Що таке речовина та антиречовина. Антиматерія « Цікаво про науку

Майже все, що ми детектуємо на Землі і за допомогою штучних супутників, є речовиною. Антивещество виходить Землі з допомогою прискорювачів високих енергій. Так, наприклад, було отримано антипротони, ядра антидейтрону, антигелію, антиатоми.
Астрономічними методами безпосереднє спостереження антиматерії неможливе, т.к. фотони, що народжуються при взаємодії частинок антиматерії між собою, не відрізняються від фотонів, що народжуються при взаємодії частинок матерії. Причина в тому, що фотон є істинно нейтральною частинкою. У принципі матерію від антиматерії можна відрізнити за спостереженням нейтрино і антинейтрино, проте в даний час такі спостереження малореальні.
Якби в найближчому оточенні Землі були області, в яких домінувала антиматерія, це мало б виявлятися у вигляді анігіляційних γ-квантів, які утворюються при анігіляції матерії та антиматерії. Важливим аргументом на користь переважання матерії над антиматерією є космічні промені. Вони є частинками матерії - протони, електрони, атомні ядра, виготовлені з протонів і нейтронів.
Утворення частинок антиречовини спостерігається внаслідок взаємодії високоенергійних частинок космічного випромінювання з атмосферою Землі. Античастинки утворюються в областях із підвищеною концентрацією енергії. Так, наприклад, утворення античастинок відбувається у ядрах активних галактик. Як правило, у таких випадках частинки антиматерії з'являються разом із частинками матерії. На наступній стадії відбувається утворення та анігіляція частинок речовини та антиречовини. Так, наприклад, фотон з енергією більше 1 МеВ може у полі атомного ядра утворити електрон-позитронну пару. Позитрон, що утворився при зустрічі з електроном анігілює, утворюючи частіше 2 і рідше 3 γ-кванта.
Проблема існування антиречовини у Всесвіті є фундаментальною проблемою фізики, яка пов'язана з проблемою утворення та розвитку Всесвіту.
Існують різні гіпотези щодо того, чому спостерігається Всесвіт майже повністю складається з матерії. Чи існують області Всесвіту, де переважає антиматерія? Чи можна використовувати антиматерію? Причина очевидної асиметрії речовини та антиречовини у видимому Всесвіті одна з найбільших невирішених загадок у сучасній фізиці. Процес, з якого виникає ця асиметрія між частинками і античастинками називається баріогенезисом.
До 50-х років ХХ століття переважала думка, що у Всесвіті однакова кількість матерії та антиматерії. Однак у середині 60-х років роботи в галузі теорії Великого Вибуху похитнули цю точку зору. Дійсно, якщо в перші моменти існування гарячого і щільного Всесвіту кількість частинок і античастинок була однаковою, то їх анігіляція призвела б до того, що у Всесвіті залишилося тільки випромінювання. В даний час більшість фізиків згідно з тим, що в результаті порушення СР-симетрії у Всесвіті в перші миті еволюції частинок утворилося дещо більше, ніж античастинок - приблизно одна частка на 109 пар частка-античастка. Через війну після анігіляції залишилося небагато часток.
Інша можливість пояснити домінування речовини в «ближньому» Всесвіті це припустити, що антиречовина зосереджена в далеких погано досліджених областях Всесвіту. У 1979 році Флойд Стекер (Floyd Stecker) припустив, що асиметрія речовини та антиречовини могла виникнути спонтанно в перші моменти після Великого вибуху, коли речовина та антиречовина розлетілися в різні боки.
Так як електромагнітне випромінювання однаково взаємодіє як з матерією, так і з антиматерією, планети, зірки і галактики з матерії та антиматерії в електромагнітному випромінюванні виглядають однаково. Тому потрібні інші методи пошуку антиречовини у Всесвіті. Одним із таких методів є спостереження антиядер у космічному просторі. Це повинні бути антиядра з масовим числом A > 4. Якби вдалося зареєструвати поблизу Землі ядра антигелія, ми отримали б досить сильне свідчення на користь існування у Всесвіті областей підвищеного вмісту антиречовини.
Чому для пошуку антиматерії слід шукати ядра антигелія чи важчі ядра? Справа в тому, що антипротони можуть утворюватися при взаємодії ультрарелятивістських протонів чи інших ядер космічних променів. В енергетичному спектрі таких антипротонів (зазвичай їх називають вторинними) повинен спостерігатися широкий максимум в області 2 ГеВ. Іншими джерелами антипротонів, які називають первинними, можуть бути анігіляція гіпотетичних суперсиметричних частинок, з яких, як передбачається, складається темна матерія, – нейтраліно та/або випаровування «первинних» чорних дірок. Парна анігіляція нейтраліно може призводити до народження кварк-антикваркових струменів, з подальшою їх адронізацією та утворенням антипротонів. Первинні чорні діри могли утворюватись у ранньому Всесвіті. Такі чорні дірки з масою 1014-15 можуть досить інтенсивно випаровувати частинки (випромінювання Хокінга). Внесок таких первинних антипротонів у енергетичний спектр, що реєструється, можна намагатися виявити в низькоенергетичній області< 1 ГэВ.
Потік вторинних антипротонів можна оцінити залежно від моделі Галактики. Він досягає максимуму за енергії ~10 ГеВ. В області енергією до кількох сотень ГеВ за характером спектру є надія отримати інформацію як про баріогенез так і/або про анігіляцію суперсиметричних частинок та/або WIMPів.
Утворення антидейтронів під впливом космічних променів значно менш імовірно. Спектр вторинних антидейтронів повинен бути зрушений в область більших енергій у порівнянні зі спектром вторинних антипротонів і швидко спадати при зменшенні енергії. Для первинних антидейтронів, що утворюються при анігіляції частинок темної матерії та/або випаровуванні первинних чорних дірок, максимум спектра очікується при енергії< 1 ГэВ. Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо разделены.
Імовірність утворення ядер антигелію під впливом космічних променів зникає мало. Дійсно, для цього повинні в одному місці і практично одночасно утворитися два антипротони і два антинейтрони, причому їх відносні швидкості повинні бути малі. У 1997 р. Паскаль Шардоне (Pascal Chardonnet) оцінив ймовірність такої події. За його оцінками, одне ядро ​​антигелію може утворитися на 10 15 ультрарелятивістських протонів космічних променів. Середній час очікування такої події становить 15 мільярдів років, що можна порівняти з віком Всесвіту.
Якщо у Всесвіті ранній стадії еволюції справді утворилися області простору, у яких переважає матерія чи антиматерія, всі вони повинні розділятися, т.к. на межі цих областей утворюється світловий тиск, який поділяє речовину та антиречовину. На кордоні між областями з матерією та антиматерією має відбуватися анігіляція, відповідно випромінюватимуться анігіляційні гамма-кванти. Проте сучасні гамма-телескопи таке випромінювання не фіксують. Виходячи з чутливості телескопів, було проведено оцінки. Згідно з ними, області антиречовини не можуть ближче 65 мільйонів світлових років. Таким чином, таких областей немає не тільки в нашій галактиці, але і в нашому скупченні галактик, що включає крім Чумацького шляху ще 50 інших галактик.
Реєстрація ядер антигелію утворених на таких відстанях є складною проблемою. Не так просто ядру антигелію долетіти з такої далекої відстані до детектора і бути зареєстрованим. Зокрема, воно може «заплутатися» у галактичних та міжгалактичних магнітних полях і таким чином ніколи не відлетіти далеко від місця своєї освіти. Крім того, антигелію постійно загрожуватиме небезпека анігіляції. І, нарешті, детектор невелика мета, щоб у нього можна було легко потрапити з такої гігантської відстані. Тому ефективність реєстрації ядер антигелію вкрай низька.
У разі «подорожі» антигелія дуже багато неясного, що дозволяє оцінити ймовірності реєстрації ядер . Завжди зберігається можливість того, що якби детектор трохи чутливіший, і відкриття б відбулося.
Зрозуміло лише, що час «подорожі» антиядра невеликої енергії може бути меншим, ніж час існування Всесвіту. Тому полювати треба за високоенергетичними антиядрами. Крім того, такі ядер мають більше шансів подолати галактичний космічний вітер.
Що стосується позитронів і антипротонів, то їх теж можуть випромінювати гіпотетичні області антиматерії і давати внесок у спектри, що вимірюються поблизу Землі. Порівняно з антипротонами, позитрони складніше реєструвати. Це з тим, що потоки протонів, які є джерелом фону, в 10 3 більше, ніж потоки позитронів. Сигнали від позитронів, що прилетіли від областей антиматерії, можуть потонути в сигналах від позитронів, що виникли внаслідок інших процесів. Тим часом походження позитронів у космічних променях також до кінця не відомо. Чи є в космічних променях первинні позитрони? Чи є зв'язок між надлишком антипротонів та позитронів? Для прояснення ситуації необхідний вимір спектрів позитронів у широкому енергетичному діапазоні.
Перший запуск приладу для дослідження космічних променів у верхні шари атмосфери за допомогою повітряної кулі здійснив у 1907 році Віктор Гесс. Аж до початку 50-х років ХХ століття вивчення космічних променів було джерелом найважливіших відкриттів у фізиці частинок. Починаючи з 1979 р. в таких експериментах спостерігалися антипротони (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, p.330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Вони відкрили нові можливості у дослідженні антиматерії та темної матерії. У сучасних дослідженнях космічних променів використовуються методики, розроблені для експериментів на прискорювачах.
До останнього часу майже всю інформацію про античастинки в космічних променях було отримано за допомогою детекторів, що запускаються у високі шари атмосфери на повітряних кулях. При цьому виникла підозра, що антипротонів більше, ніж випливало з оцінок ймовірності їх виникнення внаслідок взаємодії космічних променів із міжзоряним середовищем (вторинних антипротонів). Пропоновані пояснення «надлишкових» антипротонів механізми давали різні передбачення для енергетичних спектрів антипротонів. Однак нетривалий час польоту повітряної кулі та наявність залишків земної атмосфери обмежували можливості такого роду експериментів. Дані мали велику невизначеність, крім того, не сягали енергії далі 20 ГеВ.
Для реєстрації античастинок використовуються великі повітряні кулі (до 3 млн. кубічних метрів), здатні підняти на висоту ~40 км важкі детектори масою до 3 т. Як правило, як Монгольф'є вони відкриті внизу, і втрачають гелій при падінні зовнішньої температури. Найчастіше тривалість польоту вбирається у 24 години. Крім того, температури атмосфери після швидкого зменшення з нуля до 20–25 км починає зростати, досягаючи максимуму на висоті ~40 км, після чого починає знову зменшуватися. Так як при зниженні температури зовнішнього повітря об'єм повітряної кулі зменшується, максимальна висота підйому не може бути вищою, ніж ~40 км. На цій висоті атмосфера ще досить щільна, і потік антипротонів з енергіями в кілька десятків ГеВ, що утворюються при взаємодії первинних космічних променів із залишковою атмосферою, перевищує потік антипротонів, що утворюються в галактичному середовищі. Для більш високих енергій зареєстрованих частинок помилки стають надто більшими, щоб отримати надійні результати.
Останнім часом почали здійснюватися триваліші польоти (до 20 днів). У них також використовуються відкриті кулі, але втрати гелію були суттєво знижені, за рахунок того, що запуски куль-зондів здійснювалися у дуже високих широтах поблизу полюсів під час полярного дня. Однак, маса їх корисного навантаження при польотах на висоту 40км не перевищує 1 т. Це занадто мало для вимірювання потоків антиречовини при високих енергіях. Для реалізації надтривалих польотів на повітряних кулях (близько 100 днів) передбачається використовувати й закриті кулі. Вони товстіші і важчі, не втрачають гелію і можуть витримати різницю тисків усередині та зовні. Вони можуть піднімати відносно легкі інструменти менше 1 т.

Рис. 20.1. Запуск кулі-зонда з фізичною апаратурою.

Рис. 20.2. Детектор космічного випромінювання BESS-Polar II Спектрометр (1) із сонячними батареями (2).

Пошук антигелію за допомогою спектрометрів на повітряних кулях здійснювався в рамках експерименту BESS (B alloon-borne E xperiment with S uperconducting S pectrometer) (рис. 20.2). З 1993 по 2000 р. спектрометри BESS неодноразово запускалися у верхні шари атмосфери в північній Канаді. Тривалість польотів була близько однієї доби. Спектрометр постійно вдосконалювався та підвищувалася чутливість. Сумарна чутливість для відношення гелій/антигелій досягнута в цій серії польотів ~6.8×10 -7 в діапазоні жорсткості 1-14 ГВ. В експерименті BESS-TeV (2001) діапазон жорсткості спектрометра був збільшений до 500 ГВ і досягнута чутливість 1.4×10 -4 . Для збільшення статистики у 2004-2008 роках. багатоденні польоти удосконалених спектрометрів (0.6-20 ГВ) здійснювалися в Антарктиці. У 2004-2005 рр. – у польоті BESS-Polar I, який тривав 8.5 днів, було досягнуто чутливості 8×10 −6 . У 2007-2008 роках. у польоті BESS-Polar II (тривалість вимірювань 24.5 дня) досягнуто чутливість 9.8×10 −8 . Сумарна чутливість з урахуванням усіх польотів BESS досягла величини 6.7×10−8. Жодного ядра антигелія виявлено не було.
Магнітний спектрометр, який використовувався в польоті BESS-Polar II, складається з надпровідного соленоїдального магніту з надтонкими стінками, центрального трекера (JET/IDC), часопрольотного рокоскопа (TOF) та черенківського детектора (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Спектрометр експерименту BESS-Polar II у розрізі.

Час-прогоновий годоскоп дозволяє вимірювати швидкість (β) та енергетичні втрати (dE/dx). Він складається з верхнього та нижнього пластикових сцинтиляційних лічильників, складених з 10 та 12 сцинтиляційних смужок (100×950×10 мм). Тимчасовий дозвіл системи часу прольоту ~70 пс. Крім того, є ще третій сцинтиляційний лічильник (Middle-TOF), який знаходиться всередині соленоїда та складається з 64 стрижнів пластикового сцинтилятора. Він дозволяє знизити енергетичний поріг реєстрації за рахунок частинок, які не здатні пролетіти нижню частину соленоїда.
Дрейфові камери знаходяться у однорідному полі магніту. По 28 точках, у кожній з точністю 200 мкм, розраховується кривизна траєкторії частки, що влітає в спектрометр, що дозволяє визначити її магнітну жорсткість R = pc/Ze і знак заряду.
Аерогелійовий черенківський лічильник дозволяє сепарувати сигнали від антипротонів та антидейтронів від фону e-/μ-.

Рис. 20.4. Ідентифікація частинок в установці BESS.

Ідентифікація частинок проводиться за масою (рис. 20.4), яка пов'язана з виміряними за допомогою час-прогонових лічильників і дрейфових камер жорсткістю R, швидкістю частинки β і втратами енергії dE/dx співвідношенням

І тому виділяються відповідні області на двовимірних розподілах dE/dx – |R| та β -1 – R.

Антипротонний радіаційний пояс Землі

Колаборацією PAMELA було виявлено радіаційний пояс навколо Землі у сфері Південної Атлантичної аномалії. Були виміряні спектри антипротонів та протонів безпосередньо в радіаційному поясі та поза радіаційним поясом (рис. 20.5, 20.6).
Показано, що антипротони, які реєструвалися детекторними установками, встановленими на балонах та супутниках, мають вторинне походження. Вони утворюються в результаті взаємодії галактичних космічних променів з міжзоряною речовиною або атмосферою реакції pp → ppp. Однак істотно більший внесок робить розпад альбедних антинейтронів (антинейтронів, потік яких спрямований від Землі), що виникають у реакції
pp → ppn . Ці антинейтрони проходять крізь геомагнітне поле і розпадаються, утворюючи антипротони → + e + + e. Частина з антипротонів, що утворилися, може бути захоплена магнітосферою, утворюючи радіаційний пояс антипротонів. Як основним джерелом радіаційного поясу протонів є розпад нейтронів альбедо, і розпад антинейтронів призводить до утворення поясу антипротонів.
З експериментальних даних випливає, що щільність антипротонів у радіаційному поясі на 3–4 порядки більша, ніж щільність антипротонів поза радіаційним поясом. Форма спектру антипротонів, утворених безпосередньо в результаті взаємодії галактичних космічних променів, практично збігається з формою спектра антипротонів поза радіаційним поясом антипротонів.
Проблема виявлення антиматерії у Всесвіті далека від рішення. Активний пошук антиматерії передбачено у програмах космічних телескопів Фермі та інших.

Антиматерія давно була предметом наукової фантастики. У книзі та фільмі «Ангели та демони» професор Ленгдон намагається врятувати Ватикан від бомби з антиматерії. Космічний корабель «Ентерпрайз» із «Зоряного шляху» використовує двигун на основі анігілюючої антиматерії для подорожей швидше за швидкість світла. Але антиматерія також є предметом нашої з вами реальності. Частинки антиматерії практично ідентичні своїм матеріальним партнерам, крім того, що переносять протилежний заряд і спин. Коли антиматерія зустрічає матерію, вони миттєво анігілюють в енергію і це вже не вигадка.

Хоча бомби з антиматерії та кораблі на основі цього ж палива поки що не можливі на практиці, є багато фактів про антиматерії, які вас здивують або дозволять освіжити в пам'яті те, що ви вже знали.

Антиматерія мала знищити всю матерію у Всесвіті після Великого Вибуху

Але ми є. І наскільки знають фізики, це тому, що на кожний мільярд пар матерії-антиматерії була одна зайва частка матерії. Фізики всіма силами намагаються пояснити цю асиметрію.

Антиматерія ближча до вас, ніж ви думаєте

Є й інші джерела антиречовини, що знаходяться ближче до нас. Банани, наприклад, виробляють антиречовину, випускаючи один позитрон - антиречовий еківалент електрона - приблизно раз на 75 хвилин. Це відбувається тому, що банани містять невелику кількість калію-40, що зустрічається в природі ізотопу калію. При розпаді калію-40 іноді народжується позитрон.

Наші тіла також містять калій-40, а отже, і ви випромінюєте позитрони. Антиматерія анігілює миттєво при контакті з матерією, тому ці частинки антиречовини живуть не дуже довго.

Людям вдалося створити зовсім небагато антиматерії

Усі антипротони, створені на прискорювачі частинок Теватроне у Лабораторії Фермі, навряд чи наберуть 15 нанограмів. У CERN на сьогоднішній день виробили лише близько 1 нанограма. У DESY у Німеччині - не більше 2 нанограмів позитронів.

Якщо вся антиматерія, створена людьми, анігілює миттєво, її енергії не вистачить навіть закип'ятити чашку чаю.

Проблема полягає в ефективності та вартості виробництва та зберігання антиречовини. Створення 1 грама антиматерії вимагає близько 25 мільйонів мільярдів кіловат-годин енергії і коштує понад мільйон мільярдів доларів. Не дивно, що антиречовина іноді включають до списку десяти найдорожчих речовин у світі.

Існує така річ, як пастка для антиматерії

Заряджені частинки антиречовини, на кшталт позитронів та антипротонів, можна зберігати в так званих пастках Пеннінга. Вони схожі на крихітні прискорювачі частинок. Всередині них частинки рухаються спіраллю, поки магнітні та електричні поля утримують їх від зіткнення зі стінками пастки.

Однак пастки Пеннінга не працюють для нейтральних частинок на зразок антиводню. Оскільки вони не мають заряду, ці частки не можна обмежити електричними полями. Вони утримуються в пастках Іоффе, які працюють, створюючи область простору, де магнітне поле стає більшим у всіх напрямках. Частинки антиречовини застряють в області з найслабшим магнітним полем.

Магнітне поле Землі може виступати як пастки антиречовини. Антипротони знаходили у певних зонах навколо Землі – радіаційних поясах Ван Аллена.

Антиматерія може падати (у прямому значенні слова)

Спостерігати за гравітаційним ефектом на прикладі антиматерії не так просто, як дивитися на яблуко, що падає з дерева. Ці експерименти вимагають утримання антиматерії в пастці або уповільнення її шляхом охолодження до температур трохи вище за абсолютний нуль. І оскільки гравітація - найслабша з фундаментальних сил, фізики повинні використовувати нейтральні частки антиматерії в цих експериментах, щоб запобігти взаємодії з потужнішою силою електрики.

Антиматерія вивчається у сповільнювачах частинок

У кільцевих прискорювачах частинок на зразок Великого адронного колайдера частки отримують енергетичний поштовх щоразу, коли завершують коло. Уповільнювачі працюють протилежним чином: замість того, щоб розганяти частинки, їх штовхають у зворотний бік.

Нейтрино можуть бути своїми власними античастинками

Проекти на зразок Majorana Demonstrator та EXO-200 спрямовані на визначення того, чи справді нейтрино є майоранівськими частинками, спостерігаючи за поведінкою так званого безнейтринного подвійного бета-розпаду.

Деякі радіоактивні ядра розпадаються одночасно, випускаючи два електрони і два нейтрино. Якби нейтрино були власними античастинками, вони б анігілювали після подвійного розпаду, і вченим залишилося б спостерігати лише електрони.

Пошук майоранівських нейтрино може допомогти пояснити, чому існує асиметрія матерії-антиматерії. Фізики припускають, що майоранівські нейтрино можуть бути важкими або легкими. Легкі існують у наш час, а тяжкі існували одразу після Великого Вибуху. Важкі майоранівські нейтрино розпалися асиметрично, що призвело до появи крихітної кількості речовини, якою наповнилася наша Всесвіт.

Антиматерія використовується в медицині

Вчені проекту ACE при CERN вивчають антиматерію як потенційного кандидата на лікування раку. Лікарі вже з'ясували, що можуть спрямовувати на пухлини промені частинок, які випромінюють свою енергію тільки після того, як безпечно пройдуть через здорову тканину. Використання антипротонів додасть додаткового вибуху енергії. Ця техніка була визнана ефективною для лікування хом'яків, тільки ось на людях поки що не випробовувалась.

Антиматерія може ховатися в космосі

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) – це детектор частинок, який розташовується на Міжнародній космічній станції та шукає такі частинки. AMS містить магнітні поля, які викривляють шлях космічних частинок та відокремлюють матерію від антиматерії. Його детектори повинні виявляти та ідентифікувати такі частинки у міру проходження.

Зіткнення космічних променів зазвичай виробляють позитрони та антипротони, але ймовірність створення атома антигелію залишається надзвичайно малою через гігантську кількість енергії, яка потрібна для цього процесу. Це означає, що спостереження хоча б одного ядерця антигелія буде потужним доказом існування гігантської кількості антиматерії десь у Всесвіті.

Люди насправді вивчають, як оснастити космічний апарат паливом на антиречовині

Рух ракети на антиречовині гіпотетично можливий; основним обмеженням є збирання достатньої кількості антиречовини, щоб це могло здійснитися.

Поки що не існує технологій для масового виробництва або збору антиречовини в обсягах, необхідних для такого застосування. Проте вчені ведуть роботи над імітацією такого руху та зберігання цієї самої антиречовини. Якось, якщо ми знайдемо спосіб зробити велику кількість антиречовини, їх дослідження можуть допомогти міжзоряним подорожам втілитись у реальності.

За матеріалами symmetrymagazine.org

У 1930 році відомий англійський фізик-теоретик Поль Дірак, виводячи релятивістське рівняння руху для поля електрона, отримав також і рішення для якоїсь іншої частинки з тією ж масою і протилежним, позитивним, електричним зарядом. Єдина відома на той час частка з позитивним зарядом - протон, не могла бути цим двійником, оскільки значно відрізнялася від електрона, у тому числі й у тисячі разів більшою масою.

Пізніше, 1932-го року американський фізик Карл Андерсон підтвердив прогнози Дірака. Вивчаючи космічні промені, він відкрив античастинку електрона, яка сьогодні називається позитрон. Через 23 роки на американському прискорювачі було виявлено антипротони, а ще через рік – антинейтрон.

Частинки та античастинки

Як відомо, будь-яка елементарна частка має ряд характеристик, чисел, що описують її. Серед них такі:

• Маса – фізична величина, яка визначає гравітаційну взаємодію об'єкта.
• Спин – власний момент імпульсу елементарної частки.
• Електричний заряд - характеристика, що вказує на можливість створення тілом електромагнітного поля та участі в електромагнітній взаємодії.
• Колірний заряд - абстрактне поняття, яке пояснює взаємодію кварків та формування ними інших частинок - адронів.

Також інші різні квантові числа, що визначають властивості та стану частинок. Якщо описувати античастинку, то простою мовою – це дзеркальне відображення частинки, з тією ж масою та електричним зарядом. Чому ж вчених так зацікавили частинки, які просто частково схожі і частково відмінні від своїх першотворів?

Виявилося, що зіткнення частинки та античастинки веде до анігіляції – їх знищення та вивільнення відповідної їм енергії у вигляді інших високоенергетичних частинок, тобто маленький вибух. Мотивує до вивчення античастинок і той факт, що речовина, що складається з античастинок (антиречовина) самостійно не утворюється в природі, згідно з спостереженнями вчених.

Загальні відомості про антиречовину

Виходячи з вищесказаного, стає ясно, що Всесвіт, що спостерігається, складається з матерії, речовини. Однак, слідуючи відомим фізичним законам, вчені впевнені в тому, що внаслідок Великого Вибуху повинні утворитися в рівній кількості речовина та антиречовина, чого ми не спостерігаємо. Очевидно, що наші уявлення про світ є неповними, і або вчені щось упустили у своїх розрахунках, або десь за межами нашої видимості, у віддалених частинах Всесвіту є відповідна кількість антиматерії, так би мовити, «світ з антиречовини».

Це питання антисиметрії є однією з найвідоміших невирішених фізичних завдань.

Згідно з сучасними уявленнями, структура речовини і антиречовини майже не відрізняються, тому що електромагнітна і сильна взаємодії, що визначають пристрій матерії, однаково діють як по відношенню до частинок, так і античасток. Цей факт був підтверджений у листопаді 2015 року на колайдері RHIC у США, коли російські та зарубіжні вчені виміряли силу взаємодії антипротонів. Вона виявилася рівною силі взаємодії протонів.

Отримання антиречовини

Народження античастинок зазвичай відбувається при утворенні пар-частинка. Якщо при зіткненні електрона та його античастинки – позитрону, вивільняється два гамма-кванти, то для створення електрон-позитронної пари знадобиться високоенергетичний гамма-квант, що взаємодіє з електричним полем ядра атома. У лабораторних умовах це може відбуватися на прискорювачах або експериментах з лазерами. У природних умовах - у пульсарах та біля чорних дірок, а також при взаємодії космічних променів з деякими видами речовини.

Що таке антиречовина? Для розуміння достатньо навести такий приклад. Найпростіша речовина атом водню складається з одного протона, що визначає ядро, і електрона, який обертається навколо нього. Так ось антиводень - це антиречовина, атом якого складається з антипротону і позитрону, що обертається навколо нього.

Загальний вид установки ASACUSA в ЦЕРНі, призначеної для отримання та вивчення антиводню

Незважаючи на просте формулювання, синтезувати антиводень досить складно. І все ж 1995-го року на прискорювачі LEAR у ЦЕРНі вченим вдалося створити 9 атомів такої антиречовини, які прожили всього 40 наносекунд і розпалися.

Пізніше, за допомогою потужних пристроїв була створена магнітна пастка, яка втримала 38 атомів антиводню протягом 172 мілісекунд (0,172 секунди), а після 170 000 атомів антиводню - 0,28 аттограм (10 -18 грам). Такого обсягу антиречовини може бути достатньо подальшого вивчення, і це успіх.

Вартість антиречовини

Сьогодні з упевненістю можна заявити, що найдорожча речовина у світі не каліфорній, реголіт чи графен, і, звичайно, не золото, а антиречовина. Згідно з підрахунками NASA - створення одного міліграма позитронів буде коштувати близько 25 мільйонів доларів, а 1 г антиводню оцінюється в 62,5 трильйона доларів. Цікаво, що нанограм антиречовини, обсяг, який був використаний за 10 років в експериментах ЦЕРНу, коштував організації сотні мільйонів доларів.

Застосування

Вивчення антиматерії несе у собі вагомий для людства потенціал. Перший і найцікавіший пристрій, що теоретично працює на антиречовині - варп-двигун. Деякі можуть пам'ятати такий із відомого серіалу "Зоряний шлях" ("Star Trek"), двигун живився енергією від реактора, що працює на основі принципу анігіляції матерії та антиматерії.

Насправді існує кілька математичних моделей подібного двигуна, і згідно з їхніми розрахунками для космічних кораблів майбутнього знадобиться зовсім небагато античастинок. Так, семимісячний політ до Марса може скоротитися тривалістю до місяця, за рахунок 140 нанограмів антипротонів, які будуть каталізатором ядерного поділу в реакторі корабля. Завдяки подібним технологіям можуть здійснитися і міжгалактичні перельоти, які дозволять людині докладно вивчити інші зіркові системи, і в майбутньому їх колонізувати.

Однак антиречовина, як і багато інших наукових відкриттів, може нести загрозу людству. Як відомо, найжахливіша катастрофа, атомне бомбардування Хіросіми та Нагасакі було здійснено за допомогою двох атомних бомб, загальна маса яких становить 8,6 тонн, а потужність - близько 35 кілотонн. А ось при зіткненні 1 кг речовини та 1 кг антиречовини вивільняється енергія, що дорівнює 42 960 кілотонн. Найпотужніша бомба, коли-небудь розроблена людством — АН602 або «Цар-бомба», вивільнила енергію близько 58 000 кілотонн, але важила 26,5 тонн! Підбиваючи підсумки всього вищесказаного, можна з упевненістю сказати, що технології та винаходи на основі антиматерії можуть привести людство як до небувалого прориву, так і до повного самознищення.

У фізиці та хімії антиматерія - це речовина, яка складається з античасток, тобто з антипротону (протон з негативним електричним зарядом) та з антиелектрона (електрон з позитивним електричним зарядом). Антипротон і антиелектрон утворюють атом антиматерії подібно до того, як електрон і протон утворюють атом водню.

Загальне поняття про матерію та антиматерію

Кожен знає відповідь питанням у тому, що таке матерія, тобто це субстанція, що складається з молекул і атомів. Самі атоми, у свою чергу, складаються з електронів та ядер, утворених протонами та нейтронами. Розуміння питання, що таке матерія, дозволяє зрозуміти, що таке антиматерія. Під нею розуміється субстанція, складники якої мають протилежний електричний заряд. У разі пари нейтрон-антинейтрон їх заряди дорівнюють нулю, але магнітні моменти спрямовані протилежно.

Основна властивість антиматерії – це її здатність до анігіляції при зустрічі із звичайною матерією. Внаслідок контакту цих субстанцій маса зникає і повністю переводиться в енергію. Відповідно до космічної теорії, у Всесвіті існує рівна кількість матерії та антиматерії, цей факт випливає з теоретичних міркувань. Однак ці субстанції розділені між собою величезними відстанями, оскільки будь-яка їхня зустріч призводить до грандіозних космічних феноменів знищення матерії.

Історія відкриття антиматерії

Антиматерія була відкрита в 1932 північноамериканським фізиком Карлом Андерсеном, який вивчав космічні промені і зміг виявити позитрон (античастка електрона). Завдяки цьому відкриттю він отримав Нобелівську премію 1936 року. Згодом експериментально відкрили антипротони. Це сталося в 2006 році завдяки запуску супутника "Памела", місією якого було вивчення частинок, які випускають Сонце.

Згодом людство навчилося самостійно створювати антиматерію. В результаті багатьох експериментів було показано, що зіткнення матерії та антиматерії знищує обидві субстанції та породжує гамма-промені. Ці експериментальні висновки були пророковані ще Альбертом Ейнштейном.

Використання антиматерії

Де може бути використана антиматерія? Насамперед антиматерія - це відмінне паливо. Лише одна крапля антиречовини здатна дати енергію, якої буде достатньо для енергозабезпечення великого міста протягом доби. Крім того, це джерело енергії є екологічно чистим.

В галузі медицини основне використання антиматерії – це томографія позитронного випромінювання. Гамма-промені, які виникають в результаті анігіляції речовини та антиречовини, використовуються для виявлення ракових пухлин в організмі. Також використовують антиречовину у терапії проти ракових захворювань. В даний час ведуться дослідження щодо використання антипротонів для повного знищення ракових тканин.

Скільки коштує грам антиматерії та де її зберігати?

Виробництво антиматерії за допомогою прискорювачів елементарних частинок потребує величезних енергетичних витрат. Крім того, антиматерію важко зберігати, оскільки вона за будь-якого контакту зі звичайною речовиною самознищується. Тому зберігають її у сильних електромагнітних полях, які також вимагають великих енергетичних витрат на їх створення та підтримку.

У зв'язку з вищесказаним можна дійти невтішного висновку, що антиматерія є найдорожчою субстанцією землі. Її грам оцінюється у 62,5 мільярда доларів США. За іншими оцінками, наданими ЦЕРН, щоб створити одну мільярдну граму антиречовини, необхідно витратити кілька сотень мільйонів швейцарських франків.

Космос – джерело антиматерії

На даному етапі розвитку технологій штучне створення антиматерії – це низькоефективний та витратний спосіб. З огляду на це вчені з НАСА планують збирати магнітними полями антиматерію в поясі Ван Аллена Землі. Цей пояс знаходиться на висоті кількох сотень кілометрів над поверхнею нашої планети і має товщину кілька тисяч кілометрів. Ця область космосу містить велику кількість антипротонів, які утворюються внаслідок реакцій елементарних частинок, спричинених зіткненнями космічних променів у верхніх шарах атмосфери Землі. Кількість звичайної матерії невелика, тому антипротони можуть існувати в ньому досить довгий час.

Інше джерело антиречовини – це аналогічні радіаційні пояси навколо планет-гігантів Сонячної системи: Юпітера, Сатурна, Нептуна та Урану. Особливу увагу вчені приділяють Сатурну, який, на їхню думку, повинен виробляти велику кількість антипротонів, що виникають внаслідок взаємодії заряджених космічних частинок із крижаними кільцями планети.

Також ведуться роботи у напрямку більш економного зберігання антиречовини. Так, професор Масакі Горі (Masaki Hori) заявив про розроблений метод утримання антипротонів за допомогою радіочастот, що, за його словами, дозволить значно скоротити розмір контейнера для антиматерії.

) як частинок, так античастинок. Це означає, що структура антиречовини має бути ідентична структурі звичайної речовини.

Відмінність речовини і антиречовини можливе лише за рахунок слабкої взаємодії, проте при нормальних температурах слабкі ефекти дуже малі.

При взаємодії речовини та антиречовини відбувається їх анігіляція, при цьому утворюються високоенергійні фотони або пари частинок-античастинок. Підраховано, що при вступі у взаємодію 1 кг антиречовини і 1 кг речовини виділиться приблизно 1,8 10 17 джоулів енергії, що еквівалентно енергії виділяється при вибуху 42,96 мегатонн тротилу . Найпотужніший ядерний пристрій з тих, що коли-небудь вибухали на планеті, «Цар-бомба» (маса ~ 20 т), відповідав 57 мегатоннам. Слід зазначити, що близько 50% енергії при анігіляції пари нуклон-антинуклон виділяється у формі нейтрино, які практично не взаємодіють із речовиною.

Ведеться досить багато міркувань на тему того, чому частина Всесвіту, що спостерігається, складається майже виключно з речовини і чи існують інші місця, заповнені, навпаки, практично повністю антиречовиною; Проте на сьогоднішній день спостерігається асиметрія речовини і антиречовини у всесвіті - одне з найбільших невирішених завдань фізики (див. Баріонна асиметрія Всесвіту). Передбачається, що така сильна асиметрія виникла перші частки секунди після Великого Вибуху.

Отримання

Першим об'єктом, повністю складеним з античасток, був синтезований в 1965 анти-дейтрон; потім були отримані і важчі антиядра. У 1995 році в ЦЕРНі був синтезований атом антиводню, що складається з позитрону та антипротону. В останні роки антиводень був отриманий у значних кількостях і розпочато детальне вивчення його властивостей.

Вартість

Антиречовина відома як найдорожча субстанція на Землі - за оцінками НАСА 2006 року, виробництво міліграма позитронів коштувало приблизно 25 мільйонів доларів США. За оцінкою 1999 року, один грам антиводню коштував би 62,5 трильйона доларів. За оцінкою CERN 2001 року, виробництво мільярдної частки грама антиречовини (обсяг, використаний CERN у зіткненнях частинок та античастинок протягом десяти років) коштувало кілька сотень мільйонів швейцарських франків.

Див. також

Примітки

Посилання

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Антиречовина" в інших словниках:

Антиречовина … Орфографічний словник-довідник

антиречовина- антиречовина/, а/... Добре. Окремо. Через дефіс.

А; пор. Фіз. Матерія, збудована з античасток. ◁ Антиречовий, ая, ое. * * * антиречовина матерія, побудована з античасток. Ядра атомів антиречовини складаються з антипротонів та антинейтронів, а атомні оболонки побудовані з позитронів. Енциклопедичний словник

Антиречовина, речовина, побудована з античасток. Ядра атомів антиречовини складаються з антипротонів та антинейтронів, а роль електронів відіграють позитрони. Припускають, що в перші моменти утворення Всесвіту антиречовина та речовина… Сучасна енциклопедія

Матерія, збудована з античасток. Ядра атомів антиречовини складаються з антипротонів та антинейтронів, а атомні оболонки побудовані з позитронів. Скупчення антиречовини у Всесвіті поки не виявлено. На прискорювачах заряджених частинок отримано… Великий Енциклопедичний словник

АНТИРЕЧОВИНА, речовина, що складається з античастинок, тотожних зі звичайними частинками за всіма параметрами, крім ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ, СПІНА ТА МАГНІТНОГО МОМЕНТА, які мають зворотний знак. Коли античастка, наприклад, позитрон… Науково-технічний енциклопедичний словник

Порівн. Матерія, утворена з античасток (у фізиці). Тлумачний словник Єфремової. Т. Ф. Єфремова. 2000 … Сучасний тлумачний словник Єфремової

Матерія, збудована з античасток. Ядра атомів ва складаються з протонів і нейтронів, а елни утворюють оболонки атомів. В А. ядра складаються з антипротонів та антинейтронів, а місце ел нов у їх оболонках займають позитрони. Відповідно до совр. теорії, отрута … Фізична енциклопедія

Сущ., Кількість синонімів: 1 антиматерія (2) Словник синонімів ASIS. В.М. Тришин. 2013 … Словник синонімів

АНТИРЕЧОВИНА- Матерія, що складається з (див.). Питання про поширеність А. у Всесвіті поки залишається відкритим. Велика політехнічна енциклопедія

Книги

• Всесвіт у дзеркалі заднього виду. Чи був Бог правшою? Або прихована симетрія, антиречовина та бозон Хіггса, Дейв Голдберг. Чи не любите фізику? Ви просто не читали книги Дейва Голдберга! Ця книга познайомить вас з однією з найцікавіших тем сучасної фізики фундаментальними симетріями. Адже в нашій чудовій…
• Всесвіт у дзеркалі заднього виду. Чи був Бог правшою? Або прихована симетрія, антиречовина та бозон, Голдберг Дейв. Чи не любите фізику? Ви просто не читали книги Дейва Голдберга! Ця книга познайомить вас з однією з найцікавіших тем сучасної фізики - фундаментальними симетріями. Адже в нашій…