Властивості антиматерії. Що станеться, якщо позитрон потрапить у речовину? Антиматерія використовується в медицині

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

Антиматерія - це матерія, що складається з античастинок, тобто частинок з такими ж, але зворотними за значенням і властивостями тих частинок, протилежностями яких вони є. Кожна частка має свою дзеркальну копію - античастинку. Античастинки протона, нейтрону і називаються антипротоном, антинейтроном та позитроном, відповідно. Протони і нейтрони, у свою чергу, складаються з ще менших частинок, які називаються кварками. Антипротони та антинейтрони складаються з антикварків.

Античастинки переносять аналогічний, але протилежний за значенням заряд, як і їх прототипи зі звичайної матерії, але мають ту ж масу і схожі на них у всіх інших відносинах. Як припускають вчені, можуть існувати цілі галактики з антиматерії. Також є думка, що антиречовини у Всесвіті може бути навіть більшою, ніж звичайної речовини. Але побачити антиматерію неможливо, так само як об'єкти навколишнього нас звичайного світу. Вона не видно людського зору.

Більшість астрономів, все ж таки сходяться на думці, що антиречовини все-таки не так вже й багато чи взагалі немає в природі, інакше, як вони міркують, у Всесвіті було б багато місць де звичайна матерія та антиматерія стикаються один з одним, що супроводжувалося б потужним потоком гамма-променів, спричинених їх анігіляцією. Анігіляція – це взаємознищення частинок матерії та антиматерії, що супроводжується виділенням енергії. Однак таких регіонів не було знайдено.

Одна з потенційних гіпотез виникнення антиматерії пов'язана з теорією великого вибуху. Ця теорія стверджує, що вся наша виникла в результаті розширення певної точки в просторі. Після вибуху виникла рівна кількість матерії та антиматерії. Відразу розпочався процес їх взаємознищення. Однак з якоїсь причини матерії виявилося трохи більше, що дозволило утворитися Всесвіту у звичній формі.

Через відсутність можливості вивчити властивості антиматерії, вчені вдаються до штучних способів утворення антиречовини. Для його одержання використовують спеціальні наукові прилади – прискорювачі частинок, у яких атоми матерії розганяються до світлової швидкості (300 000 км/сек). Зіткнувшись, деякі частинки руйнуються, у результаті утворюються античастинки, у тому числі можна отримати антиматерію. Складною проблемою є зберігання антиречовини, оскільки, доторкнувшись до звичайної матерії, антиречовина знищується. Для цього отримані крупинки антиматерії поміщають у вакуум і в яке утримує їх у підвішеному стані і не дає доторкнутися до стінок сховища.

Незважаючи на всю складність отримання та дослідження антиречовини, воно може надавати для нашого життя безліч переваг. Всі вони ґрунтуються на тому факті, що при взаємодії антиматерії з матерією виділяється величезна кількість енергії. Причому ставлення енергії, що вивільняється, до маси речовини, що бере участь, не перевищена жодним видом або вибухової речовини. Внаслідок анігіляції немає жодних побічних продуктів, лише чиста енергія. Тому вчені вже зараз мріють про її застосування. Наприклад, про антиматерії з нескінченним ресурсом. Космічні кораблі з анігіляторними двигунами зможуть пролітати тисячі світлових років на світловій швидкості. Військовим це дасть можливість створити величезну потужність, набагато руйнівнішу, ніж атомна або воднева. Однак усім цим мріям не судиться здійсниться, поки ми не зможемо отримувати недорогу антиречовину у промислових масштабах.

Екологія пізнання 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

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.

1. Антиматерія мала знищити всю матерію у Всесвіті після Великого Вибуху

Згідно з теорією, Великий Вибух породив матерію та антиматерію в рівних кількостях. Коли вони зустрічаються, відбувається взаємне знищення, анігіляція і залишається тільки чиста енергія. Виходячи з цього ми не повинні існувати.

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.

2. Антиматерія ближче до вас, ніж ви думаєте

Невеликі кількості антиматерії постійно проливаються дощем Землю як космічних променів, енергетичних частинок з космосу. Ці частинки антиречовини досягають нашої атмосфери з рівнем від однієї до сотні на квадратний метр. Вчені також мають свідчення того, що антиречовина народжується під час грози.

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.

3. Людям вдалося створити зовсім небагато антиматерії

Анігіляція антиматерії та матерії має потенціал вивільнення величезної кількості енергії. Грам антиматерії може зробити вибух розміром із ядерну бомбу. Втім, люди зробили не так багато антиматерії, тому боятися нема чого.

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.

4. Існує така річ, як пастка для антиматерії

Для вивчення антиматерії вам потрібно запобігти її анігіляції з матерією. Вчені знайшли кілька способів це здійснити.

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.

5. Антиматерія може падати (у прямому значенні слова)

Частинки матерії та антиматерії мають одну масу, але різняться у властивостях на кшталт електричного заряду та спина. Стандартна модель передбачає, що гравітація має однаково впливати на матерію та антиматерію, проте це ще належить з'ясувати напевно. Експерименти на кшталт AEGIS, ALPHA та GBAR працюють над цим.

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.

6. Антиматерія вивчається у сповільнювачах частинок

Ви чули про прискорювачі частинок, а про сповільнювачі частинок чули? У CERN знаходиться машина під назвою Antiproton Decelerator, в кільці якого вловлюються та уповільнюються антипротони для вивчення їх властивостей та поведінки.

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.

7. Нейтрино може бути своїми власними античастинками

Частка матерії та її антиматеріальний партнер переносять протилежні заряди, що дозволяє їх легко розрізнити. Нейтрино, майже безмасові частинки, які рідко взаємодіють із матерією, немає заряду. Вчені вважають, що вони можуть бути частинками майоранів, гіпотетичним класом частинок, які є 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.

8. Антиматерія використовується у медицині

PET, ПЕТ (позитронно-емісійна топографія) використовує позитрони для отримання зображень тіла у високій роздільній здатності. Випромінюючі позитрони радіоактивні ізотопи (на зразок тих, що ми знайшли в бананах) кріпляться до хімічних речовин на кшталт глюкози, яка є у тілі. Вони вводяться в кровотік, де розпадаються природним шляхом, випромінюючи позитрони. Ті, у свою чергу, зустрічаються з електронами тіла та анігілюють. Анігіляція виробляє гамма-промені, які використовуються для побудови зображення.

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.

9. Антиматерія може ховатися в космосі

Один із шляхів, яким вчені намагаються вирішити проблему асиметрії матерії-антиматерії, є пошук антиматерії, що залишилася після Великого Вибуху.

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.

10. Люди насправді вивчають, як оснастити космічний апарат паливом на антиречовині

Зовсім небагато антиматерії може виробити величезну кількість енергії, що робить її популярним паливом для футуристичних кораблів у науковій фантастиці.

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.опубліковано

Нещодавно членам колаборації ALICE в ЦЕРН з рекордною точністю виміряти маси ядер антиречовини і навіть оцінити енергію, яка в них зв'язує антипротони з антинейтронами. Поки значної різниці між цими параметрами в речовині та антиречовині не було знайдено, але не це головне. Важливо, що саме зараз, в останні кілька років, для вимірювань та спостережень стають доступними не лише античастинки, а й антиядра і навіть антиатоми. Отже, саме час розібратися з тим, що таке антиматерія і яке її дослідження займають у сучасній фізиці.

Давайте спробуємо вгадати деякі з ваших перших питань про антиматерію.

А чи правда, що на основі антиматерії можна зробити надпотужну бомбу? А що, в ЦЕРНі дійсно накопичують антиречовину, як показано у фільмі «Ангели та демони», і що це дуже небезпечно? А чи правда, що антиматерія буде виключно ефективним паливом для космічних перельотів? А чи є хоч частка правди в ідеї про позитронний мозок, яким Айзек Азімов у своїх творах наділив роботів?

Не секрет, що для більшості антиматерія асоціюється з чимось винятково (вибухо)небезпечним, з чимось підозрілим, з чимось збуджуючим уяву фантастичними обіцянками та величезними ризиками - звідси й подібні питання. Зізнаємось: закони фізики всього цього прямо не забороняють. Проте реалізація цих ідей настільки далека від реальності, від сучасних технологій та від технологій найближчих десятиліть, що прагматична відповідь проста: ні, для сучасного світу це все неправда. Розмова на ці теми - це просто фантастика, що спирається не на реальні наукові та технічні досягнення, а на їхню екстраполяцію далеко за межі сучасних можливостей. Якщо хочете серйозно поспілкуватися на ці теми, приходьте ближче до 2100 року. А поки що давайте поговоримо про реальні наукові дослідження антиматерії.

Що таке антиматерія?

Наш світ влаштований так, що для кожного сорту частинок – електронів, протонів, нейтронів тощо. - Існують античастинки (позитрони, антипротони, антинейтрони). Вони володіють тією ж масою і, якщо вони нестабільні, тим часом напіврозпаду, але протилежними за знаком зарядами та іншими числами, що характеризують взаємодію. У позитронів та ж маса, що й у електронів, але тільки позитивний заряд. У антипротонів – заряд негативний. Антинейтрони електрично нейтральні, так само як і нейтрони, але мають протилежне баріонне число і складаються з антикварків. З антипротонів та антинейтронів можна зібрати антиядро. Додавши позитронів, ми створимо антиатоми, а накопичивши їх – отримаємо антиречовину. Це все і є антиматерією.

І тут одразу є кілька цікавих тонкощів, про які варто розповісти. Насамперед, саме собою існування античастинок - це величезний тріумф теоретичної фізики. Ця неочевидна, а для деяких навіть ідея, що шокує, була виведена Полем Діраком теоретично і спочатку сприймалася в багнети. Більше того, навіть після відкриття позитронів багато хто все одно сумнівався в існуванні антипротонів. По-перше, говорили вони, Дірак вигадав свою теорію для опису електрона, і не факт, що для протона вона спрацює. Ось, наприклад, магнітний момент протона в кілька разів відрізняється від прогнозу теорії Дірака. По-друге, сліди антипротонів довго шукали у космічних променях, і щось нічого не знайшлося. По-третє, вони стверджували, - буквально повторюючи наші слова, - що якщо є антипротони, тоді повинні існувати й антиатоми, антизірки та антигалактики, і ми обов'язково їх помітили б за грандіозними космічними вибухами. Якщо ми цього не бачимо, то напевно тому, що антиречовини не буває. Тому експериментальне відкриття антипротону в 1955 році на щойно запущеному прискорювачі Беватрон стало досить нетривіальним результатом, відзначеним Нобелівською премією з фізики за 1959 рік. У 1956 році на тому ж прискорювачі було відкрито й антинейтрон. Розповідь про ці пошуки, сумніви та досягнення можна знайти у численних історичних нарисах, наприклад, ось у цій доповіді чи в нещодавній книзі Франка Клоуза Antimatter.

Втім, треба окремо сказати, що здоровий сумнів у суто теоретичних твердженнях завжди корисний. Наприклад, твердження, що античастинки мають таку ж масу, як і частинки - це теж теоретично отриманий результат, він випливає з дуже важливої ​​CPT-теореми. Так, на цьому твердженні побудовано сучасну, багаторазово перевірену на досвіді фізику мікросвіту. Але все одно це рівність: хто знає, можливо так ми намацаємо межі застосування теорії.

Інша особливість: не всі сили мікросвіту ставляться однаково до частинок та античасток. Для електромагнітних та сильних взаємодій різниці між ними немає, для слабких – є. Через це розрізняються деякі тонкі деталі взаємодій частинок і античастинок, наприклад, ймовірності розпаду частинки A на набір частинок B і анти-A на набір анти-B (докладніше про відмінності див. у добірці Павла Пахова). Ця особливість виникає тому, що слабкі взаємодії порушують СР-симетрію нашого світу. А ось чому так виходить – це одна із загадок елементарних частинок, і вона потребує виходу за межі відомого.

А ось ще одна тонкість: у деяких частинок так мало характеристик, що античастинки та частки взагалі не відрізняються одна від одної. Такі частки називаються істинно нейтральними. Це фотон, бозон Хіггса, нейтральні мезони, що складаються з кварків та антикварків однакового гатунку. А ось з нейтрино ситуація поки що незрозуміла: можливо, вони істинно нейтральні (майоранівські), а може – ні. Це має найважливіше значення для теорії, що описує маси та взаємодії нейтрино. Відповідь на це питання реально стане великим кроком уперед, бо допоможе розібратися з утроєм нашого світу. Експеримент поки що нічого однозначного з цього приводу не сказав. Але експериментальна програма з нейтринних досліджень настільки потужна, експериментів ставиться так багато, що фізики поступово наближаються до розгадки.

Де вона, ця антиматерія?

Античастка при зустрічі зі своєю частинкою анігілює: обидві частинки зникають і перетворюються на набір фотонів або легших частинок. Вся енергія спокою перетворюється на енергію цього мікровибуху. Це найефективніше перетворення маси на теплову енергію, що у сотні разів перевершує за ефективністю ядерний вибух. Але жодних грандіозних природних вибухів ми довкола себе не бачимо; антиматерії у помітних кількостях у природі немає. Проте окремі античастинки цілком можуть народжуватися у різноманітних природних процесах.

Найпростіше народжувати позитрони. Найпростіший варіант – радіоактивність, розпади деяких ядер за рахунок позитивної бета-радіоактивності. Наприклад, в експериментах як джерело позитронів часто використовується ізотоп натрію-22 з періодом піврозпаду два з половиною роки. Інше, досить несподіване природне джерело - під час яких іноді детектуються спалахи гамма-випромінювання від анігіляції позитронів, а це означає, що позитрони там якось народилися.

Антипротони та інші античастинки народжувати важче: енергії радіоактивного розпаду для цього не вистачає. У природі вони народжуються під дією космічних променів високих енергій: космічний протон, зіткнувшись із якоюсь молекулою у верхніх шарах атмосфери, породжує потоки частинок та античастинок. Однак це відбувається там, нагорі, до землі антипротори майже не долітають (про що не знали ті, хто в 40-х роках шукав антипротони в космічних променях), та й у лабораторію це джерело антипротонів не принесеш.

У всіх фізичних експериментах антипротони виробляють «грубою силою»: беруть пучок протонів великої енергії, спрямовують його на мішень, і сортують «адронні ошметки», які у великих кількостях народжуються у цьому зіткненні. Сортовані антипротони виводять у вигляді пучка, а далі або розганяють їх до великих енергій для того, щоб зіштовхувати з протонами (так працював, наприклад, американський коллайдер Теватрон), або, навпаки, уповільнюють їх і використовують для більш тонких вимірів.

У ЦЕРНі, який може по праву пишатися довгою історією досліджень антиречовини, працює спеціальний «прискорювач» AD, «Антипротонний сповільнювач», який і займається цим завданням. Він бере пучок антипротонів, охолоджує їх (тобто пригальмовує), і далі розподіляє потік повільних антипротонів за декількома спеціальними експериментами. До речі, якщо хочете подивитися на стан AD у реальному часі, то церновські онлайн-монітори це дозволяють.

Синтезувати антиатоми, навіть найпростіші, атоми антиводню, вже дуже важко. У природі вони взагалі не виникають – немає відповідних умов. Навіть у лабораторії потрібно подолати безліч технічних труднощів, перш ніж антипротони допоможуть з'єднатися з позитронами. Проблема в тому, що антипротони та позитрони, що вилітають із джерел, все ще занадто гарячі; вони зіткнуться один з одним і розлетяться, а не утворюються антиатом. Фізики ці проблеми все ж таки долають, але досить хитрими методами (, як це робиться в одному з церновських експериментів ASACUSA).

Що відомо про антиядра?

Усі антиатомні досягнення людства стосуються лише антиводню. Антиатоми інших елементів досі синтезовані в лабораторії і спостерігалися у природі. Причина проста: антиядра створювати ще складніше, ніж антипротони.

Єдиний відомий нам спосіб створювати антиядра – це стикати важкі ядра великих енергій та дивитися, що там виходить. Якщо енергія зіткнень велика, у ньому народяться і розлетяться на всі боки тисячі частинок, зокрема, антипротони та антинейтрони. Антипротони та антинейтрони, що випадково вилетіли в одному напрямку, можуть об'єднатися один з одним - вийде антиядро.

Детектор ALICE вміє розрізняти різні ядра та антиядра з енерговиділення та напрямку закрутки в магнітному полі.

Зображення: CERN

Метод простий, але не надто неефективний: ймовірність синтезувати ядро ​​у такий спосіб різко падає зі збільшенням числа нуклонів. Найлегші антиядра, антидейтрони, вперше спостерігалися рівно півстоліття тому. Антигелій-3 побачили 1971 року. Відомий також антитритон та антигелій-4, причому останній був відкритий зовсім недавно, у 2011 році. Тяжкіші антиядра досі не спостерігалися.

Два параметри, що описують нуклон-нуклонні взаємодії (довжина розсіювання f0 та ефективний радіус d0) для різних пар частинок. Червона зірочка – результат для пари антипротонів, отриманий колаборацією STAR.

На жаль, антиатомів у такий спосіб не зробиш. Антиядра не тільки народжуються рідко, але й мають надто велику енергію і вилітають на всі боки. Намагатися їх відловити на колайдері, щоб потім відвести спеціальним каналом і охолодити, нереально.

Втім, іноді досить уважно відстежити антиядра на льоту, щоб отримати цікаву інформацію про антиядерні сили, що діють між антинуклонами. Найпростіша річ - це акуратно виміряти масу антиядер, порівняти її із сумою мас антипротонів і антинейтронів, і обчислити дефект мас, тобто. енергію зв'язку ядра. Це нещодавно працює на Великому адронному колайдері; енергія зв'язку для антидейтрона та антигелію-3 у межах похибки збіглася із звичайними ядрами.

Інший більш тонкий ефект вивчив експеримент STAR на американському колайдері важких іонів RHIC. Він виміряв кутовий розподіл народжених антипротонів і з'ясував, як воно змінюється, коли два антипротони вилітають у дуже близькому напрямку. Кореляції між антипротонами дозволили вперше виміряти властивості діючих між ними «антиядерних» сил (довжину розсіювання та ефективний радіус взаємодії); вони збіглися з тим, що відомо про взаємодію протонів.

Чи є антиматерія у космосі?

Коли Поль Дірак вивів зі своєї теорії існування позитронів, він цілком припускав, що десь у космосі можуть існувати справжні антисвіти. Зараз ми знаємо, що зірок, планет, галактик з антиречовини у видимій частині Всесвіту немає. Справа навіть не в тому, що не видно анігіляційних вибухів; просто зовсім неймовірно, як вони взагалі могли б утворитися і дожити до теперішнього часу в всесвіті, що постійно еволюціонує.

Але питання «як так вийшло» - це ще одна величезна загадка сучасної фізики; науковою мовою вона називається проблемою баріогенезу. Згідно з космологічною картиною світу, в ранньому всесвіті частинок і античастинок було порівну. Потім, через порушення CP-симетрії і баріонного числа, у всесвіті, що динамічно розвивається, повинен був з'явитися невеликий, на рівні однієї мільярдної, надлишок матерії над антиматерією. При охолодженні всесвіту всі античастинки проанінгілірували з частинками, вижив лише цей надлишок речовини, який і породив той всесвіт, який ми спостерігаємо. Саме через нього в ній лишилося хоч щось цікаве, саме завдяки ньому ми взагалі існуємо. Як саме виникла ця асиметрія – невідомо. Теорій існує багато, але яка з них вірна – невідомо. Зрозуміло лише, що це точно має бути якась Нова фізика, теорія, що виходить за межі Стандартної моделі, за межі експериментально перевіреного.

Три варіанти того, звідки можуть взятися античастинки в космічних променях високої енергії: 1 - вони можуть просто виникати і розганятися в «космічному прискорювачі», наприклад, у пульсарі; 2 - вони можуть народжуватись при зіткненнях звичайних космічних променів з атомами міжзоряного середовища; 3 - можуть виникати при розпаді важких частинок темної матерії.

Хоч планет і зірок з антиречовини немає, антиматерія в космосі все ж таки присутня. Потоки позитронів та антипротонів різних енергій реєструються супутниковими обсерваторіями космічних променів, такими як PAMELA, Fermi, AMS-02. Той факт, що позитрони та антипротони прилітають до нас із космосу, означає, що вони десь там народжуються. Високоенергетичні процеси, які можуть їх породити, в принципі відомі: це сильно замагнічені околиці нейтронних зірок, різні вибухи, прискорення космічних променів на фронтах ударних хвиль у міжзоряному середовищі тощо. Питання в тому, чи можуть вони пояснити всі властивості потоку космічних античастинок, що спостерігаються. Якщо виявиться, що ні, це буде свідченням на користь того, що деяка їхня частка виникає при розпаді або анігіляції частинок темної матерії.

Тут також є своя загадка. У 2008 році обсерваторія PAMELA виявила підозріло велику кількість позитронів великих енергій порівняно з тим, що передбачало теоретичне моделювання. Цей результат був надавно підтверджений установкою AMS-02 – одним із модулів Міжнародної Космічної Станції та взагалі найбільшим детектором елементарних частинок, запущеним у космос (і зібраним здогадайтеся де? – правильно, у ЦЕРНі). Цей надлишок позитронів розбурхує розум теоретиків - адже відповідальним за нього можуть виявитися не «нудні» астрофізичні об'єкти, а важкі частинки темної матерії, які розпадаються або анігілюють в електрони та позитрони. Ясності тут поки немає, але установка AMS-02, а також багато критично налаштованих фізиків, дуже ретельно вивчають це явище.

Відношення антипротонів до протонів у космічних променях різної енергії. Крапки – експериментальні дані, різнокольорові криві – астрофізичні очікування з різноманітними похибками.

Зображення: Cornell University Library

З антипротонами теж ситуація неясна. У квітні цього року AMS-02 на спеціальній науковій конференції подав попередні результати нового циклу досліджень. Головною родзинкою доповіді стало твердження, що AMS-02 бачить надто багато антипротонів високої енергії – і це також може бути натяком на розпад частинок темної матерії. Втім, інші фізики з таким бадьорим висновком не згодні. Зараз вважається, що антипротонні дані AMS-02, з деякою натяжкою, можуть бути пояснені звичайними астрофізичними джерелами. Так чи інакше, всі з нетерпінням чекають на нові позитронні та антипротонні дані AMS-02.

AMS-02 зареєструвала вже мільйони позитронів та чверть мільйона антипротонів. Але у творців цієї установки є світла мрія – зловити бодай одне антиядро. Ось це буде справжня сенсація – зовсім неймовірно, щоб антиядра народилися десь у космосі та долетіли б до нас. Поки що жодного такого випадку не виявлено, але набір даних продовжується і хто знає, які сюрпризи готує нам природа.

Антиматерія – антигравітує? Як вона взагалі відчуває гравітацію?

Якщо спиратися лише на експериментально перевірену фізику і не вдаватися в екзотичні, ніяк поки не підтверджені теорії, то гравітація повинна діяти на антиматерію так само, як на матерію. Жодної антигравітації для антиматерії не очікується. Якщо ж дозволити собі заглянути трохи далі, за межі відомого, то суто теоретично можливі варіанти, коли в навантаження до звичайної універсальної гравітаційної сили існує щось додаткове, яке по-різному діє на речовину та антиречовину. Якою б примарною здавалася ця можливість, її потрібно перевірити експериментально, а для цього треба поставити досліди з перевірки того, як антиматерія відчуває земне тяжіння.

Довгий час це до ладу не вдавалося зробити з тієї простої причини, що для цього треба створити окремі атоми антиречовини, зловити їх у пастку і провести з ними експерименти. Зараз це робити навчилися, тож довгоочікувана перевірка вже не за горами.

Головний постачальник результатів - той самий ЦЕРН зі своєю великою програмою з вивчення антиречовини. Деякі з цих експериментів вже побічно перевірили, що з гравітацією в антиматерії все гаразд. Наприклад, виявив, що (інертна) маса антипротону збігається з масою протона з дуже високою точністю. Якби гравітація діяла на антипротони якось інакше, фізики помітили б різницю - адже порівняння проводилося в одній і тій самій установці та в однакових умовах. Результат цього експерименту: дія гравітації на антипротони збігається з дією на протони з точністю краще за одну мільйонну.

Втім, цей вимір – непрямий. Для більшої переконливості хочеться поставити прямий експеримент: взяти кілька атомів антиречовини, упустити їх і подивитися, як вони будуть падати в поле тяжкості. Такі експерименти теж проводяться або готуються у ЦЕРНі. Перша спроба була не надто вражаючою. У 2013 році експеримент ALPHA, - який на той час вже навчився утримувати хмарку антиводню у своїй пастці, - спробував визначити, куди падати антиатоми, якщо пастку відключають. На жаль, через низьку чутливість експерименту однозначної відповіді отримати не вдалося: часу пройшло занадто мало, антиатоми металися в пастці туди-сюди, і спалахи анігіляції траплялися то тут, то там.

Ситуацію обіцяють кардинально покращити два інші церновські експерименти: GBAR та AEGIS. Обидва ці експерименти перевірять різними способами, як падає в полі тяжкості хмарка надхолодного антиводню. Їхня очікувана точність з вимірювання прискорення вільного падіння для антиречовини - близько 1%. Обидві установки зараз перебувають у стадії складання та налагодження, а основні дослідження розпочнуться у 2017 році, коли антипротонний сповільнювач AD буде доповнений новим накопичувальним кільцем ELENA.

Варіанти поведінки позитрона у твердій речовині.

Зображення: nature.com

Що станеться, якщо позитрон потрапить у речовину?

Освіта молекулярного позитронію на кварцовій поверхні.

Зображення: Clifford M. Surko / Atomic physics: Whiff of antimatter soup

Якщо ви дочитали до цього місця, то вже чудово знаєте, що як тільки частка антиречовини потрапляє в звичайну речовину, відбувається анігіляція: частки і античастка зникають і перетворюються на випромінювання. Але як швидко це відбувається? Уявімо позитрон, який прилетів із вакууму і увійшов у тверду речовину. Чи проанігілює він при зіткненні з першим атомом? Зовсім не обов'язково! Аннілігяція електрона та позитрону - процес не миттєвий; він вимагає тривалого за атомними масштабами часу. Тому позитрон встигає прожити в речовині яскраве та насичене нетривіальними подіями життя.

По-перше, позитрон може підхопити безхазяйний електрон та утворити пов'язаний стан – позитроній (Ps). При відповідній орієнтації спинів позитроній може жити десятки наносекунд до анігіляції. Перебуваючи в суцільній речовині, він встигне за цей час зіткнутися з атомами мільйони разів, адже теплова швидкість позитрону за кімнатної температури - близько 25 км/сек.

По-друге, дрейфуючи в речовині, позитроній може вийти на поверхню і залипнути там – це позитронний (а точніше, позитронієвий) аналог адсорбції атомів. За кімнатної температури він не сидить на одному місці, а активно подорожує поверхнею. І якщо це не зовнішня поверхня, а пора нанометрового розміру, то позитроній виявляється впійманим у ній на тривалий час.

Дальше більше. У стандартному матеріалі для таких експериментів пористому кварці пори не ізольовані, а об'єднані наноканалами в загальну мережу. Тепленький позитроній, повзаючи поверхнею, встигне обстежити сотні пір. А оскільки позитронієв у таких експериментах утворюється багато і майже всі вони вилазять у пори, то рано чи пізно вони натикаються один на одного і, взаємодіючи, іноді утворюють справжнісінькі молекули - молекулярний позитроній, Ps 2 . Далі вже можна вивчати, як поводиться позитронієвий газ, які у позитронію є збуджені стани і т.д. І не думайте, що це суто теоретичні міркування; всі перелічені ефекти вже перевірені та вивчені експериментально.

Чи є у антиречовини практичні застосування?

Зрозуміло. Взагалі, будь-який фізичний процес, якщо він відкриває перед нами якусь нову грань нашого світу і не вимагає при цьому якихось надвитрат, обов'язково знаходить практичне застосування. Причому такі застосування, до яких ми самі не здогадалися, якби не відкрили і не вивчили попередньо наукову сторону цього явища.

Найвідомішим прикладним застосуванням античастинок є ПЕТ, позитронно-емісійна томографія. Взагалі, ядерна фізика має вражаючий послужний список медичних застосувань, і античастинки тут теж не залишилися без діла. При ПЕТ в організм пацієнта вводять маленьку дозу препарату, що містить нестабільний ізотоп з коротким часом життя (хвилини та години) і розпадається за рахунок позитивного розпаду бета. Препарат накопичується в потрібних тканинах, ядра розпадаються і випускають позитрони, які анігілюють поблизу та видають два гамма-кванти певної енергії. Детектор реєструє їх, визначає напрямок та час їхнього прильоту, і відновлює те місце, де стався розпад. Так вдається побудувати тривимірну карту розподілу речовини з високою просторовою роздільною здатністю та з мінімальною радіаційною дозою.

Позитрони можна застосовувати і в матеріалознавстві, наприклад, для вимірювання пористості речовини. Якщо суцільна речовина, то позитрони, що застрягли в речовині на достатній глибині, досить швидко анігілюють і випускають гамма-кванти. Якщо всередині речовини є нанопори, анігіляція затримується, оскільки позитроній залипає на поверхні пори. Вимірюючи цю затримку, можна дізнатися ступінь нанопористості речовини безконтактним та неруйнівним методом. Як ілюстрація цієї методики - нещодавня робота про те, як з'являються і затягуються нанопори в тонкому шарі льоду при осадженні пари на поверхню. Аналогічний підхід працює і щодо структурних дефектів в напівпровідникових кристалах, наприклад, вакансій і дислокацій, дозволяє виміряти структурну втому матеріалу.

Медичне застосування може бути і для антипротонів. Зараз у тому ж ЦЕРН проводиться експеримент ACE, який вивчає вплив антипротонного пучка на живі клітини. Його мета – вивчити перспективи використання антипротонів для терапії ракових пухлин.

Енерговиділення іонного пучка та рентгена при проходженні крізь речовину.

Зображення: Johannes Gutleber / CERN

Ця ідея може з незвички жахнути читача: як так, антипротонним пучком - і живою людиною?! Так, і це набагато безпечніше, ніж опромінювати глибоку пухлину рентгеном! Антипротонний пучок спеціально підібраної енергії стає в руках хірурга ефективним інструментом, за допомогою якого можна випалювати пухлини глибоко всередині тіла та мінімізувати вплив на навколишні тканини. На відміну від рентгена, який палить все, що потрапляє під промінь, важкі заряджені частинки своєму шляху крізь речовину виділяють основну частку енергії останніх сантиметрах перед зупинкою. Налаштовуючи енергію частинок, можна варіювати глибину, де зупиняються частки; ось на цю область розміром у міліметри і прийде основний радіаційний вплив.

Така радіотерапія протонним пучком вже давно використовується у багатьох добре оснащених клініках світу. Останнім часом деякі з них переходять на іонну терапію, в якій використовують пучок не протонів, а іонів вуглецю. Для них профіль енерговиділення ще більш контрастний, а значить, ефективність пари «терапевтичного впливу проти побічних ефектів» зростає. Але вже давно пропонується спробувати для цього і антипротони. Адже вони, потрапляючи в речовину, не просто віддають свою кінетичну енергію, а ще й анігілюють після зупинки – і це посилює енерговиділення у кілька разів. Де осідає це додаткове енерговиділення - складне питання і його потрібно уважно вивчити, перш ніж запускати клінічні випробування.

Саме цим займається експеримент ACE. У ході нього дослідники пропускають пучок антипротонів через кюветку з бактеріальною культурою та вимірюють їх виживання залежно від місця, від параметрів пучка та від фізичних характеристик навколишнього середовища. Такий методичний і, мабуть, нудний збір технічних даних – важливий початковий етап будь-якої нової технології.

Ігор Іванов

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, що визначає гравітаційну взаємодію об'єкта.
• Спин - свій 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 із 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 чи «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.