Что такое антиматерия

Уникальный источник энергии: что такое антиматерия и на что она способна

Писатели-фантасты часто рассказывают об аннигиляции антиматерии как об одном из самых мощных и практически бесконечных источников энергии: ведь для мощного взрыва нужно совсем небольшое количество антивещества. Рассказываем, что это такое и почему ученые до сих пор не используют этот уникальный источник энергии.

Читайте «Хайтек» в

Что такое антиматерия?

Объекты Вселенной — галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди — состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы — кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами «оригиналов», а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название «антиматерия».

Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.

Антиматерия — материя, состоящая из античастиц — «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковыми спином и массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия: электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Некоторые частицы, например, фотон, не имеют античастиц или, что то же самое, являются античастицами по отношению к самим себе.

Как сегодня считается, античастицы реагируют на фундаментальные силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаково, поэтому структура антивещества должна быть такой же, как структура «нормального» вещества.

А что значит приставка «анти»?

Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии — к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).

Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719(98) мегаэлектронвольт, спин ½. Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона — минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно.

Некоторые частицы, например, бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.

Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом «рождение пар». Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители.

Где «добывают» и хранят антиматерию?

Антиматерию добывают в Большом адронном коллайдере, собирая облака антипротонов после столкновения пучка протонов с металлической мишенью и аккуратного замедления разлетающихся частиц, чтобы их можно было использовать в последующих экспериментах.

Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

Почему антивещество так сложно получить?

Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при «соприкосновении» аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно — правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считанных минут.

Вопрос хранения антиматерии — настоящая головная боль для физиков, ведь антипротоны и позитроны мгновенно аннигилируют при встрече с любыми частицами обычного вещества. Для их удержания ученым пришлось придумывать хитрые приспособления, способные предотвращать катастрофу. Заряженные античастицы хранятся в так называемой ловушке Пеннинга, которая напоминает миниатюрный ускоритель. Ее мощное магнитное и электрическое поле не дает позитронам и антипротонам столкнуться со стенками прибора. Однако подобное устройство не работает с нейтральными объектами вроде атома антиводорода. Для этого случая была разработана ловушка Иоффе. Удержание антиатомов в ней происходит за счет магнитного поля.

На что способна антиматерия?

Всего горстка антиматерии может произвести огромное количество энергии. Это делает ее популярным топливом для футуристических транспортных средств в научной фантастике. Вообще ракетный двигатель на антивеществе гипотетически возможен; главное ограничение — это накопление достаточного количества антивещества, чтобы использовать его.

Кстати, энергии 1 миллиграмма антивещества хватит для полета на Марс.

В настоящее время нет доступных технологий для массового производства или сбора антивещества в объеме, необходимом для этого приложения. Однако небольшое количество ученых провели исследования по моделированию движения и хранения. К ним относятся Ронан Кин и Вэй-Мин Чжан, которые работали в Западной резервной академии и Кентском государственном университете соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создать или собрать большое количество антивещества, их исследования могут помочь воплотить в реальность межзвездные путешествия с использованием антивещества.

Почему мы до сих пор не используем этот источник энергии?

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватрон в Фермилабе, составляют всего 15 нанограмм. Те, которые производятся в ЦЕРНе, составляют около 1 нанограмма. На сегодняшний день в DESY в Германии произведено примерно 2 нанограмма позитронов.

Если бы все антивещество, когда-либо производимое людьми, было уничтожено сразу, произведенной энергии не хватило бы даже для кипячения чашки чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Для производства 1 грамма антивещества потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более миллиона миллиардов долларов.

Спин — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого.

Источник

С точностью до наоборот

Все, что вы хотели знать об антиматерии — в вопросах и ответах

Недавно членам коллаборации ALICE в ЦЕРН удалось с рекордной точностью измерить массы ядер антивещества и даже оценить энергию, связывающую в них антипротоны с антинейтронами. Пока значимой разницы между этими параметрами в веществе и антивеществе найдено не было, но не это главное. Важно, что именно сейчас, в последние несколько лет, для измерений и наблюдений становятся доступны не только античастицы, но и антиядра и даже антиатомы. А значит, самое время разобраться с тем, что такое антиматерия и какое место ее исследования занимают в современной физике.

Давайте мы попробуем угадать некоторые из ваших первых вопросов про антиматерию.

Не секрет, что для большинства антиматерия ассоциируется с чем-то исключительно (взрыво)опасным, с чем-то подозрительным, с чем-то будоражащим воображение фантастическими обещаниям и огромными рисками — отсюда и подобные вопросы. Признаемся: законы физики всего этого прямо не запрещают. Однако реализация этих идей настолько далека от реальности, от современных технологий и от технологий ближайших десятилетий, что прагматический ответ простой: нет, для современного мира это всё неправда. Разговор на эти темы — это просто фантастика, опирающаяся не на реальные научные и технические достижения, а на их экстраполяцию далеко за пределы современных возможностей. Если хотите серьезно пообщаться на эти темы серьезно, приходите ближе к 2100 году. А пока что давайте поговорим о реальных научных исследованиях антиматерии.

Что такое антиматерия?

Наш мир устроен так, что для каждого сорта частиц — электронов, протонов, нейтронов, и т.п. — существуют античастицы (позитроны, антипротоны, антинейтроны). Они обладают той же массой и, если они нестабильны, тем же временем полураспада, но противоположными по знаку зарядами и другими числами, характеризующими взаимодействие. У позитронов та же масса, что у электронов, но только положительный заряд. У антипротонов — заряд отрицательный. Антинейтроны электрически нейтральны, так же как и нейтроны, но обладают противоположным барионным числом и состоят из антикварков. Из антипротонов и антинейтронов можно собрать антиядро. Добавив позитронов, мы создадим антиатомы, а накопив их — получим антивещество. Это всё и есть антиматерия.

И тут сразу есть несколько любопытных тонкостей, про которые стоит рассказать. Прежде всего, само по себе существование античастиц — это огромный триумф теоретической физики. Эта неочевидная, а для некоторых даже шокирующая идея была выведена Полем Дираком теоретически и поначалу воспринималась в штыки. Более того, даже после открытия позитронов многие все равно сомневались в существовании антипротонов. Во-первых, говорили они, Дирак придумал свою теорию для описания электрона, и не факт, что для протона она сработает. Вот, например, магнитный момент протона в несколько раз отличается от предсказания теории Дирака. Во-вторых, следы антипротонов долго искали в космических лучах, и что-то ничего не нашлось. В-третьих, они утверждали, — буквально повторяя наши слова, — что если есть антипротоны, тогда должны существовать и антиатомы, антизвезды и антигалактики, и мы бы обязательно их заметили по грандиозным космическим взрывам. Раз мы этого не видим, то наверно потому, что антивещества не бывает. Поэтому экспериментальное открытие антипротона в 1955 году на только что запущенном ускорителе Беватрон стало достаточно нетривиальным результатом, отмеченным Нобелевской премией по физике за 1959 год. В 1956 году на том же ускорителе был открыт и антинейтрон. Рассказ про эти поиски, сомнения, и достижения можно найти в многочисленных исторических очерках, например, вот в этом докладе или в недавней книге Франка Клоуза Antimatter.

Впрочем, надо отдельно сказать, что здравое сомнение в чисто теоретических утверждениях всегда полезно. Например, утверждение, что античастицы имеют ту же массу, что и частицы — это тоже теоретически полученный результат, он следует из очень важной CPT-теоремы. Да, на этом утверждении построена современная, многократно проверенная на опыте физика микромира. Но всё равно это равенство полезно проверять экспериментально: кто знает, может быть так мы нащупаем границы применимости теории.

Другая особенность: не все силы микромира относятся одинаково к частицам и античастицам. Для электромагнитных и сильных взаимодействий разницы между ними нет, для слабых — есть. Из-за этого различаются некоторые тонкие детали взаимодействий частиц и античастиц, например, вероятности распада частицы A на набор частиц B и анти-A на набор анти-B (чуть подробнее про различия см. в подборке Павла Пахова). Эта особенность возникает потому, что слабые взаимодействия нарушают CP-симметрию нашего мира. А вот почему так получается — это одна из загадок элементарных частиц, и она требует выхода за пределы известного.

А вот еще одна тонкость: у некоторых частиц так мало характеристик, что античастицы и частицы вообще не отличаются друг от друга. Такие частицы называются истинно нейтральными. Это фотон, бозон Хиггса, нейтральные мезоны, состоящие из кварков и антикварков одинакового сорта. А вот с нейтрино ситуация пока непонятная: может быть, они истинно нейтральные (майорановские), а может — нет. Это имеет важнейшее значение для теории, описывающей массы и взаимодействия нейтрино. Ответ на этот вопрос реально станет крупным шагом вперед, потому что поможет разобраться с утройством нашего мира. Эксперимент пока ничего однозначного на этот счет не сказал. Но экспериментальная программа по нейтринным исследованиям настолько мощная, экспериментов ставится так много, что физики постепенно приближаются к разгадке.

Где она, эта антиматерия?

Проще всего рождать позитроны. Самый простой вариант — радиоактивность, распады некоторых ядер за счет положительной бета-радиоактивности. Например, в экспериментах в качестве источника позитронов часто используется изотоп натрия-22 с периодом полураспада два с половиной года. Другой, довольно неожиданный природный источник — грозовые разряды, во время которых иногда детектируются вспышки гамма-излучения от аннигиляции позитронов, а это значит, что позитроны там как-то родились.

Антипротоны и другие античастицы рождать труднее: энергии радиоактивного распада для этого не хватает. В природе они рождаются под действием космических лучей высоких энергий: космический протон, столкнувшись с какой-то молекулой в верхних слоях атмосферы, порождает потоки частиц и античастиц. Однако это происходит там, наверху, до земли антипроторы почти не долетают (о чем не знали те, кто в 40-х годах искал антипротоны в космических лучах), да и в лабораторию этот источник антипротонов не принесешь.

Во всех физических экспериментах антипротоны производят «грубой силой»: берут пучок протонов большой энергии, направляют его на мишень, и сортируют «адронные ошметки», которые в больших количествах рождаются в этом столкновении. Сортированные антипротоны выводят в виде пучка, а дальше либо разгоняют их до больших энергий для того, чтобы сталкивать с протонами (так работал, например, американский коллайдер Тэватрон), либо, наоборот, замедляют их и используют для более тонких измерений.

В ЦЕРНе, который может по праву гордиться долгой историей исследований антивещества, работает специальный «ускоритель» AD, «Антипротонный замедлитель», который как раз и занимается этой задачей. Он берет пучок антипротонов, охлаждает их (т.е. притормаживает), и дальше распределяет поток медленных антипротонов по нескольким специальным экспериментам. Кстати, если хотите посмотреть на состояние AD в реальном времени, то церновские онлайн-мониторы это позволяют.

Синтезировать антиатомы, даже простейшие, атомы антиводорода, уже совсем трудно. В природе они вообще не возникают — нет подходящих условий. Даже в лаборатории требуется преодолеть множество технических трудностей, прежде чем антипротоны соизволят соединиться с позитронами. Проблема в том, что антипротоны и позитроны, вылетающих из источников, все еще слишком горячие; они просто столкнутся друг с другом и разлетятся, а не образуются антиатом. Физики эти трудности всё же преодолевают, но довольно хитрыми методами (почитайте, как это делается в одном из церновских экспериментов ASACUSA).

Что известно про антиядра?

Все антиатомные достижения человечества относятся только к антиводороду. Антиатомы других элементов до сих пор не синтезированы в лаборатории и не наблюдались в природе. Причина простая: антиядра создавать еще труднее, чем антипротоны.

Единственный известный нам способ создавать антиядра — это сталкивать тяжелые ядра больших энергий и смотреть, что там получается. Если энергия столкновений велика, в нем родятся и разлетятся во все стороны тысячи частиц, в том числе, антипротоны и антинейтроны. Антипротоны и антинейтроны, случайно вылетевшие в одном направлении, могут объединиться друг с другом — получится антиядро.

Детектор ALICE умеет различать разные ядра и антиядра по энерговыделению и направлению закрутки в магнитном поле.

Источник

Уникальный источник энергии: что такое антиматерия и на что она способна

Писатели-фантасты часто рассказывают об аннигиляции антиматерии как об одном из самых мощных и практически бесконечных источников энергии: ведь для мощного взрыва нужно совсем небольшое количество антивещества. Рассказываем, что это такое и почему ученые до сих пор не используют этот уникальный источник энергии.

Читайте «Хайтек» в

Что такое антиматерия?

Объекты Вселенной — галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди — состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы — кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами «оригиналов», а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название «антиматерия».

Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.

Антиматерия — материя, состоящая из античастиц — «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковыми спином и массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия: электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Некоторые частицы, например, фотон, не имеют античастиц или, что то же самое, являются античастицами по отношению к самим себе.

Как сегодня считается, античастицы реагируют на фундаментальные силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаково, поэтому структура антивещества должна быть такой же, как структура «нормального» вещества.

А что значит приставка «анти»?

Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии — к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).

Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719(98) мегаэлектронвольт, спин ½. Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона — минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно.

Некоторые частицы, например, бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.

Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом «рождение пар». Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители.

Где «добывают» и хранят антиматерию?

Антиматерию добывают в Большом адронном коллайдере, собирая облака антипротонов после столкновения пучка протонов с металлической мишенью и аккуратного замедления разлетающихся частиц, чтобы их можно было использовать в последующих экспериментах.

Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

Почему антивещество так сложно получить?

Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при «соприкосновении» аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно — правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считанных минут.

Вопрос хранения антиматерии — настоящая головная боль для физиков, ведь антипротоны и позитроны мгновенно аннигилируют при встрече с любыми частицами обычного вещества. Для их удержания ученым пришлось придумывать хитрые приспособления, способные предотвращать катастрофу. Заряженные античастицы хранятся в так называемой ловушке Пеннинга, которая напоминает миниатюрный ускоритель. Ее мощное магнитное и электрическое поле не дает позитронам и антипротонам столкнуться со стенками прибора. Однако подобное устройство не работает с нейтральными объектами вроде атома антиводорода. Для этого случая была разработана ловушка Иоффе. Удержание антиатомов в ней происходит за счет магнитного поля.

На что способна антиматерия?

Всего горстка антиматерии может произвести огромное количество энергии. Это делает ее популярным топливом для футуристических транспортных средств в научной фантастике. Вообще ракетный двигатель на антивеществе гипотетически возможен; главное ограничение — это накопление достаточного количества антивещества, чтобы использовать его.

Кстати, энергии 1 миллиграмма антивещества хватит для полета на Марс.

В настоящее время нет доступных технологий для массового производства или сбора антивещества в объеме, необходимом для этого приложения. Однако небольшое количество ученых провели исследования по моделированию движения и хранения. К ним относятся Ронан Кин и Вэй-Мин Чжан, которые работали в Западной резервной академии и Кентском государственном университете соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создать или собрать большое количество антивещества, их исследования могут помочь воплотить в реальность межзвездные путешествия с использованием антивещества.

Почему мы до сих пор не используем этот источник энергии?

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватрон в Фермилабе, составляют всего 15 нанограмм. Те, которые производятся в ЦЕРНе, составляют около 1 нанограмма. На сегодняшний день в DESY в Германии произведено примерно 2 нанограмма позитронов.

Если бы все антивещество, когда-либо производимое людьми, было уничтожено сразу, произведенной энергии не хватило бы даже для кипячения чашки чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Для производства 1 грамма антивещества потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более миллиона миллиардов долларов.

Спин — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого.

Источник

Антиматерия: переоцененный миф или вещество будущего

Что такое антиматерия

Антиматерия (или антивещество) — это вещество, состоящее из античастиц. Как и любое другое вещество, антивещество состоит из атомов, которые состоят в свою очередь из протонов и нейтронов (ядро атома) и электронов (внешняя оболочка атома). За тем лишь уточнением, что это антипротоны, антинейтроны и антиэлектроны. Последние, кстати, называются позитроны.

Все вышеперечисленные античастицы обладают теми же характеристиками, что и обычные частицы, но у них противоположный электрический заряд. То есть антипротоны заряжены отрицательно, в отличие от их «обыкновенных» близнецов, а позитроны заряжены положительно, что и отличает их от отрицательно заряженных электронов. Получается, что нейтрон — античастица сама себе, поскольку не имеет заряда? Нет, антинейтроны тоже есть. Дело в том, что нейтроны состоят из кварков (как и протоны), а у кварков тоже есть свои античастицы — антикварки, которые и составляют антинейтрон. Вдобавок, при встрече нейтрона и антинейтрона оба аннигилируют (превращаются), как и должна поступать пара из частицы и античастицы.

Где найти антиматерию

Античастицы образуются в ядрах активных галактик как и на ускорителях — вместе с частицами. Но сразу после этого частицы и античастицы при встрече аннигилируют. Насколько известно, антиматерия, а точнее античастицы, встречаются на Земле в трех обстоятельствах. Во-первых, они образуются в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей, которые обладают (в масштабах элементарных частиц) высокой энергией и при их встрече с земными частицами происходят процессы, схожие с процессами в ускорителях заряженных частиц.

Во-вторых, античастицы образуются при разряде молнии. Грозовой разряд — это тоже своеобразный природный реактор. Образующиеся при разряде молнии гамма-кванты обладают достаточно мощной энергией для того чтобы выбить один нейтрон из атмосферного азота. Так образуется нестабильный изотоп азота 13N.

Период его полураспада составляет чуть меньше 10 минут, то есть самый активный период испускания позитрона при распаде азота-13 до углерода-13 приходится на довольно короткий срок. Именно такой, достаточно короткий по человеческим меркам, но слишком длинный по меркам элементарных частиц, период низкоэнергетического гамма-излучения наблюдали ученые из Японии. Они зафиксировали три всплеска гамма-излучения от разряда молнии, и последний, длившийся примерно минуту, показался им подозрительным — это и был сигнал аннигиляции электрон-позитронных пар.

Наконец, античастицы образуются в ускорителях, причем чаще всего как побочный продукт других экспериментов. Сейчас в научном мире наблюдение античастиц в коллайдерах уже ни у кого не вызывает ажиотаж. Загадки связаны не с тем, что античастицы есть, а с тем, почему их так мало во Вселенной, если учесть, что в ускорителях они образуются в равном с частицами соотношении?

Антиматерия и материя

Предположительно, на ранних этапах существования Вселенной симметрия между частицами и античастицами была нарушена. Преобладание частиц оценивается как 1 частица на 1 млрд пар частица-античастица. Почти все античастицы аннигилировали при встрече с частицами, поэтому мы наблюдаем их такое ничтожно малое количество.

Возможно, нарушение симметрии в ранней Вселенной как-то связано с различиями свойств таких короткоживущих частиц как К-мезоны и различиями свойств материи и антиматерии за счет существования трех поколений кварков. Возможно, это как-то связано и с очарованными мезонами — это короткоживущие частицы, которые могут переключаться между двумя состояниями: частицы и античастицы. В июне 2021 года это выяснили ученые из Оксфорда.

Как бы то ни было, весь видимый мир в теории состоит из частиц. По крайней мере, доступный нам мир — это материя. Причем из всего огромного сонма частиц, весь мир состоит всего из трех: две — это нуклоны: протон и нейтрон (нуклонами называются потому что они составляют ядро атома) и во внешней оболочке атома — электроны. Этот феномен — перекос в сторону частиц — получил название Барионная асимметрия Вселенной. Барионы — это тяжелые частицы, к которым относятся также протоны и нейтроны. Кроме того, к барионам относятся и другие тяжелые частицы, состоящие из кварков. И у каждого бариона есть антибарион, который состоит из соответствующих антикварков. Но все эти частицы обладают крайне малым сроком жизни, так что их следует оставить в стороне.

Барионная асимметрия — вопрос исключительно космологии и физики частиц. Если бы барионов и антибарионов было поровну и не было бы никакого различия свойств между материей и антиматерией, то как показал академик Андрей Сахаров в 1967 году, вся Вселенная превратилась бы в излучение — очевидно, этого не произошло. Но может быть материя и антиматерия не были «смешаны» в ранней Вселенной однородно и просто разлетелись в разные стороны — в нашем уголке преобладает материя, а где-то есть области, где антизвезды составляют антигалактики?

Теоретически это возможно, но очень маловероятно, потому что плотность ранней Вселенной была слишком велика, чтобы большие сгустки могли просто так разлететься в разные стороны предварительно не проконтактировав.

И все же антизвезды ищут. Для их обнаружения нужно зарегистрировать ядра антигелия, поскольку только антигелий может гарантировать, что образовался не под воздействием космических лучей — антипротоны и антидейтероны (ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия, состоит из антипротона и антинейтрона) такого гарантировать не могут. А вот ядро антигелия «собраться» случайно практически не может, так что если его зарегистрируют, значит оно прилетело к нам как продукт термоядерных реакций антизвезды.

В 2021 году была опубликована статья, авторы которой создали каталог из 14 кандидатов в антизвезды, проанализировав данные космического телескопа Fermi. Телескоп зарегистрировал именно ядра антигелия.

Дмитрий Казаков, доктор физико-математических наук, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна:

«Проблема антисимметрии Вселенной по отношению материи и антиматерии действительно серьезна и давно уже обсуждается в физике высоких энергий, но ясного понимания пока нет. Это связано со свойствами взаимодействия элементарных частиц и, возможно, с новыми частицами.

При изучении спектра космических лучей как раз регистрируют позитроны и антипротоны, их гораздо меньше на общем фоне и их можно регистрировать по сигналу аннигиляции. Так, например, пытаются зарегистрировать сигнал от темной материи. Но специально античастицы не изучают, в этом нет специального интереса. Мы знаем, что все частицы имеют античастицы и у них те же самые свойства. Тут нет загадки кроме того как во Вселенной образовался перекос в сторону частиц».

Антиматерия и темная материя

Важно не путать антиматерию и темную материю. Несмотря на похожий флер таинственности вокруг обоих явлений и в определенном смысле аналогичные эпитеты, добавляющиеся к слову «материя» в названии каждого из них, это совершенно разные явления.

Темная материя получила свое название в силу того, что не вступает в электромагнитные взаимодействия, то есть не испускает свет. Но и не перекрывает его как в случае газо-пылевых туманностей. Темная материя регистрируется как присутствующая масса, которая оказывает гравитационное воздействие и влияет на движение звезд в нашей и других галактиках. То есть звезды вращаются вокруг центра галактики не так, как должны были бы исходя из видимой массы. Иными словами — либо законы Ньютона не верны в отношении макрообъектов, либо присутствует скрытая масса, которую ученые пока не в силах зарегистрировать.

Темной материи теоретически отводят около 82–85% всего вещества во Вселенной (энергия веществом не является, так что другое загадочное явление — темную энергию — мы исключаем), Оставшиеся 15–18% — это доля знакомого нам обычного вещества, то есть материи. Доля антиматерии в этой совокупности ничтожно мала — она оценивается как 10-10 (то есть одна десятимиллиардная) по отношению к материи.

Изучение антиматерии

В очень свободной и интуитивной форме антивещество предсказал Артур Шустер, он же и ввел этот термин в 1898 году. После открытия электрона Джозефом Томсоном годом ранее, Шустер посчитал, что у электрона обязательно должна быть парная частица. В своих письмах в журнал Nature он пытался убедить ученую публику в своей правоте. Но у него не было доказательств, только голая интуиция и небезупречная во многих отношениях логика, поэтому идеи Шустера никто не рассматривал всерьез, а его самого считали чудаком.

Открытие антиматерии

Более точно существование антивещества было предсказано английским физиком теоретиком швейцарского происхождения Полем Дираком — в 1928 году он вывел уравнение для описания электрона, за что получил в 1933 году Нобелевскую премию по физике (разделил ее с Эрвином Шредингером с официальной формулировкой «За открытие новых продуктивных форм атомной энергии»). Уравнение Дирака может быть решено и для частицы с отрицательным значением энергии, а значит и отрицательной массой. С математической точки зрения это возможно, но создавало бы массу проблем с соблюдением физических законов.

Значит, должна быть частица с массой электрона, но противоположным электрическим зарядом. Эта частица и была открыта в 1932 году Карлом Дэвидом Андерсоном, американским физиком-экспериментатором, за что он и был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году.

Как получают антиматерию

Вероятно, ажиотаж вокруг антивещества и его поразительных энергетических свойств вызван романом Дэна Брауна «Ангелы и демоны», сюжет которого развивается вокруг похищения контейнера с антиматерией, вероятного ее взрыва, который бы уничтожил Ватикан, и приключений, связанных с попытками остановить это фатальное событие. Но не стоит путать художественный вымысел с реальностью. Количество антиматерии, созданное экспериментальным путем, ничтожно мало — счет идет даже не на микро (одна миллионная) или нано- (одна миллиардная) граммы, а на атомы. Антиатомы, если их удалось собрать из античастиц, захватываются с помощью магнитных ловушек — ведь им нельзя вступать во взаимодействие с атомами материи. С ними проводят эксперименты, изучают их свойства. Но время жизни антиатомов весьма невелико по бытовым меркам — счет идет на секунды, в редких случаях — минуты.

Так откуда взялась вполне конкретная цена на антиматерию? Если это не чистая фантазия, то цену можно вычислить следующим образом, который, вероятно и был использован. Финансирование ученым выделяется на совершенно конкретные цели, например, на изучение свойств антиводорода. За полученные результаты (которые могут быть как положительными, так и отрицательными) руководитель исследования отчитывается перед организацией, которая предоставила деньги. То есть синтез антиводорода был не сиюминутной прихотью или случайностью — это была цель работы научной группы.

Теперь, если знать сумму гранта (которая не является секретом) и количество атомов антиводорода, которое получилось в результате эксперимента, то, зная массу молекулы водорода (одна молекула водорода состоит из двух атомов), можно посчитать, сколько будет стоить 1 грамм антиводорода.

Какие бывают античастицы

Но антиводрод — не единственное антивещество, которое было экспериментально получено: также наблюдались антидейтерий (изотоп антиводорода в ядре которого есть антинейтрон), антитритий (имеет два антинейтрона), антигелий-3 и антигелий-4.

Поскольку цена рождается на стыке спроса и предложения, а в случае антиматерии нет ни того, ни другого, а есть только производство с целью научного изучения, то вести разговор о цене — профанация.

Применение антиматерии

Антиматерия в медицине

Метод исследования внутренних органов человека или животного под названием позитронно-эмиссионная томография или ПЭТ основан на испускании античастиц электронов — позитронов.

В организм пациента вводится специальное вещество, которое называется радиофармпрепарат. В нем содержится радионуклид, то есть вещество, ядро атома которого нестабильно (от лат. nucleus — ядро), обычно для этого применяются более легкие изотопы четырех элементов — углерода, азота, кислорода и фтора. У этих изотопов на один нейтрон меньше, чем у стабильного атома, и со временем — весьма непродолжительным по бытовым меркам — этот атом распадается с испусканием: протон превращается в нейтрон и испускает позитрон и электронное нейтрино. Оставим в стороне всех, кроме позитрона. Он довольно быстро «остывает» до низкоэнергетического состояния и встречается с электроном в организме пациента. Пара аннигилирует с испусканием двух гамма-квантов, которые летят в противоположных направлениях. Расположенные вокруг пациента детекторы регистрируют эти кванты, и поскольку те летят по одной прямой, оказывается очень нетрудно вычислить то место, откуда они отправились.

При ПЭТ-сканировании предпочитают использовать радиоактивный изотоп Фтор-18, потому что у него довольно продолжительный период полураспада (то есть время за которое половина атомов фтора-18 превратятся в кислород) — 109,8 минут и сравнительно низкая дозовая нагрузка на пациента: образующиеся при аннигиляции гамма-кванты отнюдь не безвредны.

Например, при диагностировании рака пациенту дают небольшое количество глюкозы (фтордезоксиглюкозы — FDG), в которой содержится радионуклид. Поскольку раковые клетки бесконтрольно делятся и нуждаются для этого в энергии, они поглощают глюкозу в больших количествах. Концентрирование глюкозы в раковых клетках приводит к повышенному испусканию позитронов в злокачественной опухоли. То есть делает возможной визуализацию ее с помощью ПЭТ-сканеров.

Антиматерия в энергетике

Использование энергии аннигиляции в военных целях или для энергетики выглядит очень привлекательно, но только при беглом взгляде. Причина все та же — производство антивещества из античастиц — дело не только очень затратное, но и с очень кратким «сроком годности». Для того чтобы вырабатывать энергию для космических полетов или освещения городов, антивещество должно быть не только произведено, но и каким-то образом сохранено и доставлено туда, где оно могло бы быть целенаправлено использованным. Но сейчас не ведутся исследования о возможности промышленного производства, хранения и использования антиматерии.

Дмитрий Казаков:

Фантасты же давно о таком мечтают: благодаря Джону Кэмпбеллу и Джеку Уильямсону антиматерия сделалась одним из обязательных атрибутов фантастики о космическом будущем человечества. Например, варп-двигатель, использующий аннигиляцию антивещества, позволял летать звездолету Enterprise из саги Star Trek.

Источник

10 фактов об антиматерии, которых вы могли не знать

Антиматерия давно была предметом научной фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии. Космический корабль «Энтерпрайз» из «Звездного пути» использует двигатель на основе аннигилирующей антиматерии для путешествий быстрее скорости света. Но антиматерия также предмет нашей с вами реальности. Частицы антиматерии практически идентичны своим материальным партнерам, за исключением того, что переносят противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречает материю, они мгновенно аннигилируют в энергию, и это уже не вымысел.

Хотя бомбы из антиматерии и корабли на основе этого же топлива пока не представляются возможными на практике, есть много фактов об антиматерии, которые вас удивят или позволят освежить в памяти то, что вы уже знали.

Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого Взрыва

Но мы существуем. И насколько знают физики, это потому, что на каждый миллиард пар материи-антиматерии была одна лишняя частица материи. Физики всеми силами пытаются объяснить эту асимметрию.

Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете

Есть и другие источники антивещества, которые находятся ближе к нам. Бананы, например, вырабатывают антивещество, испуская один позитрон — антивещественный экивалент электрона — примерно раз в 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. При распаде калия-40 иногда рождается позитрон.

Наши тела тоже содержат калий-40, а значит, и вы излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует мгновенно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества живут не очень долго.

Людям удалось создать совсем немного антиматерии

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии — не больше 2 нанограммов позитронов.

Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире.

Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии

Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

Антиматерия может падать (в прямом смысле слова)

Наблюдать за гравитационным эффектом на примере антиматерии не так просто, как смотреть на падающее с дерева яблоко. Эти эксперименты требуют удержания антиматерии в ловушке или замедления ее путем охлаждения до температур чуть выше абсолютного нуля. И поскольку гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, физики должны использовать нейтральные частицы антиматерии в этих экспериментах, чтобы предотвратить взаимодействие с более мощной силой электричества.

Антиматерия изучается в замедлителях частиц

В кольцевых ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера частицы получают энергетический толчок каждый раз, когда завершают круг. Замедлители работают противоположным образом: вместо того чтобы разгонять частицы, их толкают в обратную сторону.

Нейтрино могут быть своими собственными античастицами

Проекты вроде Majorana Demonstrator и EXO-200 направлены на определение того, действительно ли нейтрино являются майорановскими частицами, наблюдая за поведением так называемого безнейтринного двойного бета-распада.

Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, испуская два электрона и два нейтрино. Если нейтрино были бы собственными античастицами, они бы аннигилировали после двойного распада, и ученым осталось бы наблюдать только электроны.

Поиск майорановских нейтрино может помочь объяснить, почем существует асимметрия материи-антиматерии. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть либо тяжелыми, либо легкими. Легкие существуют в наше время, а тяжелые существовали сразу после Большого Взрыва. Тяжелые майорановские нейтрино распались асимметрично, что привело к появлению крошечного количества вещества, которым наполнилась наша Вселенная.

Антиматерия используется в медицине

Антиматерия может скрываться в космосе

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) — это детектор частиц, который располагается на Международной космической станции и ищет такие частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют путь космических частиц и отделяют материю от антиматерии. Его детекторы должны обнаруживать и идентифицировать такие частицы по мере прохождения.

Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия остается чрезвычайно малой из-за гигантского количества энергии, которое требуется для этого процесса. Это означает, что наблюдение хотя бы одного ядрышка антигелия будет мощным доказательством существования гигантского количества антиматерии где-либо еще во Вселенной.

Люди на самом деле изучают, как оснастить космический аппарат топливом на антивеществе

Движение ракеты на антивеществе гипотетически возможно; основным ограничением является сбор достаточного количества антивещества, чтобы это могло осуществиться.

Пока не существует технологий для массового производства или сбора антивещества в объемах, необходимых для такого применения. Однако ученые ведут работы над имитацией такого движения и хранения этого самого антивещества. Однажды, если мы найдем способ произвести большое количество антивещества, их исследования могут помочь межзвездным путешествиям воплотиться в реальности.

Источник

АНТИВЕЩЕСТВО

Полезное

Смотреть что такое «АНТИВЕЩЕСТВО» в других словарях:

антивещество — антивещество … Орфографический словарь-справочник

антивещество — антивещество/, а/ … Слитно. Раздельно. Через дефис.

антивещество — а; ср. Физ. Материя, построенная из античастиц. ◁ Антивещественный, ая, ое. * * * антивещество материя, построенная из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а атомные оболочки построены из позитронов.… … Энциклопедический словарь

Антивещество — Антивещество вещество, состоящее из античастиц. Содержание 1 Свойства 2 Получение 3 Стоимость … Википедия

АНТИВЕЩЕСТВО — АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, построенное из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а роль электронов играют позитроны. Предполагают, что в первые моменты образования Вселенной антивещество и вещество… … Современная энциклопедия

АНТИВЕЩЕСТВО — материя, построенная из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а атомные оболочки построены из позитронов. Скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. На ускорителях заряженных частиц получены… … Большой Энциклопедический словарь

Антивещество — ср. Материя, образованная из античастиц (в физике). Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

антивещество — сущ., кол во синонимов: 1 • антиматерия (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

АНТИВЕЩЕСТВО — материя, состоящая из (см.). Вопрос о распространённости А. во Вселенной пока остаётся открытым … Большая политехническая энциклопедия

Источник

На грани аннигиляции: что делать с антиматерией

Мы настолько привыкли к мысли, что антиматерия является либо элементом фантастических романов (сверхэффективное ракетное топливо или разрушительное оружие), либо гипотетической субстанцией в извращенных мозгах физиков, что поверить в ее реальность в нашей повседневной жизни довольно трудно. В крайнем случае, мы допускаем, что физики действительно получают ее в секретных лабораториях, но сама по себе она не встречается. Попробуем развенчать это убеждение.

Античастицы не такая уж редкость и возникают в окружающем мире без нашего участия. Они так же стабильны, как частицы материи, а живут в нашем мире ничтожно мало лишь потому, что, стоит им столкнуться с атомами, как они аннигилируют с образующими его частицами: небольшая вспышка света, незаметная для глаза, и больше никаких следов.

Самая распространенная античастица — антинейтрино, но проблема аннигиляции ее как раз не касается: слишком малό ее взаимодействие с любыми частицами. Сотни нейтрино и антинейтрино содержатся в каждом кубическом сантиметре нашей Вселенной. Посчитайте, сколько их внутри вас, и порадуйтесь, что, по счастью, они почти никак не взаимодействуют с материей и не наносят нам вреда.

Античастицы электронов, позитроны, появляются в космических лучах, возникают в грозовых разрядах, а также в распадах вполне распространенных на Земле элементов. К примеру, изотоп калия-40, правда довольно редко, всего в 0,001% случаев его распадов, испускает позитрон. Благодаря небольшому содержанию этого изотопа в природной смеси в нашем организме рождается около одного позитрона в минуту. Вреда здоровью это не наносит; гораздо больший риск мутаций в организме представляют космические лучи, в состав которых входят антимюоны, сотни которых пролетают через нас за секунду. В космических лучах наблюдаются также антипротоны, которые, пусть редко, рождаются в нашей Галактике при ядерных взаимодействиях в межзвездной среде. Более того, какая-то их часть стабильно удерживается в магнитном поясе Земли (на высокой орбите, где нет протонов, с которыми можно было бы проаннигилировать).

Правда, все вышеописанное — это лишь примеры античастиц, а не антиатомов или антивещества. А могут ли существовать антимиры где-то далеко в нашей Вселенной? Может быть, на далекой антипланете антилюди озабочены проблемой анти-антиматерии (нашей обычной материи) и сейчас тоже размышляют о нашем гипотетическом существовании?

Как была открыта антиматерия

Впервые понятие «антиматерия» было придумано английским физиком Артуром Шустером в 1898 году, сразу после открытия Джозефом Томсоном электрона. Томсон обнаружил, что катодные лучи образованы входящими в состав вещества тождественными друг другу отрицательно заряженными частицами. Шустер задался вопросом, а не существует ли симметричный аналог электрона (названный им антиэлектроном), заряженный положительно. Из его гипотезы сразу следовала идея существования антиматерии, внутри которой придуманные антиэлектроны и должны жить. Гипотеза Шустера основывалась на соображении, что Природа должна была позаботиться о симметрии между отрицательным и положительным. Убедительный аргумент? В общем-то, не очень. Вот и современники Шустера (а в его время концентрация выдающихся физиков была запредельно высокой) этой идеей, увы, не заинтересовались, и она была надолго забыта.

Лишь спустя 30 лет замечательный английский физик Поль Дирак переоткрыл антиматерию. В отличие от Шустера он не предположил существование антиэлектрона, а нашел его, но не в окружающем мире, а. в своем уравнении! Уравнение Дирака успешно описало релятивистский электрон, но в решениях этого уравнения «вылезла» также положительно заряженная частица, в точности симметричная электрону. Дирак назвал ее позитроном.

Поначалу к идее Дирака, несмотря на явный успех его теории в разрешении многих парадоксов, коллеги отнеслись скептически. Но вскоре позитрон был открыт Карлом Андерсоном в космических лучах: он рождался из энергичных космических фотонов в паре с электроном, а перед последующей аннигиляцией успевал пролететь некоторое расстояние и оставить следы.

Античастицы есть у всех частиц, за исключением истинно нейтральных, таких как фотон (для фотона он же сам и является античастицей), и сегодня все они открыты.

Материя и антиматерия немного разные

Еще до открытия Андерсона, пытаясь найти ответ на вопрос, почему позитроны не наблюдаются в окружающем нас мире, Дирак осознал, что позитроны жить вместе с нами не могут: возникнув где-то рядом, они немедленно аннигилируют с окружающими электронами. Он здраво рассудил, что, раз уж наша Солнечная система построена из электронов и вообще из частиц, то здесь не место античастицам, их надо искать в других галактиках, не соприкасающихся с нашей.

Антигалактики искали и продолжают искать, но пока не находят. Более того, сегодня мало кто верит, что они действительно могут существовать. В чем же причина такой асимметрии Вселенной, в которой материя есть, а антиматерии почти нет?

В 1960-х годах сделали совершенно неожиданное открытие: антиматерия немного отличается от материи. Казалось бы, как же так? Ведь мы только что вывели антиматерию из симметрии между положительным и отрицательным, а никакой симметрии оказывается нет? Ну не совсем… симметрия нарушается только в слабых взаимодействиях, а есть еще электромагнитные и ядерные взаимодействия, которые эту симметрию чтут. Давайте не будем упрекать слабые взаимодействия за эту непочтительность к симметриям, ведь только благодаря ей мы, в отличие от менее удачливых антилюдей, и существуем! К этому выводу в 1967 году пришел Андрей Дмитриевич Сахаров.

Действительно, если бы материя и антиматерия были абсолютно идентичны, то вскоре после Большого Взрыва, в результате которого образовалось одинаковое количество частиц и античастиц, они бы полностью проаннигилировали. В живых остались бы только фотоны, из которых строить мир (и нас с вами) было бы довольно проблематично. На самом деле, благодаря разности свойств материи и антиматерии небольшая доля частиц материи выжила (одна на миллиард проаннигилировавших!), и этого уцелевшего в грандиозной битве остатка хватило, чтобы сделать нас с вами.

Изучение антиматерии

Изучая антиматерию, мы в действительности пристально смотрим на ее различия с материей. Эта маленькая разница позволяет многое узнать о законах Природы. До сих пор не решен вопрос о механизме нарушения симметрии между материей и антиматерией. Вернее, мы знаем, зачем Природа допустила это нарушение (ради нас), а также за счет чего эта разница свойств возникает, но уже 40 лет гадаем, почему все это организовано в Природе подобным образом.

Последние 15 лет разницу распадов тяжелых кварков и антикварков изучали специальные эксперименты в Японии и США. Разогнанные до огромных скоростей электроны и позитроны, сталкиваясь, рождали так называемые B-мезоны, содержащие кварк третьего поколения (1 млрд пар B-мезонов за 10 лет работы). В этих экспериментах обнаружили большую разницу в распадах B-мезона и анти-B-мезона и измерили ее с хорошей точностью. В последние годы к этим усилиям подключился специальный эксперимент на Большом адронном коллайдере, а еще через два года в Японии заработает супер В-фабрика. Точность измерений возрастет, и, возможно, будет найдено что-то новое в несоответствии свойств материи и антиматерии.

Сегодня вряд ли кто-нибудь возьмется прогнозировать, что будет найдено и как это позволит развить наши знания. И уж тем более, никто не сможет предсказать, как новые знания можно использовать в нашей жизни. Можно лишь воспользоваться предыдущим опытом человечества: все научные открытия, какими бы никчемными с практической точки зрения они не казались поначалу, рано или поздно приносили пользу. Достаточно вспомнить ту же квантовую механику, без которой не было бы транзисторов, микрочипов и, соответственно, 99% современных технологий…

Использование антиматерии

Сегодня мы применяем, по крайней мере, самую легко получаемую античастицу — позитрон, для некоторых вполне практичных задач. Одно из своих применений позитроны нашли в медицине для диагностики онкологических заболеваний. Помимо упомянутого выше калия-40, существуют множество радиоактивных изотопов, испускающих позитроны, которые, вылетев из ядра, мгновенно аннигилируют с электронами из соседних атомов, превращаясь в два фотона. Пациент принимает небольшое количество аналога глюкозы с радиоактивной примесью (доза очень маленькая и не наносит вреда здоровью), глюкозоподобное вещество накапливается в активно растущих клетках, каковыми и являются раковые клетки. Именно в опухоли и будет происходить частая электрон-позитронная аннигиляция, а найти точное место в организме, откуда часто вылетают фотоны, остается технической задачей (причем, делается это бесконтактно — вокруг пациента проезжает сканирующий прибор, улавливающий фотоны). Этот метод, позволяющий диагностировать и точно определять местоположение опухоли, называется позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ).

Позитроны используются также в материаловедении. С помощью специального позитронного микроскопа, стреляющего позитронами по изучаемому объекту, можно исследовать поверхности полупроводников для их применения в электронике. Можно также изучать разнообразные образцы, определять «усталость» материалов и находить в них микродефекты. Так что эта, казалось бы, совершенно абстрактная область знания служит вполне конкретным интересам людей.

Действительно ли в антиматерии скрыта колоссальная энергия?

Здесь писатели-фантасты не преувеличивают. Давайте оценим эту энергию. Вспомнив, что масса и энергия эквивалентны, сравним разные виды энергии. Начнем с энергии химических связей: сжигая, к примеру, 1 грамм угля, мы получим энергию, составляющую примерно одну миллионную от его массы. Немного! В ядерной энергии скрыт гораздо больший потенциал: из 1 грамма урана, запустив цепную реакцию, можно извлечь энергию, достигающую величины 0,001 (т. е. одной тысячной) в граммовом эквиваленте — правда, это в идеале, в реальности все гораздо скромнее. А вот 1 грамм антиводорода при анигилляции даст 2 грамма энергии! Согласитесь, что это впечатляет — в 1 грамме антиматерии заключено энергии больше чем в 1000 тонн угля. Правда, следует помнить, что на Земле нет залежей антиматерии в отличие от других носителей энергии, а чтобы получить 1 грамм антиводорода потребуется сжечь гораздо больше, чем 1000 тонн угля…

И все же, ракета на антиводородном топливе (одного грамма достаточно, чтобы отправить многотонную ракету на Марс) будоражит воображение. Все это по-прежнему выглядит фантастикой? Судите сами. Антиводород уже реально получают. Пока, правда, в гигантской лаборатории и всего тысячи антиатомов. Причем удержать их в ловушке удается только несколько минут. Но 10 лет назад антиатомы получали лишь десятками и удерживали микросекунды. А еще через 10 лет планируются получить уже количество антивещества, измеряемое микрограммами.

Источник

Вещество и антивещество: что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино

Антивещество — штука достаточно популярная, как в научной фантастике, так и просто в околонаучных спорах о том, “как все устроено на самом деле”. Фантасты нам подарили звезды и целые планетные системы из антивещества. Дэн Браун через “Ангелов и демонов” донес этот феномен практически до каждого.

В общем, вымыслов и домыслов предостаточно. В статье немного окунемся в историю: как почти чистая математика предсказала такой феномен, как им пытались «пренебречь», до тех пор, пока антивещество само не залетело в детекторы. Потом пробежимся по тому, что известно сейчас и дойдем до самой большой головной боли физиков — почему вещества во Вселенной оказалось больше, чем антивещества?

Это статья написана в продолжении ну о-о-очень вялотекущего цикла о нейтринной физике: открытие нейтрино, нейтринные осцилляции для чайников, нейтрино от сверхновых.

Немного истории

Начало квантовой механики

Зайдем издалека, почти с самого создания квантмеха. У физиков никак не получалось посчитать, как светится нагретое тело. То, что оно светится никто не спорит, благо невооруженным глазом видно, но вот в цифрах посчитать не получается — интеграл расходится, получается бесконечность. Макс Планк предлагает простой трюк — давайте будем считать, что свет излучается порциями, а не непрерывно. И вуаля — бесконечность исчезает, а результат расчетов отлично сходится с экспериментом. Забавно, что Планк очень долго доказывал, что это трюк чисто математический, и никакого физического смысла тут нет. Эйнштейн же сразу подхватил эту идею и предположил, что свет вообще существует исключительно в виде отдельных порций — фотонов. И потом еще долго спорил с Планком и объяснял ему, что тот открыл на самом деле.

Тут-то физики и развернулись. Возможность описать свет и как волну, и как летящую частицу сразу же вызвало предложение пройти обратным путем — описать частицу как волну, посчитать для нее волновые характеристики: длину, частоту. Экспериментальное подтверждение не заставило себя долго ждать, и в 1927 году удалось продемонстрировать интерференцию электронов при прохождении через две щели — чисто волновой эффект!

На волне этих идей Шредингер придумывает как описать любые частицы с помощью волнового уравнения. Не будем погружаться глубоко в математику, скажем лишь, что это уравнение позволяло для заданных условий вычислить волновые характеристики частицы: вероятность найти ее в том или ином месте, вероятность иметь определенную скорость и тд. Так в те времена описывали феномен корпускулярно-волнового дуализма.

Антивещество выходит на сцену

И вот тут и сидит множество проблем! Они и приведут к открытию антивещества!

Уравнение Шредингера хорошо работало для не очень быстрых частиц. В таких случаях оставались верными знакомые всем со школы уравнения ньютоновской механики. Но нас окружает множество очень быстрых частиц и для них нужно использовать приведенное выше уравнение, связывающее энергию, импульс и массу. Проблема была в извлечении корня для нахождения энергии. Поль Дирак в 1930 придумал хитрый способ сделать это при помощи матриц и обобщил уравнение Шредингера на высокоэнергетичные частицы.

Так вот, Дирак, обсчитывая движение электрона, получил решения с отрицательной энергией. Первой идеей было отбросить этот ответ как «не имеющий физического смысла». Но, как и в случае с машинами, какой-то смысл за этим решением все же должен быть!

Если допустить существование таких состояний с отрицательной энергией (и положительным зарядом), то в физике наступит полнейший хаос. Давайте рассмотрим это на примере простой картинки:

Здесь по вертикальной оси отложена энергия частицы. Сверху на желтом фоне обычные электроны с положительной энергией и отрицательным зарядом. Чем больше энергия, тем больше скорость — все интуитивно понятно. Но вот внизу… Огромная синяя экзотическая область. Там, если энергия уменьшается, иными словами уходит глубже в минус, то скорость растет. Это вообще как?!

Дальше — хуже. Ведь любая система стремится к минимуму энергии, шарик всегда будет стремиться оказаться на дне ямки. Так и абсолютно все электроны будут стремиться упасть в самый-самый низ, безостановочно разгоняясь… В общем, не останется в мире электронов.

Дирак, будучи влюбленным в красоту математики, настаивал, что решение должно иметь смысл. За это он был неоднократно критикован. Его объявляли в слепом следовании математике, несмотря на физический смысл. Достаточно привести цитату Гейзенберга, к слову, близкого друга Дирака:

Самой печальной главой современной физики есть и остается теория Дирака…
Я считаю ее попросту мусором, к которому никто не может относиться серьезно.

Но Дирак продолжил спасать свою теорию, а заодно и всю физику. Он предположил, что эта синяя область уже заполнена электронами, и именно поэтому они туда сверху не падают — места нет (помните принцип Паули?). Просто свойство вакуума такое, что вся синяя область заполнена. Такой заполненный слой частиц называют “морем Дирака”. Тут любопытно рассмотреть два случая:

Экспериментальное открытие

Итак, мы приходим к экспериментальным поискам кандидата на роль «дырки» в дираковском море. Мы знаем, что она должна быть заряжена положительно и по массе примерно соответствовать электрону.

Предполагается, что первым странные частицы наблюдал Дмитрий Скобельцын в 20х годах. Ему удалось заметить в детекторе треки, похожие на электрон, но с положительным зарядом. Объяснить такой эффект он не смог, и статья опубликована не была.

После Скобельцына на историческую сцену выходят аспиранты нобелевского лауреата Роберта Милликена (премия за работы по фотоэффекту и измерению заряда электрона). Один их них — Чунг-Яо Чао, наблюдал прохождение фотонов через свинцовую фольгу. И тоже обнаружил необычные частицы. Но ни его руководитель, ни научное сообщество не поверило результатам, и признания они не получили. Второй аспирант, Карл Андерсон, к слову, друг Чао, наблюдал фотоны космических лучей в камере Вильсона. Его руководитель ожидал увидеть, как они будут раскалывать атомы на протоны и электроны. Частицы в камере летели в основном сверху вниз. И снова среди них обнаружились «электроны», отклоняющиеся в магнитном поле другую сторону — то есть положительно заряженные. Сначала Андерсон подумал, что это обычные электроны, но летящие снизу вверх. Он добавил в эксперимент свинцовую пластинку, чтобы убедиться, что частицы прилетели именно сверху. Но и тут Милликен не поверил своему аспиранту. Андерсон после продолжительных безуспешных попыток убедить шефа все же опубликовал свою работу. Надо отметить, что ни Андерсон, ни Милликен, скорее всего, не знали о теории Дирака. Ни у кого не возникло идеи отождествить необычные частицы с «дырками» в «море Дирака».

Следующий шаг сделали в Кембридже Блэкетт и Оккиалини. Они сумели сфотографировать достаточно большое число треков легких положительных частиц. Они уже знали о теории Дирака, но все равно не воспринимали ее всерьез.

Андерсон, прочитав работу коллег, опубликовал второе, более подробное описание своих экспериментов. Наконец, под напором большого числа доказательств общественность признала открытие позитрона — именно так была названа предсказанная Дираком частица. За свое открытие Андерсон получил в 1936 году Нобелевскую премию.

Замечу, что на сегодняшний день наблюдать антивещество может каждый. Инструкций как сделать облачную камеру Вильсона полно (например). Остается только добавить к ней электромагнит для разделения разноименно заряженных частиц.

Теперь мы знаем, что антивещество существует. В четком согласовании с теорией частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположные заряды. Обычно говорят об электрическом заряде. Но стоит помнить, что и другие квантовые заряды должны быть строго противоположны (или оба равны нулю). То есть, если частица участвует в сильном ядерном взаимодействии, то и античастица никуда не денется — будет участвовать.

Антивещество во вселенной

Первое антивещество было обнаружено при помощи космических лучей. Сами эти лучи до земли не долетали, но порождали целые ливни вторичных частиц в атмосфере планеты. Вот их-то и увидел Андерсон и компания. Совершенно логично задаться вопросом — а сколько этого антивещества во Вселенной и где его искать? Как мы видим, на Земле его нет, иначе оно бы активно аннигилировало с обычным веществом. Есть ли оно в космосе? Тут ответить не так-то просто. В основном мы наблюдаем космос в электромагнитных лучах. То есть к нам прилетают фотоны. Они являются сами себе античастицей. И позитрон, и электрон породили бы абсолютно одинаковый фотон. Как и водород/антиводород. А вдруг все (кроме Земли) сделано из антивещества? И тогда при встрече нас ждет полное уничтожение в мощнейшей вспышке.
В реальности, космос не такой уж и пустой. В Солнечной системе полно астероидов, комет и пыли. Пыль, в астрономии — это, на всякий случай, все, что меньше метра в диаметре. Всё это постоянно сталкивается и взаимодействует друг с другом. Если бы где-то встретились мир и антимир, мы бы это сразу увидели. Давайте смотреть шире — галактика Млечный путь. Но и в ней полно газовых облаков, они не изолированы друг от друга. Граница мира и антимира должна была бы сиять очень и очень ярко. Хорошо, с галактикой понятно. Если идти в самые темные области Вселенной — в пространство между сверхскоплениями галактик, то и там найдется несколько атомов водорода на сотню кубометров. Да, это очень мало, но сигнал от аннигиляции должен приходить строго на одной частоте. Редкие события будут происходить во Вселенной постоянно и сигнал с четко определенной энергией не составит труда обнаружить. Пока что наши наблюдения показывают, что антивещества в больших масштабах во Вселенной нет.

Возникает фундаментальнейший вопрос: как же образовалось полное доминирование вещества над антивеществом? Можно предложить два сценария:

Так что необходимо придумать способ как сгенерировать превосходство вещества над антивеществом при равных исходных пропорциях. В первую очередь зададимся вопросом — а насколько больше вещества было в ранней Вселенной? Наши наблюдения показывают, что на 10 000 000 000 тождественных пар кварк-антикварк, приходился один лишний кварк. Со временем эти миллионы пар проаннигилировали, а из одной «лишней» частицы и вышло все вещество Вселенной, которое мы можем видеть вокруг. Нам всего лишь остается придумать как именно образовалась такая ничтожная асимметрия, положившая начало нашему миру вещества.

Условия Сахарова

Что же нам понадобится, чтобы создать такую асимметрию?

1) Необходим процесс, который меняет . Ведь понятно, что если мы рождаем/уничтожаем барионы и анти-барионы (читай, кварки/анти-кварки) вместе, то симметрию мы не нарушим.

Думаете это все? Как бы не так!
Вот нашли мы процесс, который создает больше барионов, чем анти-барионов. Открываем шампанское? Нет. Может запросто отыскаться зеркальный процесс, который создает анти-барионов больше ровно на такое же количество.

2а) Необходимо отличие в процессах для частиц и для анти-частиц. Это называется нарушением С-симметрии (charge, зарядовая).

2б) Еще нам потребуется, чтобы законы физики отличались в зеркально отраженном мире. Зачем еще и это? Допустим, у нас разные законы для частиц и для античастиц. Но вдруг они выражаются в том, что античастицы вылетают «влево», а частицы «вправо»? Опять все компенсируется. Нужно и эту симметрию нарушать. Это называется P-симметрией (parity, пространственная).

Всего в физике три фундаментальных симметрии — C, P, T. С первыми двумя вы познакомились, третья — временная, меняем течение времени на противоположное. Все вместе они должны сохраняться. Иначе поломается.

Чтобы как-то упорядочить кашу в вашей голове, которая уже окончательно заварилась, давайте посмотрим на простую картинку, которая наглядно покажет, что и как каждая симметрия меняет. Допустим у нас есть ядро кобальта. Оно представляет из себя маленький магнит, или, выражаясь более строго, имеет не нулевой спин. Ядро это радиоактивное и может испускать электроны. Как будет выглядеть эта картина, если мы применим разные симметрии?

С — меняет частицы на античастицы
P — меняет направление движения на обратное, но сохраняет направления вращения. Ведь если взять шарик летящий по кругу, развернуть его скорость и поместить в противоположную сторону окружности, он продолжит крутиться в ту же сторону. Спин (намагниченность) часто отождествляют именно с вращением, поэтому он при зеркальном отображении не меняется.

3) Все это должно сопровождаться дико неоднородными процессами: какой-нибудь фазовый переход или неоднородное расширение.

Третье условие во Вселенной соблюдалось, неоднородности там были страшные. Первое условия выходит за рамки этой и без того подробной статьи. Скажу только, что пути решения этой проблемы есть. Сосредоточимся на наиболее интересном, на мой взгляд, пункте под номером 2.

Нарушения в кварках

На первый взгляд условия кажутся фантастическими. Ведь мы же почти уверены, что частицы и античастицы абсолютно симметричны. А уж лево-право тем более! Не может же природа сама, без вмешательства человека определить, где лево, а где право? Оказывается может.
В 1956 году Ву проводит свой знаменитый эксперимент. Всё в точности, как на картинке, приведенной выше для пространственной (P) симметрии. Она сравнивает количество электронов, вылетевших вверх и вниз. И оно оказывается разным! Законы физики отличаются для нашего и зеркального мира.
Сказать, что физики удивились — ничего не сказать. Ландау потеря этой симметрии страшно разочаровала. Но он был уверен, что уж комбинированная симметрия частиц/античастиц и право/лево (CP) должна сохраняться.

Спойлер — нет. В 1964 году, наблюдая за К мезонами, удалось обнаружить нарушение CP симметрии. Спустя годы, этот эффект удалось открыть для B мезонов (2001), а этой весной (2019) было объявлено от открытии этого эффекта для D мезонов. Почему для разных частиц это важно? Они состоят из разных кварков. То, что эффект работает одинаково для всех из них, очень хорошо показывает, что наша кварковая модель отлично описывает реальность.

Казалось бы, всё, что нам нужно для создания Вселенной готово. Но нет. Эффект оказался слишком мал. Его не хватало даже для того, чтобы создать тот самый один лишний кварк на 10 000 000 000 пар кварк-антикварк.

Как могут помочь нейтрино

Итак, решить эту проблему с помощью кварков не получилось. Что еще есть в Стандартной Модели элементарных частиц, что может помочь?

Лептоны (электрон, мюон, нейтрино и тд). Для них наблюдается такой интересный эффект: они могут по кругу менять свои сорта — превращаться друг в друга, этот процесс называется нейтринными осцилляциями. И вот именно в этом процессе можно найти так необходимое физике CP нарушение, которое может оказаться гораздо сильнее, чем для кварков.

В мире действует достаточно экспериментов, исследующих этот эффект. Но для того, чтобы измерить разницу между свойствами нейтрино и антинейтрино нужно наблюдать в одинаковых условиях оба этих типа частиц. Причем необходима огромная статистика, ведь эффект ожидается чрезвычайно малым. Обычно природа не так сильно чувствительна к разнице частиц и античастиц. В настоящий момент на такие измерения способны только ускорительные эксперименты, которые измеряют осцилляции нейтрино при пролете им сотен километров. Давайте разберем что это такое и как такое реализуют.

Ускорительные эксперименты с нейтрино

Еще в 60х годах 20го века впервые удалось использовать ускорители для рождения большого числа нейтрино. В начале 21го века эту технологию начали применять для исследования нейтринных осцилляций. Схема получения интенсивного пучка нейтрино достаточно простая: пучок протонов направляется на графитовую мишень, где сталкивается с атомами углерода. При этих столкновениях вылетает большое количество мезонов (пар кварк-антикварк). Это заряженные нестабильные частицы. Пока они не распались их фокусируют магнитным полем, чтобы создать интенсивный пучок, направленный строго в детектор. А потом они распадаются на нейтрино, и вот у нас уже огромное количество нейтрино летит строго в детектор.

Одним из ведущих экспериментов в мире в этой области — T2K (Tokai-to-Kamioka), построенный в Японии.

Нейтрино производятся на восточном побережья Японии с помощью ускорителя протонов. Затем они пролетают в толще Земли 300 километров и попадают в дальний детектор — 50 килотонную бочку с водой SuperKamiokande. На своем пути они могут менять свой тип: превращаются из мюонных нейтрино в электронные. Недавно были получены указания на то, что нейтрино и антинейтрино ведут себя по разному. А именно, нарушают ту самую CP симметрию.
Возможно, это составная часть механизма, который и позволил нашей Вселенной сформироваться почти исключительно из вещества.

Фотография внутри SuperKamiokande во время работ в прошлом году. У дальней стены видны люди в лодке, слева на плоту также работает человек.

Сейчас в мире работают два ускорительных нейтринных детектора T2K в Японии и NOvA в США. В ближайшее десятилетие планируются эксперименты нового поколения HyperKamiokande в Японии и DUNE в США. Первый будет представлять из себя существенно улучшенную версию SuperKamiokande. Бочка с водой станет в 5 раз больше, светочувствительные элементы станут более точными — все это позволяет надеяться на окончательное решение вопроса с отличием в поведении нейтрино и антинейтрино.

А должны ли частицы отличаться от античастиц.

Говоря о разнице между частицами и античастицами, нельзя не упомянуть еще одну интересную особенность нейтрино. С самого начала статьи мы подразумевали, что, например, кварк и антикварк отличаются друг от друга. То есть они суть разные частицы. Для заряженных частиц это всегда так, ведь ее партнер должен обладать противоположным зарядом. Очевидно же, что они должны отличаться.

С нейтральными частицами все сложнее. Вдруг они могут являться и частицами и античастицами одновременно? Да, могут! Итальянский физик Этторио Майорана показал, что для нейтрино эти два состояния могут совпадать. Нейтрино уникально в том смысле, что ни кварки, ни заряженные лептоны (например, электрон/мюон) никак не могут обладать таким свойством.

Возможно, тут сообразительный читатель вспомнит про нейтрон — нейтральную частицу, которая вместе с протоном образует ядра атомов. Но нет, нейтрон — составная частица. Она состоит из кварков, а значит антинейтрон должен состоять из антикваров. Поскольку кварки обладают зарядом, то их антипартнеры должны отличаться от оригинальных частиц.

Нейтрино — уникальная в этом плане частица. И какую же пользу мы можем из этого извлечь? Представим себе нейтрино, которое родилось в обычном бета-распаде. Это будет анти-нейтрино. Вместе с ним из ядра вылетит электрон. Но вот взаимодействовать это анти-нейтрино может не как анти-частица, а как частица, ведь они могут быть одинаковые. В результате получится еще один электрон.

В результате: из ничего мы получили два электрона. Не позитрона, а именно электрона! Вот пример того, как можно получить преимущество вещества над антивеществом. Сейчас ведутся активные поиски аналога такого процесса. Он называется безнейтринный двойной бета-распад. Невероятно чувствительные установки (раз, два, три и т.д.) стоят глубоко под землей для защиты от проникающих лучей, часто в очень чистой среде. Они пытаются зарегистрировать хоть одно такое событие, которое приведет к рождению двух электронов из двух нейтронов. Открытие такого эффекта позволит однозначно указать, что нейтрино и антинейтрино — тождественные частицы. Но пока такие события не найдены и поиски продолжаются.

Уже в ближайшие годы мы можем ожидать интересных открытий в нейтринной физике, которые могут пролить свет на проблему доминирования вещества во Вселенной.

(с) Symmetry Magazine

На самом деле это даже не электроны и ионы — это просто удобные абстракции для описания процессов. Поэтому, в физике твердого тела, эти псевдочастицы могут иметь почти любую массу, а иногда и почти любую скорость. Так появляются статьи с провокационными на первый взгляд заголовками, вроде «Ученые получили в кристалле электрон с отрицательной массой»

Все, теперь моя совесть по уточнениям чиста:)

Хочется поблагодарить коллег и сообщество ЦЕРНач за помощь в работе над статьей. Напоминаю, что в ЦЕРНаче можно найти свежие новости по физике частиц, а с недавних пор и стримы из самого ЦЕРНа.

Источник

Что такое антиматерия и античастицы? Создание антивещества: перспективы и опасность

Антивещество – это противоположность обычной материи. Антиматерия состоит из античастиц — «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковыми спином и массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия: электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Некоторые частицы, например фотон, не имеют античастиц или, что то же самое, являются античастицами по отношению к самим себе.

Античастицы переносят аналогичный, но противоположный по значению заряд, как и их прототипы из обычной материи, но обладают той же массой и похожи на них во всех других отношениях. Как предполагают ученые, во Вселенной могут существовать целые галактики из антиматерии. Также есть мнение, что антивещества во Вселенной может быть даже больше, чем обычного вещества. Но увидеть антиматерию невозможно, так же как объекты окружающего нас обычного мира. Она не видима для человеческого зрения.

Никаких признаков существования во Вселенной космических тел, состоящих из антиматерии, не обнаружено. Одной из главных загадок современной физики считается асимметрия — подавляющее преобладание во Вселенной материи над антиматерией.

Согласно сегодняшним космологическим взглядам, в момент Большого взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии. При встрече античастицы с частицей они обе уничтожаются, аннигилируют с выбросом большого числа фотонов и нейтрино, то есть, согласно этой теории, сегодня все вещество и антивещество Вселенной должно было либо самоуничтожиться, либо существовать раздельно, но в равных количествах.

Навигация по материалу:

Материя и антиматерия

Для того, чтобы лучше понять антиматерию, нужно знать больше о материи. Вещество состоит из молекул в состав которых входят атомы, которые являются основными единицами химических элементов, таких как водород, гелий или кислород. Молекулы имеют определенное число элементов: водород имеет один электрон, гелий имеет два электрона и так далее.

Любая элементарная частица обладает рядом характеристик, чисел, описывающих ее структуру. Среди них следующие:

Также различные другие квантовые числа, определяющие свойства и состояния частиц.

Если описывать античастицу, то простым языком – это зеркальное отображение частицы, с той же массой и электрическим зарядом. Почему же ученых так заинтересовали частицы, которые просто отчасти схожи и частично отличны от своих подлинников?

Атомы антиводорода

В последние 25 лет ученые смогли создать простейшие атомы антиматерии и держать их стабильными в виде антиводорода. Проведены измерения и определена внутренняя структура антиводорода.

Водород является первым элементом в периодической таблице и состоит из одного электрона, движущегося вокруг одного протона. Его зеркало антиводород имеет один антиэлектрон или позитрон и один антипротон.

Если позитрон и электрон сталкиваются, они будут уничтожать друг друга и выплескивать энергию. То же самое для взаимодействия протон – антипротон. Так как наша Вселенная полна электронов, протонов и различных комбинаций, это исключительно трудно держать античастицы вокруг очень долго.

Атомная Вселенная является сложной, так как полна экзотических частиц со свойствами спина (вращение вокруг своей оси) и особенностей, которые физики только начинают понимать. С простой точки зрения, атомы имеют частицы, которые известны как электроны, протоны и нейтроны внутри них.

Частицы и античастицы

Антивещество – это материя, состоящая исключительно из античастиц. В природе у каждой элементарной частицы есть античастица. Для электрона это будет позитрон, а для положительно заряженного протона – антипротон. Атомы обычного вещества – иначе оно называется койновещество — состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся электроны. А отрицательно заряженные ядра атомов антивещества, в свою очередь, окружены антиэлектронами.

Центр атома называется ядро в котором находятся протоны (которые имеют положительный электрический заряд) и нейтроны (которые имеют нейтральный заряд). Электроны, которые обычно имеют отрицательный заряд, занимают орбиты вокруг ядра. Орбиты могут изменяться в зависимости от того, как “возбуждаются” электроны (то есть, сколько энергии у них есть).

В случае с антивеществом, электрический заряд восстанавливается по отношению к материи. Анти-электроны (так называемые позитроны) ведут себя подобно электронам, но имеют положительный заряд. Антипротоны, как следует из названия, представляют собой протоны с отрицательным зарядом.

Эти частицы антиматерии (которые называются «античастицы») были получены и изучены на огромных ускорителях элементарных частиц, таких как Большой адронный коллайдер управляемый Европейской организацией ядерных исследований.

Для изучения антивещества, необходимо предотвратить его аннулирование с материей. Ученые создали специальные ловушки. Частицы как позитроны и антипротоны загоняются в устройства, называемые ловушкой Пеннинга. Устройство похоже на крошечные ускорители. Внутри устройства находятся спирали создающие магнитные и электрические поля которые удерживают частицы от их столкновения со стенками ловушки.

Но ловушки Пеннинга не будут работать для нейтральных частиц, таких как антиводород, потому что у него нет заряда. Ученые придумали другие ловушки, которые работают путем создания области пространства, где магнитное поле излучается во всех направлениях.

Антивещество не подчинено антигравитации. Несмотря на то, что не было подтверждено экспериментально, существующая теория предсказывает, что антиматерия ведет себя так же, как при гравитации делает нормальная материя.

Откуда появилась и куда пропала антиматерия?

Антиматерия тесно связана с темой происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва около 14 миллиардов лет назад. Эта теория утверждает, что вся наша Вселенная возникла в результате взрыва и расширения некой точки в пространстве. После взрыва возникло равное количество материи и антиматерии. Сразу же начался процесс их взаимоуничтожения. Однако по какой-то причине материи оказалось немного больше, что позволило образоваться Вселенной в привычной нам форме.

Сейчас антивещества во Вселенной наблюдается намного меньше, чем вещества. Куда же оно делось? Если улетело в другую область пространства, почему такое количество антиматерии ничем не регистрируется? Масса-то у античастиц та же, что и у частиц. Если же антивещество исчезло после аннигиляции с веществом, то почему осталось столько «лишнего» вещества, из которого состоит мир?

Может, «неравенство» возникло раньше, чем думают? Или античастицы все-таки не тождественны «своим» частицам по свойствам и более склонны к распаду? Решить эти загадки и может помочь антивещество — уже не просто предсказанное формулами, а вполне осязаемое детекторами.

Как получить антиматерю?

Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. В лабораторных условиях этого добиваются на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около чёрных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества. Выше мы говорили, что антивещество не образуется в природе – так оно и есть. Антивещество должно состоять из античастиц, но они не объединяются в него, то есть мы не видим, например, антизвёзд или антипланет.

Для примера возьмём атом водорода, который является простейшим веществом, состоящим из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород – это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.

Звучит довольно просто, вот только синтезировать антиводород – крайне сложная задача. Впервые целых 9 атомов такого антивещества физикам удалось создать в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе. Правда просуществовали они до распада всего 40 наносекунд.

Работа продолжалась и специалистами была придумана и создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода, что по массе около 10^-18 грамм. Это самый настоящий успех.

Цена антиматерии — стоимость создания антивещества

За 10 лет в экспериментах ЦЕРНа использован один нанограмм антивещества и его стоимость оценивается в несколько сотен миллионов долларов. Не стоит пугаться таким суммам, ведь, например, компьютер в семидесятые годы прошлого столетия, когда запускали «Вояджеры», эквивалентный по мощности современному мобильнику, стоил несколько десятков миллионов долларов.

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии — не больше 2 нанограммов позитронов.

Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире.

Антиматерия рядом с нами

Небольшие количества антиматерии постоянно проливаются дождем на Землю в виде космических лучей, энергетических частиц из космоса. Эти частицы антивещества достигают нашей атмосферы с уровнем от одной до более сотни на квадратный метр. Ученые также располагают свидительствами того, что антивещество рождается во время грозы.

Есть и другие источники антивещества, которые находятся ближе к нам. Бананы, например, вырабатывают антивещество, испуская один позитрон — антивещественный экивалент электрона — примерно раз в 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. При распаде калия-40 иногда рождается позитрон.

Наши тела тоже содержат калий-40, а значит, и вы излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует мгновенно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества живут не очень долго.

Есть ли во Вселенной объекты, состоящие из антиматерии?

Если и есть, то очень мало. Убедительных доказательств существования больших объектов, состоящих из антиматерии, нет.

Фантасты рассматривают аннигиляцию как идеальный способ получения энергии. Сейчас на получение антиматерии уходит намного больше энергии, чем потом дает аннигиляция.

Есть проекты фотонных двигателей, можно представить электростанции, но это все пока из области фантастики. Принципиально все понятно, а реализовать на практике ученым пока не удалось.

История открытия античастицы

Лучше понять, что такое антивещество, можно, если посмотреть на историю его открытия. Интересно, что существование антивещества предсказали еще до того, как оно было обнаружено.

В 1920-х годах оказалось, что новая теория, названная квантовой механикой, отлично подходит для описания мельчайших частиц вещества — атомов и элементарных частиц. Но не так легко было совместить квантовую механику со второй великой теорией XX века — теорией относительности.

Молодой британский физик Поль Дирак (Paul Dirac) бросился решать эту проблему и сумел вывести уравнение, которое позволяет комбинировать квантовую механику со специальной теорией относительности.

С помощью этого уравнения стало возможным описать движение электрона, даже если его скорость приближалась к скорости света.

Но уравнение приготовило сюрприз. У него было два решения, точно так же, как у уравнения «x²=4»: x=2 и x=-2». То есть, оно могло описывать не только всем хорошо известный электрон, но и другую частицу — электрон с негативной энергией.

Стоило Томпсону открыть электрон, как в журнале «Nature» в 1898 году появилась статья английского физика Артура Шустера, который предположил, что существует частица тождественная электрону, но с положительным зарядом. Аргументация была очень простая — в природе положительные и отрицательные электрические заряды имеются в одинаковом количестве.

В 1925 году тоже британец Пол Дирак проанализировал свои уравнения, в которых пытался совместить теорию относительности с квантовой теорией. Анализ полученного им уравнения показал, что оно справедливо не только для ставшего привычным электрона, но и для частицы такой же массы с положительным зарядом. Поначалу Пол Дирак не решался сообщить о своих теоретических выводах, но потом все же заявил Граду и Миру, что у каждой частицы во Вселенной имеется зеркальная античастица. Наградой за открытие стала Нобелевская премия 1933 года.

След позитрона в камере Вильсона, зафиксированный во время в эксперимента, проводимого Карлом Андерсоном в 1932 году. Направление движения частицы снизу вверх, направление поворота следа свидетельствует о том, что её заряд положителен:

В 1932 году ученик Милликена Карл Андерсон из США решил попробовать поймать след положительного электрона с помощью пузырьковой камеры Вильсона при изучении космических лучей.

Следов электронов имелось много, причем они имели обычные данные. Но несколько следов, не отличаясь по другим характеристикам, отклонялись в магнитном поле в сторону противоположную электронам. Это и были характеристические отпечатки положительных электронов, или, как их стали называть, позитронов.

Поначалу считалось, что электроны и позитроны совпадают во всем, кроме электрического заряда. Однако дальнейшее изучение элементарных частиц показало, что они обладают такой интересной характеристикой как спин. Эта характеристика касается магнитных свойств частицы.

Когда начали открываться все новые и новые частицы, ученые довольно быстро обнаруживали соответствующие им античастицы. С заряженными частицами все просто — их античастицы имеют такую же массу, но противоположный электрический заряд.

Сложности возникли с частицами не имеющими электрического заряда. Для примера возьмем нейтрон — он электрически нейтрален, но имеет соответствующий антинейтрон, который также электрически нейтрален, но обладает противоположным спином. И все же есть частицы для которых античастицами являются они сами — это фотон (квант света) и бозон Хиггса.

Хотя атомов составленных из античастиц в свободном состоянии на Земле и не наблюдается, материалов, их излучающих довольно много. Так обычный банан содержит изотоп калия с атомной массой 40. Этот изотоп радиоактивен и подвержен бета-распаду, при котором выделяются позитроны.

Так что один банан излучает позитрон в среднем каждые 75 минут, ну и человек, съев банан, также начинает насыщать окружающее пространство положительными электронами.

Итак, даже банан может испускать античастицы, а вот существует ли настоящее антивещество? Стоит вспомнить, что простейшая единица вещества – атом, состоит из ядра (протоны и нейтроны) и движущихся по орбитам электронов. Следовательно, антивещество должно иметь ядро из антипротонов и антинейтронов, а по орбитам обязаны вращаться позитроны.

В свободном состоянии подобное антивещество пока не обнаружено, а вот искусственно его создать удалось. В 1965 году был создан антидейтерий, в 1970 антитритий. В 1974 году. На ускорителе города Серпухов создали искусственный антигелий.

Поскольку, при взаимодействии пары частица-античастица вся их масса превращается в энергию, то именно антивещество представляется самым удобным топливом для ракетных двигателей. Большой массы антивещества для полетов по Солнечной системе не требуется, а время полета сокращается очень сильно.

Есть ли антиматерия в космосе?

Когда Поль Дирак вывел из своей теории существование позитронов, он вполне допускал, что где-то в космосе могут существовать настоящие антимиры. Сейчас мы знаем, что звезд, планет, галактик из антивещества в видимой части Вселенной нет. Дело даже не в том дело, что не видно аннигиляционных взрывов; просто совершенно невообразимо, как они вообще могли бы образоваться и дожить до настоящего времени в постоянно эволюционирующей вселенной.

Но вот вопрос «как так получилось» — это еще одна большущая загадка современной физики; на научном языке она называется проблемой бариогенеза. Согласно космологической картине мира, в самой ранней вселенной частиц и античастиц было поровну.

Затем, в силу нарушения CP-симметрии и барионного числа, в динамично развивающейся вселенной должен был появиться небольшой, на уровне одной миллиардной, избыток материи над антиматерией.

При остывании вселенной все античастицы проаннингилировали с частицами, выжил лишь этот избыток вещества, который и породил ту вселенную, которую мы наблюдаем. Именно из-за него в ней осталось хоть что-то интересное, именно благодаря нему мы вообще существуем. Как именно возникла эта асимметрия — неизвестно.

Теорий существует много, но какая из них верна — неизвестно. Ясно лишь, что это точно должна быть какая-то Новая физика, теория, выходящая за пределы Стандартной модели, за границы экспериментально проверенного.

Три варианта того, откуда могут взяться античастицы в космических лучах высокой энергии:

Хоть планет и звезд из антивещества нет, антиматерия в космосе все же присутствует. Потоки позитронов и антипротонов разных энергий регистрируются спутниковыми обсерваториями космических лучей, такими как PAMELA, Fermi, AMS-02. Тот факт, что позитроны и антипротоны прилетают к нам из космоса, означает, что они где-то там рождаются.

Высокоэнергетические процессы, которые могут их породить, в принципе известны: это сильно замагниченные окрестности нейтронных звезд, разные взрывы, ускорение космических лучей на фронтах ударных волн в межзвездной среде, и т.п. Вопрос в том, могут ли они объяснить все наблюдаемые свойства потока космических античастиц. Если окажется, что нет, это будет свидетельством в пользу того, что некоторая их доля возникает при распаде или аннигиляции частиц темной материи.

Здесь тоже есть своя загадка. В 2008 году обсерватория PAMELA обнаружила подозрительно большое количество позитронов больших энергий по сравнению с тем, что предсказывало теоретическое моделирование. Этот результаты был надавно подтвержден установкой AMS-02 — одним из модулей Международной Космической Станции и вообще самым крупным детектором элементарных частиц, запущенным в космос (и собранным догадайтесь где? — правильно, в ЦЕРНе).

Этот избыток позитронов будоражит ум теоретиков — ведь ответственным за него могут оказаться не «скучные» астрофизические объекты, а тяжелые частицы темной материи, которые распадаются или аннигилируют в электроны и позитроны. Ясности тут пока нет, но установка AMS-02, а также многие критически настроенные физики, очень тщательно изучают это явление.

Отношение антипротонов к протонам в космических лучах разной энергии. Точки — экспериментальные данные, разноцветные кривые — астрофизические ожидания с разнообразными погрешностями.

С антипротонами тоже ситуация неясная. В апреле этого года AMS-02 на специальной научной конференции представил предварительные результаты нового цикла исследований. Главной изюминкой доклада стало утверждение, что AMS-02 видит слишком много антипротонов высокой энергии — и это тоже может быть намеком на распады частиц темной материи. Впрочем, другие физики с таким бодрым выводом не согласны.

Сейчас считается, что антипротонные данные AMS-02, с некоторой натяжкой, могут быть объяснены и обычными астрофизическими источниками. Так или иначе, все с нетерпением ждут новых позитронных и антипротонных данных AMS-02.

AMS-02 зарегистрировала уже миллионы позитронов и четверть миллиона антипротонов. Но у создателей этой установки есть светлая мечта — поймать хоть одно антиядро. Вот это будет настоящая сенсация — совершенно невероятно, чтобы антиядра родились где-то в космосе и долетели бы до нас. Пока что ни одного такого случая не обнаружено, но набор данных продолжается, и кто знает, какие сюрпризы готовит нам природа.

Использование антивещества в будущем: перспективы и опасность

Изучение антиматерии несет в себе весомый для человечества потенциал. Первое и наиболее интересное устройство, теоретически работающее на антивеществе – варп-двигатель. Некоторые могут помнить таковой из известного сериала «Звездный путь» («Star Trek»), двигатель питался энергией от реактора, работающего на основе принципа аннигиляции материи и антиматерии.

В действительности существует несколько математических моделей подобного двигателя, и согласно их расчетам, для космических кораблей будущего понадобится совсем немного античастиц. Так, семимесячный полет до Марса может сократиться в продолжительности до месяца, за счет 140 нанограммов антипротонов, которые выступят катализатором ядерного деления в реакторе корабля. Благодаря подобным технологиям могут осуществиться и межгалактические перелеты, которые позволят человеку подробно изучить другие звездные системы, и в будущем колонизировать их.

Еще в 2003 году Европейский центр ядерных исследований опубликовал отчет независимых специалистов, которые оценивали вероятность разных рисков, связанных с работой коллайдера. Вероятность — в том числе с антиматерией — была признана ничтожно малой. А частицы из космоса, обладающие намного большей энергией, постоянно влетают в земную атмосферу, тоже приводят к появлению античастиц — но за миллионы лет ничего не случилось.

Источник