Antimatērija « Interesanti par zinātni. Tieši pretēja Antimaterijai kosmosa apstākļos
Gandrīz viss, ko mēs atklājam uz Zemes un ar mākslīgo pavadoņu palīdzību, ir matērija. Antimateriālu uz Zemes iegūst ar augstas enerģijas paātrinātāju palīdzību. Tā, piemēram, tika iegūti antiprotoni, antideuterons, antihēlijs un antiatomi.
Tieša antimatērijas novērošana ar astronomiskām metodēm nav iespējama, jo fotoni, ko rada antimateriālu daļiņu mijiedarbība savā starpā, nav atšķirami no fotoniem, kas rodas vielas daļiņu mijiedarbības rezultātā. Iemesls ir tāds, ka fotons ir patiesi neitrāla daļiņa un. Principā matēriju var atšķirt no antimatērijas, novērojot neitrīnos ν un antineitrīnus, taču šādi novērojumi pašlaik ir nereāli.
Ja Zemes tuvākajā vidē būtu apgabali, kuros dominēja antimateriāls, tam vajadzētu izpausties iznīcināšanas γ-kvantu veidā, kas veidojas matērijas un antimatērijas iznīcināšanas laikā. Kosmiskie stari ir svarīgs arguments par labu matērijas pārsvaram pār antimatēriju. Tās ir matērijas daļiņas – protoni, elektroni, no protoniem un neitroniem veidoti atomu kodoli.
Antimateriālu daļiņu veidošanās tiek novērota kosmiskā starojuma augstas enerģijas daļiņu mijiedarbības rezultātā ar Zemes atmosfēru. Antidaļiņas veidojas vietās ar paaugstinātu enerģijas koncentrāciju. Piemēram, antidaļiņu veidošanās notiek aktīvo galaktiku kodolos. Parasti šādos gadījumos antimatērijas daļiņas parādās kopā ar matērijas daļiņām. Nākamais posms ir vielas un antimatērijas daļiņu veidošanās un iznīcināšana. Piemēram, fotons, kura enerģija ir lielāka par 1 MeV, var izveidot elektronu-pozitronu pāri atoma kodola laukā. Iegūtais pozitrons iznīcinās, satiekoties ar elektronu, veidojot biežāk 2 un retāk 3 γ-kvantus.
Antimatērijas eksistences problēma Visumā ir fundamentāla fizikas problēma, kas saistīta ar Visuma veidošanās un attīstības problēmu.
Pastāv dažādas hipotēzes par to, kāpēc novērojamo Visumu gandrīz pilnībā veido matērija. Vai ir kādi Visuma reģioni, kuros dominē antimateriāls? Vai var izmantot antimateriālu? Acīmredzamās matērijas un antimatērijas asimetrijas iemesls redzamajā Visumā ir viens no lielākajiem neatrisinātajiem mūsdienu fizikas noslēpumiem. Procesu, kurā notiek šī asimetrija starp daļiņām un antidaļiņām, sauc par barioģenēzi.
Līdz 1950. gadiem valdīja uzskats, ka Visumā ir vienāds matērijas un antimatērijas daudzums. Tomēr 60. gadu vidū darbs Lielā sprādziena teorijas jomā satricināja šo viedokli. Patiešām, ja pirmajos karstā un blīvā Visuma pastāvēšanas brīžos daļiņu un antidaļiņu skaits būtu vienāds, tad to iznīcināšana novestu pie tā, ka Visumā paliktu tikai starojums. Šobrīd lielākā daļa fiziķu ir vienisprātis, ka CP simetrijas pārkāpuma rezultātā Visumā pirmajos daļiņu evolūcijas brīžos izveidojās nedaudz vairāk nekā antidaļiņu - aptuveni viena daļiņa uz 109 daļiņu-antidaļiņu pāriem. Rezultātā pēc iznīcināšanas palika neliels skaits daļiņu.
Vēl viena iespēja izskaidrot matērijas dominēšanu "tuvējā" Visumā ir pieņemt, ka antimatērija ir koncentrēta tālu vāji izpētītajos Visuma reģionos. 1979. gadā Floids Stekers ierosināja, ka matērijas un antimatērijas asimetrija varētu rasties spontāni pirmajos brīžos pēc Lielā sprādziena, kad matērija un antimatērija izlidoja viens no otra.
Tā kā elektromagnētiskais starojums mijiedarbojas vienādi gan ar vielu, gan ar antimateriālu, planētas, zvaigznes un galaktikas, kas sastāv no matērijas un antimateriāla elektromagnētiskajā starojumā, izskatās vienādi. Tāpēc antimatērijas meklēšanai Visumā ir vajadzīgas citas metodes. Viena no šādām metodēm ir antikodolu novērošana kosmosā. Tiem vajadzētu būt antikodoliem ar masas skaitli A > 4. Ja būtu iespējams reģistrēt antihēlija kodolus Zemes tuvumā, mēs saņemtu pietiekami pārliecinošus pierādījumus par labu tādu reģionu esamībai Visumā, kuros ir augsts antimateriāla saturs.
Kāpēc ir jāmeklē antihēlija kodoli vai smagāki kodoli, lai meklētu antimateriālu? Fakts ir tāds, ka antiprotonus var veidot ultrarelativistisku protonu vai citu kosmisko staru kodolu mijiedarbība. Šādu antiprotonu (parasti sauktu par sekundārajiem) enerģijas spektram vajadzētu uzrādīt plašu maksimumu 2 GeV reģionā. Citi antiprotonu avoti, kurus sauc par primārajiem, var būt hipotētisku supersimetrisku daļiņu, no kurām it kā sastāv tumšā viela, iznīcināšana - neitralīni un / vai "primāro" melno caurumu iztvaikošana. Neitrālīnu pāru iznīcināšana var izraisīt kvarku un antikvarku strūklu izveidi, kam seko to hadronizācija un antiprotonu veidošanās. Pirmie melnie caurumi varēja veidoties agrīnā Visumā. Šādi melnie caurumi ar masu 10 14-15 var diezgan intensīvi iztvaikot daļiņas (Hawking starojums). Šādu primāro antiprotonu ieguldījumu reģistrētajā enerģijas spektrā var mēģināt noteikt zemas enerģijas reģionā< 1 ГэВ.
Sekundāro antiprotonu plūsmu var novērtēt atkarībā no pieņemtā Galaxy modeļa. Tas sasniedz maksimumu pie ~10 GeV enerģijas. Enerģiju diapazonā līdz vairākiem simtiem GeV ir cerība iegūt informāciju gan par barioģenēzi un/vai supersimetrisko daļiņu un/vai WIMP iznīcināšanu pēc spektra rakstura.
Antideuteronu veidošanās kosmisko staru ietekmē ir daudz mazāk iespējama. Sekundāro antideuteronu spektru vajadzētu novirzīt uz lielākām enerģijām, salīdzinot ar sekundāro antiprotonu spektru, un strauji samazināties, samazinoties enerģijai. Sākotnējiem antideuteroniem, kas rodas, iznīcinot tumšās vielas daļiņas un/vai iztvaicējot pirmatnējo melno caurumu, spektra maksimums ir sagaidāms pie enerģijas< 1 ГэВ.
Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо
разделены.
Antihēlija kodolu veidošanās iespējamība kosmisko staru ietekmē ir izzūdoši maza. Patiešām, lai to izdarītu, vienā vietā un gandrīz vienlaikus jāveido divi antiprotoni un divi antineitroni, un to relatīvajiem ātrumiem jābūt maziem. 1997. gadā Paskāls Šardonets novērtēja šāda notikuma iespējamību. Pēc viņa aplēsēm, uz 10 15 ultrarelativistiskajiem kosmisko staru protoniem var izveidoties viens antihēlija kodols. Vidējais šāda notikuma gaidīšanas laiks ir 15 miljardi gadu, kas ir salīdzināms ar Visuma vecumu.
Ja Visumā agrīnā evolūcijas stadijā patiešām tika izveidoti kosmosa apgabali, kuros dominē matērija vai antimateriāls, tad tie ir jāatdala, jo. Uz šo reģionu robežas veidojas viegls spiediens, kas atdala vielu un antimateriālu. Iznīcināšanai jānotiek pie robežas starp reģioniem ar vielu un antimateriālu, un attiecīgi jāizstaro anihilācijas gamma kvanti. Tomēr mūsdienu gamma staru teleskopi šādu starojumu nenosaka. Pamatojoties uz teleskopu jutīgumu, tika veiktas aplēses. Pēc viņu domām, antimatērijas reģioni nevar atrasties tuvāk par 65 miljoniem gaismas gadu. Tādējādi šādu reģionu nav ne tikai mūsu galaktikā, bet arī mūsu galaktiku kopā, kurā bez Piena Ceļa ietilpst vēl 50 citas galaktikas.
Šādos attālumos izveidoto antihēlija kodolu reģistrācija ir sarežģīta problēma. Antihēlija kodolam nav tik vienkārši no tik liela attāluma nokļūt līdz detektoram un tikt reģistrētam. Jo īpaši tas var "iesapīties" galaktikas un starpgalaktikas magnētiskajos laukos un tādējādi nekad nelidot tālu no tā veidošanās vietas. Turklāt antihēlijam pastāvīgi draudēs iznīcināšana. Un visbeidzot, detektors nav pārāk liels mērķis, lai to varētu viegli trāpīt no tik gigantiska attāluma. Tāpēc antihēlija kodolu noteikšanas efektivitāte ir ārkārtīgi zema.
Antihēlija "ceļošanas" apstākļos ir daudz nenoteiktības, kas neļauj novērtēt kodolu noteikšanas varbūtību. Vienmēr pastāv iespēja, ka, ja detektors būtu nedaudz jutīgāks, atklājums notiktu.
Ir tikai skaidrs, ka mazas enerģijas antikodola "ceļojuma" laiks var būt mazāks par Visuma pastāvēšanas laiku. Tāpēc ir nepieciešams medīt augstas enerģijas antikodolus. Turklāt šādi kodoli, visticamāk, pārvarēs galaktisko kosmisko vēju.
Kas attiecas uz pozitroniem un antiprotoniem, tos var izstarot arī hipotētiski antimatērijas apgabali un tie veicina spektru, kas izmērīts netālu no Zemes. Salīdzinot ar antiprotoniem, pozitronus ir grūtāk noteikt. Tas ir saistīts ar faktu, ka protonu plūsmas, kas ir fona avots, ir par 10 3 lielākas nekā pozitronu plūsmas. Signāli no pozitroniem, kas nāk no antimatērijas reģioniem, var "noslīcināt" signālos no pozitroniem, kas rodas citu procesu rezultātā. Tikmēr pozitronu izcelsme kosmiskajos staros arī nav pilnībā zināma. Vai kosmiskajos staros ir primārie pozitroni? Vai pastāv saikne starp antiprotonu un pozitronu pārpalikumu? Lai noskaidrotu situāciju, nepieciešams izmērīt pozitronu spektrus plašā enerģijas diapazonā.
Pirmo reizi instrumenta palaišana kosmisko staru izpētei atmosfēras augšējos slāņos, izmantojot balonu, 1907. gadā veica Viktors Hess. Līdz 1950. gadu sākumam kosmisko staru izpēte bija svarīgāko atklājumu avots daļiņu fizikā. Antiprotoni šādos eksperimentos ir novēroti kopš 1979. gada (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), 1. sēj., 330. lpp.; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Tie pavēra jaunas iespējas antimatērijas un tumšās matērijas izpētē.Mūsdienu kosmisko staru pētījumos tiek izmantota tehnika, kas izstrādāta eksperimentiem ar paātrinātājiem.
Vēl nesen gandrīz visa informācija par antidaļiņām kosmiskajos staros tika iegūta ar gaisa balonos augstajos atmosfēras slāņos palaistu detektoru palīdzību. Šajā gadījumā radās aizdomas, ka antiprotonu ir vairāk, nekā izriet no aplēsēm par to rašanās varbūtību kosmisko staru mijiedarbības rezultātā ar starpzvaigžņu vidi (sekundārie antiprotoni). Piedāvātie mehānismi, lai izskaidrotu "pārmērīgos" antiprotonus, sniedza dažādas prognozes par antiprotonu enerģijas spektriem. Taču gaisa balona īsais lidojuma laiks un zemes atmosfēras palieku klātbūtne ierobežoja šādu eksperimentu iespējas. Datiem bija liela nenoteiktība, turklāt enerģijā nepārsniedza 20 GeV.
Antidaļiņu reģistrēšanai tiek izmantoti lieli baloni (līdz 3 miljoniem kubikmetru), kas spēj pacelt līdz 3 tonnām smagus detektorus līdz ~ 40 km augstumam.Tie, kā likums, tāpat kā Montgolfjē, ir apakšā atvērti un zaudē. hēlijs, kad āra temperatūra pazeminās. Vairumā gadījumu lidojuma ilgums nepārsniedz 24 stundas. Turklāt atmosfēras temperatūra pēc straujas pazemināšanās no nulles līdz 20–25 km sāk celties, maksimumu sasniedzot ~40 km augstumā, pēc tam atkal sāk pazemināties. Tā kā balona tilpums samazinās, pazeminoties āra gaisa temperatūrai, maksimālais pacelšanās augstums nevar būt lielāks par ~40 km. Šajā augstumā atmosfēra joprojām ir diezgan blīva, un antiprotonu plūsma ar vairāku desmitu GeV enerģiju, kas veidojas primāro kosmisko staru mijiedarbības laikā ar atlikušo atmosfēru, pārsniedz galaktikas vidē radīto antiprotonu plūsmu. Ja reģistrēto daļiņu enerģija ir lielāka, kļūdas kļūst pārāk lielas, lai iegūtu ticamus rezultātus.
Pēdējā laikā tiek veikti garāki lidojumi (līdz 20 dienām). Viņi izmanto arī atvērtos balonus, taču hēlija zudumi ir ievērojami samazināti, palaižot balonus ļoti augstos platuma grādos, polu tuvumā, polārās dienas laikā. Taču to kravnesības masa, lidojot līdz 40 km augstumam, nepārsniedz 1 tonnu, kas ir pārāk maza, lai izmērītu antimateriālu plūsmas pie lielām enerģijām. Īpaši garu lidojumu veikšanai ar gaisa baloniem (apmēram 100 dienas) paredzēts izmantot arī slēgtos gaisa balonus. Tie ir biezāki un smagāki, nezaudē hēliju un var izturēt spiediena starpību starp iekšpusi un ārpusi. Tie spēj pacelt salīdzinoši vieglus instrumentus, mazāk par 1 tonnu.
Rīsi. 20.1. Balona-zondes palaišana ar fizisko aprīkojumu.
Rīsi. 20.2. Kosmiskā starojuma detektors BESS-Polar II. Spektrometrs (1) ar saules paneļiem (2).
Eksperimenta ietvaros tika veikta antihēlija meklēšana, izmantojot balonu spektrometrus BESS (B alloon pārnēsātas E xperiment ar S supravadošs S ektrometrs) (20.2. att.). No 1993. līdz 2000. gadam BESS spektrometri tika atkārtoti palaisti augšējos atmosfēras slāņos Kanādas ziemeļos. Lidojumu ilgums bija aptuveni viena diena. Spektrometrs tika pastāvīgi uzlabots, un jutība palielinājās. Kopējā jutība attiecībā uz hēlija / antihēlija attiecību, kas sasniegta šajā lidojumu sērijā, ir ~ 6, 8 × 10 -7 cietības diapazonā no 1 līdz 14 GV. BESS-TeV eksperimentā (2001) spektrometra stinguma diapazons tika palielināts līdz 500 GV un tika sasniegta jutība 1,4 × 10-4. Palielināt statistiku 2004.-2008. Antarktikā tika veikti uzlaboto spektrometru (0,6-20 GV) vairāku dienu lidojumi. 2004.-2005.gadā BESS-Polar I lidojuma laikā, kas ilga 8,5 dienas, tika sasniegta jutība 8×10 −6. 2007.-2008.gadā BESS-Polar II lidojuma laikā (mērīšanas ilgums 24,5 dienas) tika sasniegta jutība 9,8 × 10 -8. Kopējā jutība, ņemot vērā visus BESS lidojumus, sasniedza 6,7×10 −8 . Netika atrasts neviens antihēlija kodols.
Magnētiskais spektrometrs, ko izmanto lidojumā BESS-Polar II, sastāv no supravadoša ultra-plānas sienas solenoidālā magnēta, centrālā izsekotāja (JET/IDC), lidojuma laika hodoskopa (TOF) un Čerenkova detektora (att. 20.3).
Rīsi. 20.3. Eksperimenta spektrometra BESS-Polar II šķērsgriezums.
Lidojuma laika hodoskops ļauj izmērīt ātrumu (β) un enerģijas zudumus (dE/dx). Tas sastāv no augšējiem un apakšējiem plastmasas scintilācijas skaitītājiem, kas sastāv no 10 un 12 scintilācijas sloksnēm (100 × 950 × 10 mm). Lidojuma laika sistēmas laika izšķirtspēja ir ~70 ps. Turklāt ir trešais scintilācijas skaitītājs (Middle-TOF), kas atrodas solenoīda iekšpusē un sastāv no 64 plastmasas scintilatora stieņiem. Tas ļauj pazemināt reģistrācijas enerģijas slieksni daļiņu dēļ, kas nespēj izlidot cauri solenoīda apakšai.
Drifta kameras atrodas vienmērīgā magnētiskajā laukā. Izmantojot 28 punktus, katrs ar precizitāti 200 μm, tiek aprēķināts spektrometrā nonākošās daļiņas trajektorijas izliekums, kas ļauj noteikt tās magnētisko stingrību R = pc/Ze un lādiņa zīmi.
Airhēlija Čerenkova skaitītājs ļauj atdalīt signālus no antiprotoniem un antideuteroniem no fona e - /μ - .
Rīsi. 20.4. Daļiņu identifikācija BESS iestatījumos.
Daļiņu identifikāciju veic pēc masas (20.4. att.), kas ir saistīta ar stingrību R, daļiņu ātrumu β un enerģijas zudumu dE/dx, ko mēra, izmantojot lidojuma laika skaitītājus un dreifēšanas kameras ar attiecību.
Šim nolūkam tiek atlasīti atbilstošie apgabali divdimensiju sadalījumos dE/dx – |R| un β-1-R.
Zemes antiprotonu starojuma josta
PAMELA sadarbība atklāja radiācijas joslu ap Zemi Dienvidatlantijas anomālijas reģionā. Antiprotonu un protonu spektri tika mērīti tieši radiācijas joslā un ārpus tās (20.5., 20.6. att.).
Parādīts, ka antiprotoni, kurus reģistrēja balonos un satelītos uzstādītās detektoru iekārtas, ir sekundāras izcelsmes. Tie veidojas galaktikas kosmisko staru mijiedarbības rezultātā ar starpzvaigžņu vielu jeb atmosfēru reakcijā pp → ppp. Tomēr daudz lielāku ieguldījumu dod albedo antineitronu (antineitronu, kuru plūsma ir vērsta prom no Zemes) sabrukšana, kas rodas reakcijā.
pp → ppn .
Šie antineitroni iziet cauri ģeomagnētiskajam laukam un sabrūk, veidojot antiprotonus → + e + + ν e . Dažus no radītajiem antiprotoniem var uztvert magnetosfēra, veidojot antiprotonu starojuma joslu. Tāpat kā galvenais protonu starojuma jostas avots ir neitronu albedo sabrukšana, tā arī antineitronu sabrukšana izraisa antiprotonu jostas veidošanos.
No eksperimentālajiem datiem izriet, ka antiprotonu blīvums starojuma joslā ir par 3–4 kārtām lielāks nekā antiprotonu blīvums ārpus radiācijas jostas. Antiprotonu spektra forma, kas veidojas tieši galaktikas kosmisko staru mijiedarbības rezultātā, praktiski sakrīt ar antiprotonu spektra formu ārpus antiprotonu starojuma jostas.
Antimatērijas noteikšanas problēma Visumā nebūt nav atrisināta. Aktīvu antimateriālu meklēšanu paredz Fermi et al. kosmosa teleskopu programmās.
Nesen ALICE sadarbības dalībnieki CERN mērīja antimateriālu kodolu masas ar rekordlielu precizitāti un pat novērtēja enerģiju, kas tajos saista antiprotonus ar antineitroniem. Līdz šim nav konstatēta būtiska atšķirība starp šiem parametriem matērijā un antimatērijā, taču tas nav galvenais. Svarīgi, ka tieši tagad, pēdējos gados, mērījumiem un novērojumiem kļūst pieejamas ne tikai antidaļiņas, bet arī antikodoli un pat antiatomi. Tātad, ir pienācis laiks noskaidrot, kas ir antimatērija un kādu vietu tās pētījumi ieņem mūsdienu fizikā.
Mēģināsim uzminēt dažus no jūsu pirmajiem antimatērijas jautājumiem.
Vai tā ir taisnība, ka antimateriālu var izmantot, lai izgatavotu īpaši jaudīgu bumbu? Un ko, CERN viņi faktiski uzkrāj antimateriālu, kā parādīts filmā Eņģeļi un dēmoni, un ka tas ir ļoti bīstami? Vai tā ir taisnība, ka antimatērija būs ārkārtīgi efektīva degviela kosmosa ceļojumiem? Vai ir kāda patiesība idejā par pozitroniskām smadzenēm, kuras Īzaks Asimovs savos darbos apveltījis ar robotiem?...
Nav noslēpums, ka lielākajai daļai antimatērija asociējas ar kaut ko ārkārtīgi (sprādzienbīstamu) bīstamu, ar kaut ko aizdomīgu, ar kaut ko, kas aizrauj iztēli ar fantastiskiem solījumiem un milzīgiem riskiem – tāpēc arī tādi jautājumi. Mēs atzīstam: fizikas likumi to visu tieši neaizliedz. Tomēr šo ideju īstenošana ir tik tālu no realitātes, no modernajām tehnoloģijām un no nākamo gadu desmitu tehnoloģijām, ka pragmatiskā atbilde ir vienkārša: nē, mūsdienu pasaulei tā nav taisnība. Sarunas par šīm tēmām ir tikai fantāzija, kas balstīta nevis uz reāliem zinātnes un tehnikas sasniegumiem, bet gan uz to ekstrapolāciju, kas tālu pārsniedz mūsdienu iespēju robežas. Ja vēlaties nopietni runāt par šīm tēmām, nāciet tuvāk 2100. gadam. Tikmēr parunāsim par reāliem zinātniskiem pētījumiem par antimateriālu.
Kas ir antimatērija?
Mūsu pasaule ir sakārtota tā, ka katra veida daļiņām - elektroni, protoni, neitroni utt. - ir antidaļiņas (pozitroni, antiprotoni, antineitroni). Tiem ir vienāda masa un, ja tie ir nestabili, tad tāds pats pussabrukšanas periods, bet pretēji lādiņi un dažādi mijiedarbības skaitļi. Pozitronu masa ir tāda pati kā elektroniem, bet tikai pozitīvs lādiņš. Antiprotoniem ir negatīvs lādiņš. Antineitroni ir elektriski neitrāli kā neitroni, taču tiem ir pretējs barionu skaits un tie sastāv no antikvarkiem. Antikodolu var samontēt no antiprotoniem un antineutroniem. Pievienojot pozitronus, mēs izveidosim antiatomus, un, tos akumulējot, mēs iegūsim antimateriālu. Tas viss ir antimatērija.
Un šeit uzreiz ir vairāki ziņkārīgi smalkumi, par kuriem ir vērts pieminēt. Pirmkārt, pati antidaļiņu esamība ir liels teorētiskās fizikas triumfs. Šo nepārprotamo un dažiem pat šokējošo ideju teorētiski atvasināja Pols Diraks, un sākotnēji tā tika uztverta naidīgi. Turklāt pat pēc pozitronu atklāšanas daudzi joprojām šaubījās par antiprotonu esamību. Pirmkārt, viņi teica, ka Diraks nāca klajā ar savu teoriju, lai aprakstītu elektronu, un nav droši, ka tā darbosies protonam. Piemēram, protona magnētiskais moments vairākas reizes atšķiras no Diraka teorijas prognozētā. Otrkārt, antiprotonu pēdas ilgi tika meklētas kosmiskajos staros, un nekas netika atrasts. Treškārt, viņi apgalvoja – burtiski atkārtojot mūsu vārdus – ka, ja ir antiprotoni, tad ir jābūt antiatomiem, antizvaigznēm un antigalaktikām, un mēs tos noteikti pamanītu no grandioziem kosmiskiem sprādzieniem. Tā kā mēs to neredzam, iespējams, tas ir tāpēc, ka antimatērijas nav. Tāpēc eksperimentālais antiprotona atklājums 1955. gadā nesen palaistajā Bevatron paātrinātājā bija diezgan nenozīmīgs rezultāts, kam 1959. gadā tika piešķirta Nobela prēmija fizikā. 1956. gadā pie tā paša akseleratora tika atklāts arī antineutrons. Stāsts par šiem meklējumiem, šaubām un sasniegumiem ir atrodams daudzās vēstures esejās, piemēram, šajā ziņojumā vai nesenajā Frenka Klouza grāmatā Antimatter.
Tomēr atsevišķi jāsaka, ka pamatotas šaubas tīri teorētiskos apgalvojumos vienmēr ir noderīgas. Piemēram, apgalvojums, ka antidaļiņām ir tāda pati masa kā daļiņām, arī ir teorētisks rezultāts, tas izriet no ļoti svarīgās CPT teorēmas. Jā, mūsdienu mikropasaules fizika, kas vairākkārt pārbaudīta ar pieredzi, ir balstīta uz šo apgalvojumu. Bet tomēr tā ir vienlīdzība: kas zina, varbūt tādā veidā mēs atradīsim teorijas pielietojamības robežas.
Vēl viena iezīme: ne visi mikropasaules spēki ir vienādi saistīti ar daļiņām un antidaļiņām. Elektromagnētiskai un spēcīgai mijiedarbībai starp tām nav atšķirības, vājām ir. Šī iemesla dēļ dažas smalkas daļiņu un antidaļiņu mijiedarbības detaļas atšķiras, piemēram, varbūtība, ka daļiņa A sabruks daļiņu B kopā un anti-A par anti-B kopu (lai iegūtu sīkāku informāciju par atšķirībām skatiet Pāvela Pahova izlasi). Šī iezīme rodas tāpēc, ka vāja mijiedarbība izjauc mūsu pasaules CP simetriju. Bet kāpēc tas notiek, ir viens no elementārdaļiņu noslēpumiem, un tam ir jāiet tālāk par zināmo.
Un šeit ir vēl viens smalkums: dažām daļiņām ir tik maz īpašību, ka antidaļiņas un daļiņas nemaz neatšķiras viena no otras. Šādas daļiņas sauc par patiesi neitrālām. Tas ir fotons, Higsa bozons, neitrālie mezoni, kas sastāv no viena veida kvarkiem un antikvarkiem. Bet situācija ar neitrīniem joprojām ir neskaidra: varbūt tie ir patiesi neitrāli (Majorana), vai varbūt nē. Tam ir liela nozīme teorijā, kas apraksta neitrīno masas un mijiedarbību. Atbilde uz šo jautājumu patiešām būs liels solis uz priekšu, jo tā palīdzēs tikt galā ar mūsu pasaules uzbūvi. Pagaidām eksperiments par to neko nepārprotamu nav teicis. Taču neitrīno izpētes eksperimentālā programma ir tik spēcīga, eksperimentu ir tik daudz, ka fiziķi pamazām tuvojas risinājumam.
Kur viņa ir, šī antiviela?
Kad antidaļiņa satiekas ar savu daļiņu, tā iznīcinās: abas daļiņas pazūd un pārvēršas fotonu vai vieglāku daļiņu komplektā. Visa miera enerģija tiek pārvērsta šī mikrosprādziena enerģijā. Šī ir visefektīvākā masas pārvēršana siltumenerģijā, simtiem reižu efektīvāka nekā kodolsprādziens. Bet mēs neredzam sev apkārt nekādus grandiozu dabas sprādzienus; Antimateriāls dabā nepastāv ievērojamos daudzumos. Tomēr atsevišķas antidaļiņas var rasties dažādos dabas procesos.
Vienkāršākais veids ir ražot pozitronus. Vienkāršākā iespēja ir radioaktivitāte, dažu kodolu sabrukšana pozitīvas beta radioaktivitātes dēļ. Piemēram, eksperimentos kā pozitronu avotu bieži izmanto nātrija-22 izotopu, kura pussabrukšanas periods ir divarpus gadi. Vēl viens diezgan negaidīts dabisks avots ir, kura laikā dažkārt tiek konstatēti pozitronu iznīcināšanas rezultātā radušies gamma starojuma uzplaiksnījumi, kas nozīmē, ka pozitroni tur kaut kā ir dzimuši.
Ir grūtāk izveidot antiprotonus un citas antidaļiņas: tam nepietiek ar radioaktīvās sabrukšanas enerģiju. Dabā tie ir dzimuši augstas enerģijas kosmisko staru ietekmē: kosmiskais protons, saduroties ar kādu molekulu augšējos atmosfēras slāņos, ģenerē daļiņu un pretdaļiņu plūsmas. Tomēr tas notiek tur augšā, antiprotoni gandrīz nesasniedz zemi (par ko nezināja tie, kas 40. gados meklēja antiprotonus kosmiskajos staros), un jūs nevarat ienest šo antiprotonu avotu uz laboratoriju.
Visos fiziskajos eksperimentos antiprotoni rada "brutālu spēku": tie ņem augstas enerģijas protonu staru, novirza to uz mērķi un izšķir "hadronu gabalus", kas šajā sadursmē rodas lielos daudzumos. Sašķirotie antiprotoni tiek izvadīti stara veidā, un pēc tam tos vai nu paātrina līdz lielām enerģijām, lai tie sadurtos ar protoniem (tā darbojās, piemēram, amerikāņu Tevatron paātrinātājs), vai, gluži pretēji, tos palēnina un izmanto smalkākiem mērījumiem.
CERN, kas var pamatoti lepoties ar savu ilgo antimateriālu izpētes vēsturi, ir īpašs AD “paātrinātājs”, “Anti-Proton Moderator”, kas tieši to dara. Viņš ņem antiprotonu staru kūli, tos atdzesē (ti, palēnina) un pēc tam sadala lēno antiprotonu plūsmu vairākos īpašos eksperimentos. Starp citu, ja vēlaties apskatīt AD stāvokli reāllaikā, tad Cern tiešsaistes monitori to atļauj.
Sintēt antiatomus, pat visvienkāršākos, anti-ūdeņraža atomus, jau ir diezgan grūti. Dabā tie nerodas vispār - nav piemērotu apstākļu. Pat laboratorijā ir jāpārvar daudzas tehniskas grūtības, pirms antiprotoni sāk apvienoties ar pozitroniem. Problēma ir tā, ka no avotiem emitētie antiprotoni un pozitroni joprojām ir pārāk karsti; tie vienkārši sadursies viens ar otru un izlidos, nevis tiks veidoti no antiatoma. Fiziķi joprojām pārvar šīs grūtības, taču ar diezgan viltīgām metodēm (kā tas tiek darīts vienā no ASACUSA CERN eksperimentiem).
Kas ir zināms par antikodolu?
Visi cilvēces sasniegumi pret kodolenerģiju attiecas tikai uz pretūdeņradi. Citu elementu antiatomi vēl nav sintezēti laboratorijā un nav novēroti dabā. Iemesls ir vienkāršs: ir vēl grūtāk izveidot antikodolus nekā antiprotonus.
Vienīgais veids, kā mēs zinām, kā izveidot pretkodolus, ir stumt smagos augstas enerģijas kodolus un redzēt, kas notiek. Ja sadursmes enerģija ir augsta, tajā dzims tūkstošiem daļiņu, kas izkliedēsies visos virzienos, ieskaitot antiprotonus un antineitronus. Antiprotoni un antineitroni, kas nejauši izmesti vienā virzienā, var apvienoties viens ar otru, veidojot pretkodolu.
ALICE detektors spēj atšķirt dažādus kodolus un antikodolus pēc enerģijas izdalīšanas un pagrieziena virziena magnētiskajā laukā.
Attēls: CERN
Metode ir vienkārša, bet ne pārāk neefektīva: kodola saplūšanas iespējamība šādā veidā strauji samazinās, palielinoties nukleonu skaitam. Vieglākie antikodoli, antideuteroni, pirmo reizi tika novēroti tieši pirms pusgadsimta. Antihēlijs-3 tika novērots 1971. gadā. Ir zināmi arī antitritons un antihēlijs-4, un pēdējais tika atklāts pavisam nesen, 2011. gadā. Smagāki antikodoli vēl nav novēroti.
Divi parametri, kas apraksta nukleonu un nukleonu mijiedarbību (izkliedes garums f0 un efektīvais rādiuss d0) dažādiem daļiņu pāriem. Sarkanā zvaigznīte ir rezultāts antiprotonu pārim, kas iegūts, sadarbojoties STAR.
Diemžēl šādā veidā nevar izveidot antiatomus. Antikodoli ne tikai dzimst reti, bet arī tiem ir pārāk daudz enerģijas un tie izlido uz visām pusēm. Ir nereāli mēģināt tos noķert pie kolidera, lai pēc tam pa speciālu kanālu aizvestu un atdzesētu.
Tomēr dažreiz pietiek rūpīgi izsekot antikodolus lidojuma laikā, lai iegūtu interesantu informāciju par antinukleārajiem spēkiem, kas darbojas starp antinukleoniem. Vienkāršākais ir rūpīgi izmērīt antikodolu masu, salīdzināt to ar antiprotonu un antineitronu masu summu un aprēķināt masas defektu, t.i. kodola saistīšanas enerģija. Tas nesen strādā Lielajā hadronu paātrinātājā; saistīšanās enerģija antideuteronam un antihēlija-3 kļūdas robežās sakrita ar parastajiem kodoliem.
Vēl viens, smalkāks efekts tika pētīts STAR eksperimentā American Heavy Ion Collider RHIC. Viņš izmērīja saražoto antiprotonu leņķisko sadalījumu un izdomāja, kā tas mainās, kad divi antiprotoni izlido ļoti tuvu virzienā. Korelācijas starp antiprotoniem ļāva pirmo reizi izmērīt to "pretkodolu" spēku īpašības, kas darbojas starp tiem (izkliedes garums un efektīvais mijiedarbības rādiuss); tie sakrita ar to, kas ir zināms par protonu mijiedarbību.
Vai kosmosā ir antimateriāls?
Kad Pols Diraks no savas teorijas secināja pozitronu esamību, viņš pilnībā pieņēma, ka kaut kur kosmosā varētu pastāvēt īstas antipasaules. Tagad mēs zinām, ka Visuma redzamajā daļā nav zvaigžņu, planētu, galaktiku no antimatērijas. Lieta nav pat tajā, ka iznīcināšanas sprādzieni nav redzami; ir vienkārši neiedomājami, kā viņi pat varētu veidoties un izdzīvot līdz mūsdienām visumā, kas pastāvīgi attīstās.
Taču jautājums “kā tas notika” ir vēl viens liels mūsdienu fizikas noslēpums; zinātniskajā valodā to sauc par barioģenēzes problēmu. Saskaņā ar pasaules kosmoloģisko ainu, senākajā Visumā daļiņas un antidaļiņas tika sadalītas vienādi. Tad CP simetrijas un bariona skaitļa pārkāpuma dēļ dinamiski attīstošajā Visumā bija jāparādās nelielam, vienas miljarddaļas līmenī, matērijas pārsniegumam pār antimateriālu. Kad Visums atdzisa, visas antidaļiņas iznīcinājās ar daļiņām, izdzīvoja tikai šis matērijas pārpalikums, kas radīja mūsu novērojamo Visumu. Tieši viņa dēļ tajā vismaz kaut kas interesants paliek, tieši viņa dēļ mēs vispār eksistējam. Kā tieši šī asimetrija radās, nav zināms. Ir daudz teoriju, bet kura no tām ir pareiza, nav zināms. Ir tikai skaidrs, ka tai noteikti ir jābūt kaut kādai jaunai fizikai, teorijai, kas pārsniedz standarta modeli, pārsniedz eksperimentāli pārbaudītās robežas.
Trīs iespējas, no kurienes augstas enerģijas kosmiskajos staros var rasties antidaļiņas: 1 - tās var vienkārši parādīties un paātrināties "kosmiskajā paātrinātājā", piemēram, pulsārā; 2 - tie var piedzimt parasto kosmisko staru sadursmes laikā ar starpzvaigžņu vides atomiem; 3 - tie var rasties tumšās vielas smago daļiņu sabrukšanas laikā.
Lai gan nav planētu un zvaigžņu, kas veidotu no antimatērijas, antimatērija joprojām atrodas kosmosā. Dažādu enerģiju pozitronu un antiprotonu plūsmas fiksē satelītu kosmisko staru observatorijas, piemēram, PAMELA, Fermi, AMS-02. Tas, ka pozitroni un antiprotoni pie mums nonāk no kosmosa, nozīmē, ka tie kaut kur piedzimst. Augstas enerģijas procesi, kas var tos izraisīt, principā ir zināmi: tie ir ļoti magnetizēti neitronu zvaigžņu apkaimes, dažādi sprādzieni, kosmisko staru paātrinājums triecienviļņu frontēs starpzvaigžņu vidē utt. Jautājums ir par to, vai tie var izskaidrot visas novērotās kosmisko antidaļiņu plūsmas īpašības. Ja izrādīsies, ka tā nav, tas būs pierādījums tam, ka daži no tiem rodas tumšās vielas daļiņu sabrukšanas vai iznīcināšanas laikā.
Arī šeit ir kāds noslēpums. 2008. gadā PAMELA observatorija atklāja aizdomīgi lielu augstas enerģijas pozitronu skaitu, salīdzinot ar teorētisko simulāciju prognozēto. Šo rezultātu nesen apstiprināja AMS-02 instalācija - viens no Starptautiskās kosmosa stacijas moduļiem un vispār lielākais elementārdaļiņu detektors, kas palaists kosmosā (un samontēts uzminiet, kur? - pareizi, CERN). Šis pozitronu pārpalikums uzbudina teorētiķu prātus – galu galā par to var būt atbildīgi nevis "garlaicīgi" astrofiziski objekti, bet gan smagās tumšās vielas daļiņas, kas sadalās vai iznīcinās elektronos un pozitronos. Pagaidām skaidrības nav, taču AMS-02 iekārta, kā arī daudzi kritiski fiziķi ļoti rūpīgi pēta šo fenomenu.
Antiprotonu un protonu attiecība dažādu enerģiju kosmiskajos staros. Punkti - eksperimentālie dati, daudzkrāsainas līknes - astrofizikas gaidas ar dažādām kļūdām.
Attēls: Kornela universitātes bibliotēka
Situācija ar antiprotoniem arī nav skaidra. Šī gada aprīlī AMS-02 īpašā zinātniskā konferencē prezentēja jauna pētījumu cikla provizoriskos rezultātus. Ziņojuma galvenais akcents bija apgalvojums, ka AMS-02 redz pārāk daudz augstas enerģijas antiprotonu, un tas var būt arī mājiens uz tumšās vielas daļiņu sabrukšanu. Tomēr citi fiziķi nepiekrīt šādam enerģiskam secinājumam. Tagad tiek uzskatīts, ka AMS-02 antiprotonu datus ar zināmu izstiepumu var izskaidrot arī ar parastiem astrofizikas avotiem. Tā vai citādi visi ar nepacietību gaida jaunus AMS-02 pozitronu un antiprotonu datus.
AMS-02 jau ir reģistrējis miljoniem pozitronu un ceturtdaļmiljonu antiprotonu. Taču šīs instalācijas veidotājiem ir gaišs sapnis – noķert kaut vienu antikodolu. Tā būs īsta sensācija – ir absolūti neticami, ka kaut kur kosmosā piedzimtu un pie mums lidotu antikodoli. Pagaidām šāds gadījums nav konstatēts, taču datu vākšana turpinās, un, kas zina, kādus pārsteigumus mums gatavo daba.
Antimatērija – antigravitācija? Kā viņa vispār jūt gravitāciju?
Ja paļaujamies tikai uz eksperimentāli pierādītu fiziku un neiedziļināmies eksotiskās, vēl neapstiprinātās teorijās, tad gravitācijai uz antimateriālu būtu jāiedarbojas tāpat kā uz matēriju. Nav gaidāma antigravitācija pret antimateriālu. Ja atļaujamies paskatīties nedaudz tālāk, tālāk par zināmo, tad tīri teorētiski iespējamie varianti ir tad, kad papildus ierastajam universālajam gravitācijas spēkam ir kaut kas papildus, kas uz vielu un antimateriālu iedarbojas atšķirīgi. Neatkarīgi no tā, cik iluzora šī iespēja šķistu, tā ir jāpārbauda eksperimentāli, un šim nolūkam ir jāveic eksperimenti, lai pārbaudītu, kā antimatērija izjūt zemes gravitāciju.
Ilgu laiku to nebija īsti iespējams izdarīt tā vienkāršā iemesla dēļ, ka šim nolūkam ir nepieciešams izveidot atsevišķus antimatērijas atomus, notvert tos un veikt ar tiem eksperimentus. Tagad viņi ir iemācījušies to izdarīt, tāpēc ilgi gaidītais pārbaudījums ir tepat aiz stūra.
Galvenais rezultātu piegādātājs ir tas pats CERN ar savu plašo programmu antimatērijas izpētei. Daži no šiem eksperimentiem jau ir netieši apstiprinājuši, ka ar antimateriāla gravitāciju viss ir kārtībā. Piemēram, viņš atklāja, ka antiprotona (inerciālā) masa ļoti precīzi sakrīt ar protona masu. Ja gravitācija uz antiprotoniem būtu iedarbojusies savādāk, fiziķi būtu pamanījuši atšķirību - galu galā salīdzinājums tika veikts tajā pašā iestatījumā un tādos pašos apstākļos. Šī eksperimenta rezultāts: gravitācijas ietekme uz antiprotoniem sakrīt ar ietekmi uz protoniem ar precizitāti, kas ir labāka par vienu miljono daļu.
Tomēr šis mērījums ir netiešs. Lai iegūtu lielāku pārliecību, es vēlētos veikt tiešu eksperimentu: paņemiet dažus antimatērijas atomus, nometiet tos un skatieties, kā tie nokrīt gravitācijas laukā. Šādi eksperimenti tiek veikti vai tiek gatavoti arī CERN. Pirmais mēģinājums nebija īpaši iespaidīgs. 2013. gadā ALPHA eksperiments, kas līdz tam jau bija iemācījies noturēt antiūdeņraža mākoni savā slazdā, mēģināja noteikt, kur antiatomi nokristu, ja slazds tiktu izslēgts. Diemžēl eksperimenta zemās jutības dēļ viennozīmīgu atbildi iegūt nebija iespējams: bija pagājis pārāk maz laika, slazdā šurpu turpu traucās antiatomi, šur tur gadījās iznīcināšanas uzplaiksnījumi.
Tiek solīts, ka situāciju radikāli uzlabos divi citi Cern eksperimenti: GBAR un AEGIS. Abi šie eksperimenti tiks pārbaudīti dažādos veidos, kā gravitācijas laukā nokrīt superaukstā antiūdeņraža mākonis. To paredzamā precizitāte antimatērijas gravitācijas paātrinājuma mērīšanā ir aptuveni 1%. Pašlaik abās telpās notiek montāža un atkļūdošana, un galvenie pētījumi sāksies 2017. gadā, kad AD antiprotonu moderators tiks papildināts ar jaunu ELENA uzglabāšanas gredzenu.
Pozitronu uzvedības varianti cietā vielā.
Attēls: nature.com
Kas notiek, ja pozitrons ietriecas matērijā?
Molekulārā pozitronija veidošanās uz kvarca virsmas.
Attēls: Klifords M. Surko / Atomfizika: antimateriālu zupas dvesma
Ja esat izlasījis līdz šim brīdim, jūs jau lieliski zināt, ka, tiklīdz antimatērijas daļiņa nonāk parastajā vielā, notiek iznīcināšana: daļiņas un antidaļiņas pazūd un pārvēršas starojumā. Bet cik ātri tas notiek? Iedomāsimies pozitronu, kas nāca no vakuuma un iekļuva cietā vielā. Vai tas iznīcinās, saskaroties ar pirmo atomu? Nav nepieciešams! Elektrona un pozitrona iznīcināšana nav momentāns process; tas prasa ilgu laiku atomu mērogā. Tāpēc pozitronam ir laiks dzīvot matērijā gaišu un nenozīmīgu notikumu pilnu dzīvi.
Pirmkārt, pozitrons var uzņemt bezsaimnieka elektronu un izveidot saistītu stāvokli, pozitroniju (Ps). Ar pareizo griešanās orientāciju pozitronijs var nodzīvot desmitiem nanosekunžu pirms iznīcināšanas. Atrodoties nepārtrauktā vielā, tai šajā laikā būs laiks sadurties ar atomiem miljoniem reižu, jo pozitronija termiskais ātrums istabas temperatūrā ir aptuveni 25 km / s.
Otrkārt, dreifējot vielā, pozitronijs var nonākt uz virsmas un tur pielipt - tas ir pozitrons (vai drīzāk pozitronija) atomu adsorbcijas analogs. Istabas temperatūrā viņš nesēž vienā vietā, bet aktīvi ceļo pa virsmu. Un, ja šī nav ārējā virsma, bet nanometra izmēra poras, tad pozitronijs tajā tiek ieslodzīts ilgu laiku.
Tālāk vairāk. Šādu eksperimentu standarta materiālā, porainajā kvarcā, poras nav izolētas, bet ir apvienotas ar nanokanāliem kopējā tīklā. Siltam pozitronijam, kas rāpo pa virsmu, būs laiks pārbaudīt simtiem poru. Un tā kā šādos eksperimentos veidojas daudz pozitronija un gandrīz visi izrāpjas ārā porās, tad agri vai vēlu tie paklūp viens otram un, mijiedarbojoties, dažkārt veido īstas molekulas - molekulāro pozitroniju, Ps 2. Tālāk jau ir iespējams izpētīt, kā uzvedas pozitronija gāze, kādi ir pozitronija ierosinātie stāvokļi utt. Un nedomājiet, ka tā ir tīri teorētiska spriešana; Visi uzskaitītie efekti jau ir pārbaudīti un eksperimentāli pētīti.
Vai antimatērijai ir praktisks pielietojums?
Protams. Kopumā jebkurš fizisks process, ja tas mums paver kādu jaunu mūsu pasaules šķautni un neprasa nekādas papildu izmaksas, noteikti atradīs praktisku pielietojumu. Turklāt tādi pielietojumi, kurus mēs paši nebūtu uzminējuši, ja nebūtu iepriekš atklājuši un pētījuši šīs parādības zinātnisko pusi.
Vispazīstamākais antidaļiņu pielietojums ir PET, pozitronu emisijas tomogrāfija. Kopumā kodolfizikai ir iespaidīgi medicīnisko lietojumu rezultāti, un arī antidaļiņas šeit nav atstātas dīkā. PET gadījumā pacienta ķermenī tiek ievadīta neliela zāļu deva, kas satur nestabilu izotopu ar īsu kalpošanas laiku (minūtes un stundas) un bojājas pozitīvas beta sabrukšanas dēļ. Zāles uzkrājas pareizajos audos, kodoli sadalās un izdala pozitronus, kas iznīcina tuvumā un izdala divus noteiktas enerģijas gamma kvantus. Detektors tos reģistrē, nosaka to ierašanās virzienu un laiku, kā arī atjauno vietu, kur notika sabrukšana. Tādā veidā ir iespējams izveidot trīsdimensiju matērijas sadalījuma karti ar augstu telpisko izšķirtspēju un ar minimālu starojuma devu.
Pozitronus var izmantot arī materiālu zinātnē, piemēram, lai izmērītu vielas porainību. Ja matērija ir nepārtraukta, tad vielā pietiekamā dziļumā iestrēgušie pozitroni diezgan ātri iznīcinās un izstaro gamma kvantus. Ja vielas iekšpusē ir nanoporas, iznīcināšana tiek aizkavēta, jo pozitronijs pielīp pie poru virsmas. Izmērot šo aizkavi, var noskaidrot vielas nanoporozitātes pakāpi ar bezkontakta un nesagraujošu metodi. Kā ilustrācija šai tehnikai ir nesen veikts darbs par to, kā nanoporas parādās un savelkas plānākajā ledus slānī, kad uz virsmas tiek nogulsnēts tvaiks. Līdzīga pieeja darbojas arī pusvadītāju kristālu strukturālo defektu, piemēram, vakanču un dislokāciju, izpētē un ļauj izmērīt materiāla strukturālo nogurumu.
Antiprotoniem var atrast arī medicīnisku pielietojumu. Tagad tajā pašā CERN tiek veikts ACE eksperiments, kas pēta antiprotonu staru ietekmi uz dzīvām šūnām. Tās mērķis ir izpētīt antiprotonu izmantošanas perspektīvas vēža audzēju ārstēšanā.
Jonu staru un rentgenstaru enerģijas izdalīšanās, ejot cauri vielai.
Attēls: Johanness Gutlebers/CERN
Šī ideja var nobiedēt lasītāju no ieraduma: kā tā, ar antiprotonu staru - un dzīvam cilvēkam ?! Jā, un tas ir daudz drošāk par dziļu audzēju rentgenu! Speciāli atlasītas enerģijas antiprotonu stars kļūst par efektīvu instrumentu ķirurga rokās, ar kura palīdzību iespējams izdedzināt audzējus dziļi ķermeņa iekšienē un maksimāli samazināt ietekmi uz apkārtējiem audiem. Atšķirībā no rentgena stariem, kas sadedzina visu, kas nokļūst zem stara, smagas lādētas daļiņas ceļā cauri matērijai atbrīvo lielāko daļu enerģijas pēdējos centimetros pirms apstāšanās. Noskaņojot daļiņu enerģiju, var mainīt dziļumu, kurā daļiņas apstājas; tieši šajā milimetru apgabalā samazināsies galvenais starojuma efekts.
Šāda protonu staru terapija jau sen ir izmantota daudzās labi aprīkotās klīnikās visā pasaulē. Pēdējā laikā daži no viņiem pāriet uz jonu terapiju, kurā tiek izmantots nevis protonu, bet oglekļa jonu stars. Viņiem enerģijas izdalīšanas profils ir vēl kontrastējošāks, kas nozīmē, ka paaugstinās pāra “ārstnieciskais efekts pret blakusparādībām” efektivitāte. Bet jau sen ir ierosināts izmēģināt antiprotonus arī šim nolūkam. Galu galā, nonākot vielā, viņi ne tikai atsakās no savas kinētiskās enerģijas, bet arī iznīcina pēc apstāšanās - un tas vairākas reizes palielina enerģijas izdalīšanos. Šī papildu enerģijas izdalīšanās vieta ir sarežģīts jautājums, un tas ir rūpīgi jāizpēta pirms klīnisko pētījumu sākšanas.
Tieši to dara ACE eksperiments. Tās laikā pētnieki izlaiž antiprotonu staru cauri kiveti ar baktēriju kultūru un mēra to izdzīvošanu atkarībā no atrašanās vietas, no stara parametriem un vides fiziskajām īpašībām. Šī metodiskā un, iespējams, garlaicīgā tehnisko datu apkopošana ir svarīgs sākumpunkts jebkurai jaunai tehnoloģijai.
Igors Ivanovs
Antimateriāls ir matērija, kas sastāv no antidaļiņām, tas ir, daļiņām ar tieši tādu pašu, bet apgrieztu nozīmi un īpašībām tām daļiņām, kurām tās ir pretējas. Katrai daļiņai ir sava spoguļkopija – antidaļiņa. Protona, neitrona un antidaļiņas sauc attiecīgi par antiprotonu, antineitronu un pozitronu. Protoni un neitroni, savukārt, sastāv no vēl mazākām daļiņām, ko sauc par kvarkiem. Antiprotoni un antineitroni sastāv no antikvarkiem.
Antidaļiņām ir līdzīgs, bet pretējs lādiņš kā to parastajām vielām, taču tām ir tāda pati masa un tās ir līdzīgas visos citos veidos. Kā norāda zinātnieki, no antimateriāla var būt veselas galaktikas. Pastāv arī viedoklis, ka Visumā var būt pat vairāk antimatērijas nekā parastās matērijas. Taču nav iespējams saskatīt antimatēriju, tāpat kā parastās pasaules objektus mums apkārt. Tas nav redzams cilvēka acij.
Lielākā daļa astronomu joprojām ir vienisprātis, ka dabā joprojām nav tik daudz vai nemaz nav antimatērijas, pretējā gadījumā, kā viņi apgalvo, Visumā būtu daudz vietu, kur parastā matērija un antimaterija saduras viens ar otru, ko pavadītu spēcīga gamma plūsma. stari, ko izraisa to iznīcināšana. Iznīcināšana ir savstarpēja vielas un antimatērijas daļiņu iznīcināšana, ko pavada enerģijas izdalīšanās. Tomēr šādi reģioni netika atrasti.
Viena no iespējamām hipotēzēm par antimatērijas izcelsmi ir saistīta ar lielā sprādziena teoriju. Šī teorija apgalvo, ka visi mūsu radušies noteikta telpas punkta izplešanās rezultātā. Pēc sprādziena radās vienāds daudzums vielas un antimatērijas. Tūlīt sākās viņu savstarpējās iznīcināšanas process. Taču kaut kādu iemeslu dēļ matērijas bija nedaudz vairāk, kas ļāva Visumam veidoties tādā formā, kā mēs esam pieraduši.
Tā kā trūkst iespēju izpētīt antimatērijas īpašības, zinātnieki izmanto mākslīgas metodes antimatērijas veidošanai. Tās iegūšanai tiek izmantotas īpašas zinātniskas ierīces - daļiņu paātrinātāji, kuros vielas atomi tiek paātrināti līdz aptuveni gaismas ātrumam (300 000 km/s). Saduroties, dažas daļiņas tiek iznīcinātas, kā rezultātā veidojas antidaļiņas, no kurām var iegūt antimateriālu. Sarežģīta problēma ir antimateriāla uzglabāšana, jo, saskaroties ar parasto vielu, antimateriāls tiek iznīcināts. Lai to izdarītu, iegūtās antimateriāla daļiņas tiek ievietotas vakuumā un tiek ievietotas iekšā, kas saglabā tās bezspēcībā un neļauj tām pieskarties krātuves sienām.
Neskatoties uz to, ka antimatērijas iegūšana un izpēte ir sarežģīta, tā var sniegt daudzas priekšrocības mūsu dzīvē. Visi no tiem ir balstīti uz faktu, ka antimateriālam mijiedarbojoties ar matēriju, tiek atbrīvots milzīgs enerģijas daudzums. Turklāt atbrīvotās enerģijas attiecību pret iesaistītās vielas masu nepārspēj neviena veida vai sprāgstvielas. Iznīcināšanas rezultātā nav blakusproduktu, ir tikai tīra enerģija. Tāpēc zinātnieki jau sapņo par tā pielietojumu. Piemēram, par antimateriālu ar nebeidzamu resursu. Kosmosa kuģi ar anihilatora dzinējiem spēs nolidot tūkstošiem gaismas gadu ar aptuveni gaismas ātrumu. Tas dos militārpersonām iespēju radīt milzīgu spēku, kas ir daudz postošāks par kodolenerģiju vai ūdeņradi. Tomēr visi šie sapņi nepiepildīsies, kamēr mēs nevarēsim ražot lētu antimateriālu rūpnieciskā mērogā.
ANTIMATERIA, viela, kas sastāv no atomiem, kuru kodoliem ir negatīvs elektriskais lādiņš un kurus ieskauj pozitroni - elektroni ar pozitīvu elektrisko lādiņu. Parastā vielā, no kuras ir veidota apkārtējā pasaule, pozitīvi lādētus kodolus ieskauj negatīvi lādēti elektroni. Parasto vielu, lai to atšķirtu no antimatērijas, dažreiz sauc par līdzsubstanci (no grieķu valodas. koinos- parasta). Taču krievu literatūrā šis termins praktiski netiek lietots. Jāuzsver, ka jēdziens "antimatērija" nav gluži pareizs, jo antimatērija arī ir matērija, tās veids. Antimateriālam ir tādas pašas inerciālās īpašības un tā rada tādu pašu gravitācijas pievilcību kā parastajai vielai.
Runājot par matēriju un antimatēriju, ir loģiski sākt ar elementārdaļiņām (subatomiskām). Katra elementārdaļiņa atbilst antidaļiņai; abiem ir gandrīz vienādas īpašības, izņemot to, ka tiem ir pretējs elektriskais lādiņš. (Ja daļiņa ir neitrāla, tad arī antidaļiņa ir neitrāla, taču tās var atšķirties pēc citiem raksturlielumiem. Dažos gadījumos daļiņa un antidaļiņa ir viena otrai identiskas.) Tādējādi elektronam – negatīvi lādētai daļiņai – atbilst a. pozitrons, un protona antidaļiņa ar pozitīvu lādiņu ir negatīvi lādēts antiprotons. Pozitronu atklāja 1932. gadā, bet antiprotonu 1955. gadā; šīs bija pirmās no atklātajām antidaļiņām. Antidaļiņu esamību 1928. gadā, pamatojoties uz kvantu mehāniku, paredzēja angļu fiziķis P. Diraks.
Saduroties elektronam un pozitronam, tie anihilējas, t.i. abas daļiņas pazūd, un no to sadursmes punkta izdalās divi gamma kvanti. Ja sadursmes daļiņas pārvietojas ar mazu ātrumu, tad katra gamma stara enerģija ir 0,51 MeV. Šī enerģija ir elektrona "atpūtas enerģija" jeb tā miera masa, kas izteikta enerģijas vienībās. Ja sadursmes daļiņas pārvietojas lielā ātrumā, tad gamma staru enerģija būs lielāka to kinētiskās enerģijas dēļ. Iznīcināšana notiek arī tad, kad protons saduras ar antiprotonu, taču process šajā gadījumā ir daudz sarežģītāks. Kā mijiedarbības starpprodukti dzimst vairākas īslaicīgas daļiņas; tomēr pēc dažām mikrosekundēm kā transformāciju galaprodukti paliek neitrīni, gamma kvanti un neliels skaits elektronu-pozitronu pāru. Šie pāri galu galā var iznīcināt, radot papildu gamma starus. Iznīcināšana notiek arī tad, kad antineutrons saduras ar neitronu vai protonu.
Tā kā antidaļiņas pastāv, rodas jautājums, vai no antidaļiņām var izveidot antikodolus. Parastās vielas atomu kodoli sastāv no protoniem un neitroniem. Vienkāršākais kodols ir parastā ūdeņraža izotopa 1 H kodols; tas ir viens protons. Deitērija kodols 2 H sastāv no viena protona un viena neitrona; to sauc par deuteronu. Vēl viens vienkārša kodola piemērs ir 3 He kodols, kas sastāv no diviem protoniem un viena neitrona. Antideuterons, kas sastāv no antiprotona un antineitrona, tika iegūts laboratorijā 1966. gadā; Anti-3He kodols, kas sastāv no diviem antiprotoniem un viena antineitrona, pirmo reizi tika iegūts 1970. gadā.
Saskaņā ar mūsdienu elementārdaļiņu fiziku, ja ir pieejami atbilstoši tehniskie līdzekļi, būtu iespējams iegūt visu parasto kodolu antikodolus. Ja šos antikodolus ieskauj atbilstošs pozitronu skaits, tie veido antiatomus. Antiatomiem būtu gandrīz tieši tādas pašas īpašības kā parastajiem atomiem; tie veidotu molekulas, tie varētu veidot cietas vielas, šķidrumus un gāzes, tostarp organiskās vielas. Piemēram, divi antiprotoni un viens anti-skābekļa kodols kopā ar astoņiem pozitroniem varētu veidot pretūdens molekulu, kas ir līdzīga parastajam ūdens H 2 O, kuras katra molekula sastāv no diviem ūdeņraža kodolu protoniem, viena skābekļa kodola un astoņiem. elektroni. Mūsdienu daļiņu teorija spēj paredzēt, ka pretūdens sasals 0°C, vārīsies 100°C un citādi uzvedīsies kā parasts ūdens. Turpinot šādu spriešanu, mēs varam nonākt pie secinājuma, ka no antimatērijas uzbūvētā antimaterija būtu ārkārtīgi līdzīga parastajai pasaulei mums apkārt. Šis secinājums kalpo par sākumpunktu simetriskā Visuma teorijām, kuru pamatā ir pieņēmums, ka Visumā ir vienāds daudzums parastās matērijas un antimatērijas. Mēs dzīvojam tajā daļā, kas sastāv no parastās matērijas.
Ja saskaras divi identiski pretējā tipa vielu gabali, tad notiks elektronu anihilācija ar pozitroniem un kodolu ar antikodoliem. Šajā gadījumā radīsies gamma kvanti, pēc kuru parādīšanās var spriest par notiekošo. Tā kā Zeme pēc definīcijas sastāv no parastas vielas, tajā nav ievērojama daudzuma antimateriāla, izņemot niecīgo skaitu antidaļiņu, kas rodas lielos paātrinātājos un kosmiskajos staros. Tas pats attiecas uz visu Saules sistēmu.
Novērojumi liecina, ka mūsu galaktikā notiek tikai ierobežots gamma starojuma daudzums. No tā vairāki pētnieki secina, ka tajā nav manāma daudzuma antimateriāla. Bet šis secinājums nav neapstrīdams. Pašlaik nav iespējams noteikt, piemēram, vai dotā tuvumā esošā zvaigzne sastāv no matērijas vai antimatērijas; antimatērijas zvaigzne izstaro tieši tādu pašu spektru kā parasta zvaigzne. Tālāk ir pilnīgi iespējams, ka retinātā matērija, kas aizpilda telpu ap zvaigzni un ir identiska pašas zvaigznes matērijai, ir atdalīta no reģioniem, kas piepildīti ar pretējā tipa matēriju - ļoti plāniem augstas temperatūras "Leidenfrosta slāņiem". Tādējādi var runāt par starpzvaigžņu un starpgalaktiskās telpas "šūnu" struktūru, kurā katra šūna satur vai nu vielu, vai antimateriālu. Šo hipotēzi atbalsta mūsdienu pētījumi, kas parāda, ka magnetosfērai un heliosfērai (starpplanētu telpai) ir šūnu struktūra. Šūnas ar dažādu magnetizāciju un dažkārt arī ar dažādu temperatūru un blīvumu atdala ar ļoti plāniem strāvas apvalkiem. No tā izriet paradoksāls secinājums, ka šie novērojumi nav pretrunā ar antimatērijas esamību pat mūsu Galaktikā.
Ja agrāk nebija pārliecinošu argumentu par labu antimatērijas esamībai, tad tagad rentgenstaru un gamma staru astronomijas panākumi ir mainījuši situāciju. Ir novērotas parādības, kas saistītas ar milzīgu un bieži ļoti nesakārtotu enerģijas izdalīšanos. Visticamāk, šādas enerģijas izlaišanas avots bija iznīcināšana.
Zviedru fiziķis O. Kleins izstrādāja kosmoloģisko teoriju, kuras pamatā ir matērijas un antimatērijas simetrijas hipotēze, un nonāca pie secinājuma, ka iznīcināšanas procesiem ir izšķiroša nozīme Visuma evolūcijā un galaktiku struktūras veidošanā.
Arvien vairāk kļūst redzams, ka galvenā alternatīvā teorija - "lielā sprādziena" teorija - ir nopietni pretrunā ar novērojumu datiem un centrālo vietu kosmoloģisko problēmu risināšanā tuvākajā nākotnē, visticamāk, ieņems "simetriskā kosmoloģija".
Antimateriāls ir viela, kas pilnībā sastāv no antidaļiņām. Dabā katrai elementārdaļiņai ir antidaļiņa. Elektronam tas būs pozitrons, un pozitīvi lādētam protonam tas būs antiprotons. Parastās matērijas atomi - citādi to sauc kopviela Tie sastāv no pozitīvi lādēta kodola, ap kuru pārvietojas elektroni. Un negatīvi lādētos antimateriālu atomu kodolus, savukārt, ieskauj antielektroni.
Spēki, kas nosaka vielas struktūru, ir vienādi gan daļiņām, gan antidaļiņām. Vienkārši sakot, daļiņas atšķiras tikai ar lādiņa zīmi. Raksturīgi, ka "antimatērija" nav gluži pareizais nosaukums. Tā būtībā ir tikai sava veida viela, kurai ir tādas pašas īpašības un kas spēj radīt pievilcību.
Iznīcināšana
Faktiski tas ir pozitrona un elektrona sadursmes process. Rezultātā notiek abu daļiņu savstarpēja iznīcināšana (iznīcināšana), atbrīvojoties milzīgai enerģijai. 1 grama antimatērijas iznīcināšana ir līdzvērtīga 10 kilotonnu TNT lādiņa sprādzienam!
Sintēze
1995. gadā tika paziņots, ka ir sintezēti pirmie deviņi antiūdeņraža atomi. Viņi dzīvoja 40 nanosekundes un nomira, atbrīvojot enerģiju. Un jau 2002. gadā iegūto atomu skaits bija simtos. Bet visas iegūtās antidaļiņas varēja dzīvot tikai nanosekundes. Notikumi mainījās līdz ar hadronu paātrinātāja palaišanu: bija iespējams sintezēt 38 antiūdeņraža atomus un noturēt tos veselu sekundi. Šajā laika posmā kļuva iespējams veikt dažus antimatērijas struktūras pētījumus. Viņi iemācījās noturēt daļiņas pēc īpašas magnētiskās lamatas izveidošanas. Tajā, lai sasniegtu vēlamo efektu, tiek izveidota ļoti zema temperatūra. Tiesa, šāds lamatas ir ļoti apgrūtinoša, sarežģīta un dārga lieta.
S. Sņegova triloģijā "Cilvēki kā dievi" iznīcināšanas process tiek izmantots starpgalaktiskiem lidojumiem. Romāna varoņi, to izmantojot, pārvērš zvaigznes un planētas putekļos. Bet mūsu laikos iegūt antimateriālu ir daudz grūtāk un dārgāk nekā pabarot cilvēci.
Cik maksā antimateriāls
Vienam miligramam pozitronu vajadzētu maksāt 25 miljardus dolāru. Un par vienu gramu antiūdeņraža jums būs jāmaksā 62,5 triljoni dolāru.
Tik dāsns cilvēks vēl nav parādījies, ka varētu nopirkt vismaz simtdaļu grama. Par vienu miljardo daļu grama bija jāsamaksā vairāki simti miljonu Šveices franku, lai iegūtu materiālu eksperimentālajam darbam par daļiņu un antidaļiņu sadursmi. Pagaidām dabā nav tādas vielas, kas būtu dārgāka par antimateriālu.
Bet ar jautājumu par antimatērijas svaru viss ir pavisam vienkārši. Tā kā tas atšķiras no parastās vielas tikai ar savu lādiņu, visas pārējās īpašības ir vienādas. Izrādās, ka viens grams antimatērijas svērs tieši vienu gramu.
Antimatērijas pasaule
Ja mēs pieņemam, ka tā bija patiesība, tad šī procesa rezultātā vajadzēja rasties vienādam daudzumam gan matērijas, gan antimatērijas. Tātad, kāpēc mēs nenovērojam tuvumā esošos objektus, kas sastāv no antimatērijas? Atbilde ir pavisam vienkārša: divu veidu vielas nevar līdzāspastāvēt. Viņi noteikti atcels viens otru. Visticamāk, ka pastāv galaktikas un pat antimatērijas Visumi. un mēs pat redzam dažus no tiem. Bet tie izstaro tādu pašu starojumu, no tiem nāk tāda pati gaisma kā no parastajām galaktikām. Tāpēc joprojām nevar droši pateikt, vai pastāv antipasaule, vai šī ir skaista pasaka.
Vai tas ir bīstami?
Cilvēce daudzus noderīgus atklājumus pārvērta iznīcināšanas līdzekļos. Antimatērija šajā ziņā nevar būt izņēmums. Jaudīgāku ieroci par to, kas balstīts uz iznīcināšanas principu, vēl nevar iedomāties. Varbūt nav tik slikti, ka līdz šim nav bijis iespējams iegūt un saglabāt antimateriālu? Vai tas nebūs liktenīgs zvans, ko cilvēce dzirdēs savā pēdējā dienā?