo. In kolikor vedo fiziki, je to zato, ker je na vsako milijardo parov materija-antimaterija obstajal en dodaten delec snovi. Fiziki se po svojih najboljših močeh trudijo razložiti to asimetrijo.

2. Antimaterija vam je bližje, kot si mislite

Majhne količine antimaterije nenehno dežujejo na Zemljo v obliki kozmičnih žarkov, energijskih delcev iz vesolja. Ti delci antimaterije dosežejo našo atmosfero v ravneh od enega do več kot sto na kvadratni meter. Znanstveniki imajo tudi dokaze, da antimaterija nastaja med nevihtami.

Obstajajo drugi viri antimaterije, ki so nam bližje. Banane, na primer, proizvajajo antimaterijo z oddajanjem enega pozitrona – antimaterijskega ekvivalenta elektrona – približno enkrat vsakih 75 minut. To je zato, ker banane vsebujejo majhne količine kalija-40, naravnega izotopa kalija. Pri razpadu kalija-40 včasih nastane pozitron.

Naša telesa vsebujejo tudi kalij-40, kar pomeni, da tudi vi oddajate pozitrone. Antimaterija se takoj uniči ob stiku s snovjo, zato ti delci antimaterije ne obstanejo prav dolgo.

3. Ljudem je uspelo ustvariti zelo malo antimaterije

Uničenje antimaterije in materije lahko sprošča ogromne količine energije. En gram antimaterije lahko povzroči eksplozijo v velikosti jedrske bombe. Vendar ljudje niso proizvedli veliko antimaterije, zato se ni treba bati.

Vsi antiprotoni, ustvarjeni v Fermilabovem pospeševalniku delcev Tevatron, bi komaj merili do 15 nanogramov. CERN je do danes proizvedel le približno 1 nanogram. V DESY v Nemčiji - ne več kot 2 nanograma pozitronov.

Če bi vso antimaterijo, ki so jo ustvarili ljudje, takoj uničili, njena energija ne bi zadostovala niti za kuhanje skodelice čaja.

Težava je v učinkovitosti in stroških proizvodnje in shranjevanja antimaterije. Ustvarjanje 1 grama antimaterije zahteva približno 25 milijonov milijard kilovatnih ur energije in stane več kot milijon milijard dolarjev. Ni presenetljivo, da je antimaterija včasih vključena na seznam desetih najdražjih snovi na našem svetu.

4. Obstaja nekaj takega, kot je past antimaterije

Če želite preučevati antimaterijo, morate preprečiti njeno uničenje s snovjo. Znanstveniki so našli več načinov za to.

Nabite delce antimaterije, kot so pozitroni in antiprotoni, je mogoče shraniti v tako imenovane Penningove pasti. So kot pospeševalci drobnih delcev. Znotraj njih se delci gibljejo spiralno, medtem ko jih magnetna in električna polja preprečujejo, da bi trčili v stene pasti.

Vendar Penningove pasti ne delujejo za nevtralne delce, kot je antivodik. Ker nimajo naboja, teh delcev ne morejo omejiti električna polja. Zadržujejo se v Ioffejevih pasteh, ki delujejo tako, da ustvarijo območje prostora, kjer postane magnetno polje močnejše v vseh smereh. Delci antimaterije se zataknejo v območju z najšibkejšim magnetnim poljem.

Zemljino magnetno polje lahko deluje kot pasti antimaterije. Antiprotone so našli v določenih območjih okoli Zemlje – v Van Allenovih radiacijskih pasovih.

5. Antimaterija lahko pade (dobesedno)

Delci materije in antimaterije imajo enako maso, vendar se razlikujejo po lastnostih, kot sta električni naboj in vrtenje. Standardni model predvideva, da bi morala gravitacija enako vplivati ​​na materijo in antimaterijo, vendar je treba to zagotovo še ugotoviti. Na tem delajo eksperimenti, kot so AEGIS, ALPHA in GBAR.

Opazovanje gravitacijskega učinka v antimateriji ni tako enostavno kot opazovanje jabolka, ki pada z drevesa. Ti poskusi zahtevajo ohranjanje antimaterije v pasti ali njeno upočasnitev z ohlajanjem na temperature tik nad absolutno ničlo. In ker je gravitacija najšibkejša temeljna sila, morajo fiziki v teh poskusih uporabiti nevtralne delce antimaterije, da preprečijo interakcijo z močnejšo silo elektrike.

6. Antimaterijo preučujejo v moderatorjih delcev

Ste že slišali za pospeševalnike delcev in za moderatorje delcev? CERN ima stroj, imenovan Antiproton Decelerator, ki ujame in upočasni antiprotone v obroču, da preuči njihove lastnosti in obnašanje.

V obročastih pospeševalnikih delcev, kot je Large Hadron Collider, dobijo delci energijsko povečanje vsakič, ko sklenejo krog. Moderatorji delujejo v nasprotni smeri: namesto da bi delce pospeševali, jih potiskajo v nasprotno smer.

7. Nevtrini so lahko lastni antidelci

Delec snovi in ​​njegov partner iz antimaterije nosita nasprotna naboja, zaradi česar ju je enostavno razlikovati. Nevtrini, skoraj brezmasni delci, ki redko interagirajo s snovjo, nimajo naboja. Znanstveniki menijo, da so morda delci Majorana, hipotetični razred delcev, ki so njihovi lastni antidelci.

Cilj projektov, kot sta Majorana Demonstrator in EXO-200, je ugotoviti, ali so nevtrini res Majorana delci z opazovanjem vedenja tako imenovanega dvojnega beta razpada brez nevtrinov.

Nekatera radioaktivna jedra razpadejo hkrati, pri čemer oddajajo dva elektrona in dva nevtrina. Če bi bili nevtrini sami sebi lastni antidelci, bi po dvojnem razpadu anihilirali, znanstvenikom pa bi ostali samo elektroni za opazovanje.

Iskanje Majoraninih nevtrinov bi lahko pomagalo razložiti, zakaj obstaja asimetrija materije in antimaterije. Fiziki domnevajo, da so Majoranini nevtrini lahko težki ali lahki. Lahki obstajajo danes, težki pa so obstajali takoj po velikem poku. Težki Majorana nevtrini so razpadli asimetrično, kar je povzročilo pojav majhne količine snovi, ki je napolnila naše vesolje.

8. Antimaterija se uporablja v medicini

PET, PET (positron emission topography) uporablja pozitrone za izdelavo slik telesa v visoki ločljivosti. Radioaktivni izotopi, ki oddajajo pozitron (kot so tisti v bananah), se vežejo na kemikalije, kot je glukoza, ki se nahajajo v telesu. Vbrizgajo se v krvni obtok, kjer naravno razpadejo in oddajajo pozitrone. Ti pa se srečajo z elektroni telesa in anihilirajo. Anihilacija proizvaja žarke gama, ki se uporabljajo za izdelavo slik.

Znanstveniki v CERN-ovem projektu ACE preučujejo antimaterijo kot možnega kandidata za zdravljenje raka. Zdravniki so že odkrili, da lahko usmerijo žarke delcev na tumorje, pri čemer sprostijo svojo energijo šele, ko varno preidejo skozi zdravo tkivo. Uporaba antiprotonov bo dodala dodaten izbruh energije. Ta tehnika se je izkazala za učinkovito pri zdravljenju hrčkov, vendar še ni bila preizkušena pri ljudeh.

9. Antimaterija se morda skriva v vesolju

Eden od načinov, kako znanstveniki poskušajo rešiti problem asimetrije materije in antimaterije, je iskanje antimaterije, ki je ostala od velikega poka.

Alfa magnetni spektrometer (AMS) je detektor delcev, ki se nahaja na Mednarodni vesoljski postaji in išče takšne delce. AMS vsebuje magnetna polja, ki ukrivljajo pot kozmičnih delcev in ločujejo materijo od antimaterije. Njegovi detektorji morajo takšne delce zaznati in identificirati, ko gredo mimo.

Trki kozmičnih žarkov običajno proizvedejo pozitrone in antiprotone, vendar je verjetnost ustvarjanja atoma antihelija izjemno majhna zaradi ogromne količine energije, potrebne za ta proces. To pomeni, da bi bilo opazovanje celo enega antihelijevega nukleola močan dokaz za obstoj velikanskih količin antimaterije drugje v vesolju.

10. Ljudje dejansko preučujejo, kako napajati vesoljska plovila z gorivom iz antimaterije.

Le malo antimaterije lahko proizvede ogromne količine energije, zaradi česar je priljubljeno gorivo za futuristične ladje v znanstveni fantastiki.

Pogon rakete na antimaterijo je hipotetično mogoč; glavna omejitev je zbiranje dovolj antimaterije, da se to zgodi.

Tehnologija še ne obstaja za množično proizvodnjo ali zbiranje antimaterije v količinah, potrebnih za takšne aplikacije. Vendar znanstveniki delajo na simulaciji takšnega gibanja in shranjevanja prav te antimaterije. Če nekega dne najdemo način za proizvodnjo velikih količin antimaterije, bi njihove raziskave lahko pomagale, da medzvezdno potovanje postane resničnost. objavljeno

Javna dostopnost kakršnih koli informacij, obilica znanstvenofantastičnih filmov, katerih teme so povezane z določenimi znanstvenimi ali psevdoznanstvenimi problemi, priljubljenost senzacionalnih romanov - vse to je privedlo do oblikovanja precejšnjega števila mitov o našem svetu. Na primer, zahvaljujoč številnim teorijam, ki igrajo različice konca sveta, je koncept "antimaterije" postal široko uporabljen. V umetniških delih in apokaliptičnih teorijah se antimaterija nanaša na določeno snov, katere lastnosti so nasprotne snovi, materiji. Nekakšna črna luknja, ki posrka in uniči vse, kar pade v njeno območje privlačnosti. Kaj pravzaprav je antimaterija, ne morate vprašati pisateljev, režiserjev in tistih, ki so obsedeni s pričakovanjem splošnega kolapsa, temveč znanstvenike.

Antidelci in antimaterija so normalen del vesolja

Znanstveniki vam bodo povedali, da v antimateriji ni nič strašnega ali katastrofalnega. Pa čeprav samo zaradi dejstva, da je nemogoče zoperstaviti materijo in antimaterijo - tisto, kar običajno imenujemo antimaterija, je pravzaprav vrsta snovi, torej materija. Po znanstveni klasifikaciji se delci snovi običajno imenujejo materialne strukture, sestavljene iz atomov, obdanih z osnovnimi delci. Osnovni del atoma je jedro, ki ima pozitiven naboj, elementarni delci okoli njega pa so negativno nabiti. To so isti elektroni, katerih ime uporabljamo v vsakdanjem življenju vsak dan, ko omenjamo elektroniko in električne naprave.

Antimaterijo sestavljajo antidelci, torej tiste materialne strukture, katerih jedra imajo negativen naboj, delci, ki jih obkrožajo, pa pozitiven.

Pozitivne osnovne delce so znanstveniki odkrili šele leta 1932 in jih poimenovali pozitroni. Prav tako ni usodne drame v interakciji delcev in antidelcev, materije in antimaterije. Pojavi se anihilacija - proces pretvorbe reagirajoče snovi in ​​antimaterije v bistveno nove delce, ki sprva niso obstajali in imajo lastnosti, ki se razlikujejo od prvotnih, "maternih" delcev. Res je, "stranski učinek" je lahko precej nevaren: anihilacijo spremlja sproščanje ogromne količine energije. Ocenjuje se, da bo reakcija 1 kilograma snovi z 1 kilogramom antimaterije sprostila energijo, ki je enaka približno 43 megatonom eksplozivnega TNT-ja. Najmočnejša jedrska bomba, ki je eksplodirala na Zemlji, je imela potencial približno 58 megatonov TNT.

Kako pridobiti antimaterijo, ni vprašanje za znanost

Resničnost antimaterije je dokazano dejstvo. Teoretične predpostavke znanstvenikov so se harmonično združile s splošno znanstveno sliko sveta, nato pa so bili eksperimentalno odkriti antidelci. Že skoraj petdeset let se antidelci proizvajajo umetno z interakcijsko reakcijo med delci in antidelci. Leta 1965 je bil sintetiziran anti-devteron, 30 let kasneje pa anti-vodik (njegova razlika od "klasičnega" vodika je, da je atom antimaterije sestavljen iz pozitrona in antiprotona). Znanstveniki so šli dlje in v letih 2010-2011 uspeli "ujeti" atome antimaterije v laboratorijskih pogojih. Naj se v "pasti" znajde le okoli 40 atomov in so jih lahko zadržali 172 milisekund.

Praktične možnosti za preučevanje antidelcev so očitne, glede na ogromen energijski potencial interakcije delcev in antidelcev.

Uporaba antimaterije in kontroliran zagon tega procesa pravzaprav enkrat za vselej odpravi problem pridobivanja energije.

Težava je kot vedno v denarju: izračuni kažejo, da bi proizvodnja samo enega grama antimaterije danes stala okoli 60 bilijonov dolarjev. Tradicionalni viri energije torej ostajajo zaenkrat pomembni – vendar je treba raziskave nadaljevati. Še več, že na prehodu iz 20. v 21. stoletje so astronomi in astrofiziki odkrili vire antimaterije v vesolju. Zlasti so bili pridobljeni podatki o realnih tokovih pozitivno nabitih elementarnih delcev (pozitronov), ki se gibljejo v vesolju. Pojavilo se je več teorij, bolj ali manj utemeljenih s praktičnimi raziskavami, ki pojasnjujejo mehanizme nastanka antidelcev v naravnih razmerah.

Zelo priljubljena razlaga je, da antidelci nastajajo v močnem gravitacijskem polju v črnih luknjah. To gravitacijsko polje interagira z "navadno" snovjo in kot rezultat procesa "predelave" snovi nastanejo pozitroni - delci, ki so pod vplivom gravitacije spremenili svoj naboj iz negativnega v pozitivni. Drugi koncept kaže na naravno prisotne radioaktivne elemente, med katerimi so najbolj znane supernove. Predpostavlja se, da ti naravni jedrski reaktorji "proizvajajo" antidelce kot stranski produkt. Obstajajo tudi druge različice: na primer, proces združitve dveh zvezd lahko spremlja nastanek delcev s spremenjenim nabojem ali, nasprotno, tak učinek lahko povzroči smrt zvezd.

Kje najti antimaterijo - uganka za raziskovalce

Tako je prisotnost antimaterije neizpodbitna. Toda, kot se običajno zgodi pri proučevanju skrivnosti vesolja, se je pojavil temeljni problem, ki ga znanost na tej stopnji svojega razvoja še ni uspela rešiti. Po načelu simetrije zgradbe vesolja , naj bi naš svet vseboval približno enako količino snovi kot antimaterije, toliko atomov, sestavljenih iz pozitivnega jedra in negativno nabitih delcev, kot atomov z negativnim jedrom in pozitivnimi delci. Toda v praksi trenutno ni bilo odkritih sledi obsežnih kopičenj antimaterije (teoretiki so celo izmislili ime za takšne kopičenja - "protisvet").

Pri astronomskih opazovanjih se antimaterija dokaj dobro zazna samo zaradi oddanega sevanja gama. Vendar pa optimisti ne izgubijo upanja – in povsem upravičeno.

Prvič, Zemlja se lahko nahaja v tistem "materialnem" delu vesolja, ki je maksimalno oddaljen od polovice "antimaterije". To pomeni, da je vsa poanta premalo močna in sofisticirana opazovalna naprava. Drugič, v smislu njihovega elektromagnetnega sevanja se predmeti, sestavljeni iz snovi in ​​antimaterije, ne razlikujejo, zato je optična metoda opazovanja tukaj neuporabna. Tretjič, kompromisne teorije niso bile zavrnjene - na primer, da ima vesolje celično strukturo, v kateri je vsaka celica sestavljena iz polovice snovi in ​​polovice antimaterije.

Aleksander Babitski