Antimaterie « Interessant over wetenschap. Precies het tegenovergestelde Antimaterie in ruimtecondities
Bijna alles wat we op aarde en met behulp van kunstmatige satellieten detecteren, is materie. Antimaterie wordt op aarde verkregen met behulp van hoogenergetische versnellers. Zo werden bijvoorbeeld antiprotonen, antideuteron, antihelium en antiatomen verkregen.
Directe observatie van antimaterie met astronomische methoden is onmogelijk, omdat fotonen geproduceerd door de interactie van antimateriedeeltjes met elkaar zijn niet te onderscheiden van fotonen geproduceerd door de interactie van materiedeeltjes. De reden is dat het foton een echt neutraal deeltje is. Materie kan in principe worden onderscheiden van antimaterie door neutrino's ν en antineutrino's te observeren, maar dergelijke waarnemingen zijn momenteel onrealistisch.
Als er in de directe omgeving van de aarde gebieden waren waar antimaterie domineerde, zou dit zich moeten manifesteren in de vorm van annihilatie -quanta, die gevormd worden tijdens de annihilatie van materie en antimaterie. Kosmische straling is een belangrijk argument ten gunste van het overwicht van materie op antimaterie. Het zijn materiedeeltjes - protonen, elektronen, atoomkernen gemaakt van protonen en neutronen.
De vorming van antimateriedeeltjes wordt waargenomen als gevolg van de interactie van hoogenergetische deeltjes van kosmische straling met de atmosfeer van de aarde. Antideeltjes worden gevormd in gebieden met een verhoogde concentratie van energie. De vorming van antideeltjes vindt bijvoorbeeld plaats in de kernen van actieve sterrenstelsels. In dergelijke gevallen verschijnen in de regel antimateriedeeltjes samen met materiedeeltjes. De volgende fase is de vorming en vernietiging van deeltjes materie en antimaterie. Een foton met een energie groter dan 1 MeV kan bijvoorbeeld een elektron-positron-paar vormen in het veld van een atoomkern. Het resulterende positron annihileert bij een ontmoeting met een elektron, waarbij vaker 2 en minder vaak 3 γ-quanta worden gevormd.
Het probleem van het bestaan van antimaterie in het heelal is een fundamenteel natuurkundig probleem, dat verband houdt met het probleem van de vorming en ontwikkeling van het heelal.
Er zijn verschillende hypothesen waarom het waarneembare heelal bijna volledig uit materie bestaat. Zijn er gebieden in het heelal waar antimaterie de boventoon voert? Kan antimaterie worden gebruikt? De reden voor de schijnbare asymmetrie van materie en antimaterie in het zichtbare universum is een van de grootste onopgeloste mysteries in de moderne natuurkunde. Het proces waarbij deze asymmetrie tussen deeltjes en antideeltjes optreedt, wordt baryogenese genoemd.
Tot de jaren vijftig was de heersende opvatting dat het universum dezelfde hoeveelheid materie en antimaterie had. Halverwege de jaren zestig schudde het werk op het gebied van de oerknaltheorie deze mening echter. Inderdaad, als in de eerste momenten van het bestaan van een heet en dicht heelal het aantal deeltjes en antideeltjes hetzelfde was, dan zou hun vernietiging ertoe leiden dat alleen straling in het heelal zou blijven. Op dit moment zijn de meeste natuurkundigen het erover eens dat als gevolg van CP-schending in het heelal, in de eerste momenten van de evolutie van deeltjes, iets meer dan antideeltjes werden gevormd - ongeveer één deeltje per 109 deeltjes-antideeltje-paren. Hierdoor bleef er na de vernietiging een klein aantal deeltjes over.
Een andere mogelijkheid om de dominantie van materie in het "nabije" heelal te verklaren, is door aan te nemen dat antimaterie geconcentreerd is in de verre, slecht onderzochte gebieden van het heelal. In 1979 suggereerde Floyd Stecker dat de asymmetrie van materie en antimaterie spontaan zou kunnen ontstaan in de eerste momenten na de oerknal, toen materie en antimaterie uit elkaar vlogen.
Aangezien elektromagnetische straling op dezelfde manier interageert met zowel materie als antimaterie, zien planeten, sterren en melkwegstelsels gemaakt van materie en antimaterie in elektromagnetische straling er hetzelfde uit. Daarom zijn er andere methoden nodig om naar antimaterie in het heelal te zoeken. Een dergelijke methode is de observatie van antinucleï in de ruimte. Dit zouden anti-kernen moeten zijn met een massagetal A > 4. Als het mogelijk zou zijn om antiheliumkernen nabij de aarde te detecteren, zouden we sterk genoeg bewijs krijgen voor het bestaan van regio's met een hoog gehalte aan antimaterie in het heelal.
Waarom zou men naar antiheliumkernen of zwaardere kernen moeten zoeken om naar antimaterie te zoeken? Het feit is dat antiprotonen kunnen worden gevormd door de interactie van ultrarelativistische protonen of andere kernen van kosmische straling. Het energiespectrum van dergelijke antiprotonen (meestal secundaire genoemd) zou een breed maximum moeten vertonen in de buurt van 2 GeV. Andere bronnen van antiprotonen, die primair worden genoemd, kunnen de vernietiging zijn van hypothetische supersymmetrische deeltjes, waaruit donkere materie zou moeten bestaan - neutralinos en/of de verdamping van "primaire" zwarte gaten. Pair-annihilatie van neutralinos kan leiden tot het ontstaan van quark-antiquark jets, gevolgd door hun hadronisatie en de vorming van antiprotonen. Primordiale zwarte gaten zijn mogelijk gevormd in het vroege heelal. Dergelijke zwarte gaten met een massa van 10 14-15 kunnen vrij intensief deeltjes verdampen (Hawking-straling). De bijdrage van dergelijke primaire antiprotonen aan het geregistreerde energiespectrum kan worden opgespoord in het lage-energiegebied< 1 ГэВ.
De flux van secundaire antiprotonen kan worden geschat, afhankelijk van het geaccepteerde model van de Melkweg. Het bereikt een maximum bij een energie van ~10 GeV. In het bereik van energieën tot enkele honderden GeV is er een hoop informatie te verkrijgen over zowel baryogenese als/of annihilatie van supersymmetrische deeltjes en/of WIMP's door de aard van het spectrum.
De vorming van antideuteronen onder invloed van kosmische straling is veel minder waarschijnlijk. Het spectrum van secundaire antideuteronen moet worden verschoven naar hogere energieën in vergelijking met het spectrum van secundaire antiprotonen en snel afnemen met afnemende energie. Voor oer-antideuteronen geproduceerd door de vernietiging van donkere materiedeeltjes en/of de verdamping van oer-zwarte gaten, wordt het maximum van het spectrum verwacht bij de energie< 1 ГэВ.
Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо
разделены.
De kans op de vorming van antiheliumkernen onder invloed van kosmische straling is verwaarloosbaar klein. Hiervoor moeten inderdaad twee antiprotonen en twee antineutronen op één plaats en bijna gelijktijdig worden gevormd, en hun relatieve snelheden moeten klein zijn. In 1997 schatte Pascal Chardonnet de kans op een dergelijke gebeurtenis. Volgens zijn schattingen kan per 10 15 ultrarelativistische kosmische stralingsprotonen één antiheliumkern worden gevormd. De gemiddelde wachttijd voor zo'n gebeurtenis is 15 miljard jaar, vergelijkbaar met de leeftijd van het heelal.
Als er in het heelal in een vroeg stadium van de evolutie inderdaad gebieden in de ruimte zijn gevormd waarin materie of antimaterie overheerst, dan zouden ze gescheiden moeten worden, want. Op de grens van deze gebieden wordt lichte druk gevormd, die materie en antimaterie scheidt. Annihilatie moet plaatsvinden op de grens tussen de gebieden met materie en antimaterie, en dienovereenkomstig moet annihilatie-gamma-quanta worden uitgezonden. Moderne gammastraling-telescopen detecteren dergelijke straling echter niet. Op basis van de gevoeligheid van de telescopen zijn schattingen gemaakt. Volgens hen kunnen antimateriegebieden niet dichterbij zijn dan 65 miljoen lichtjaar. Er zijn dus geen dergelijke gebieden, niet alleen in onze melkweg, maar ook in onze cluster van melkwegstelsels, die, naast de Melkweg, 50 andere melkwegstelsels omvat.
Registratie van op dergelijke afstanden gevormde antiheliumkernen is een complex probleem. Het is niet zo eenvoudig voor een antiheliumkern om van zo'n grote afstand de detector te bereiken en geregistreerd te worden. In het bijzonder kan het "verstrikt raken" in galactische en intergalactische magnetische velden en dus nooit ver vliegen van de plaats van zijn vorming. Bovendien zal antihelium voortdurend gevaar lopen te worden vernietigd. En tot slot is de detector een niet te groot doelwit om van zo'n gigantische afstand gemakkelijk geraakt te worden. Daarom is de detectie-efficiëntie van antiheliumkernen extreem laag.
Onder de omstandigheden van antihelium "reizen", is er veel onzekerheid, waardoor we de waarschijnlijkheid van het detecteren van kernen niet kunnen inschatten. Er is altijd de mogelijkheid dat als de detector iets gevoeliger zou zijn, de ontdekking zou plaatsvinden.
Het is alleen duidelijk dat de "reis"-tijd van een antinucleus van kleine energie korter kan zijn dan de tijd van bestaan van het heelal. Daarom is het noodzakelijk om op hoogenergetische antinucleï te jagen. Bovendien hebben dergelijke kernen meer kans om de galactische kosmische wind te overwinnen.
Wat betreft positronen en antiprotonen, ze kunnen ook worden uitgezonden door hypothetische gebieden van antimaterie en bijdragen aan de spectra die in de buurt van de aarde worden gemeten. In vergelijking met antiprotonen zijn positronen moeilijker te detecteren. Dit komt door het feit dat de fluxen van protonen, die de achtergrond vormen, 103 groter zijn dan de fluxen van positronen. Signalen van positronen die uit antimateriegebieden komen, kunnen worden "verdronken" in signalen van positronen die het gevolg zijn van andere processen. Ondertussen is de oorsprong van positronen in kosmische straling ook niet volledig bekend. Zijn er primaire positronen in kosmische straling? Is er een verband tussen een overmaat aan antiprotonen en positronen? Om de situatie te verduidelijken, is het noodzakelijk om de spectra van positronen in een breed energiebereik te meten.
De eerste lancering van een instrument voor de studie van kosmische straling in de bovenste atmosfeer met behulp van een ballon werd in 1907 uitgevoerd door Victor Hess. Tot het begin van de jaren vijftig was de studie van kosmische straling de bron van de belangrijkste ontdekkingen in de deeltjesfysica. In dergelijke experimenten zijn sinds 1979 antiprotonen waargenomen (Bogomolov, E.A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), deel 1, blz. 330; Golden, R.L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Ze openden nieuwe mogelijkheden in de studie van antimaterie en donkere materie.In moderne studies van kosmische straling wordt een techniek gebruikt die is ontwikkeld voor experimenten met versnellers.
Tot voor kort werd bijna alle informatie over antideeltjes in kosmische straling verkregen met behulp van detectoren die in ballonnen in de hoge lagen van de atmosfeer werden gelanceerd. Tegelijkertijd ontstond het vermoeden dat er meer antiprotonen zijn dan volgt uit schattingen van de waarschijnlijkheid van hun optreden als gevolg van de interactie van kosmische straling met het interstellaire medium (secundaire antiprotonen). De voorgestelde mechanismen om de "overmatige" antiprotonen te verklaren, gaven verschillende voorspellingen voor de energiespectra van antiprotonen. De korte vliegtijd van de ballon en de aanwezigheid van restanten van de aardatmosfeer beperkten echter de mogelijkheden van dergelijke experimenten. De gegevens hadden een grote onzekerheid en reikten bovendien niet verder dan 20 GeV in energie.
Om antideeltjes te registreren, worden grote ballonnen (tot 3 miljoen kubieke meter) gebruikt, die zware detectoren met een gewicht tot 3 ton kunnen optillen tot een hoogte van ~ 40 km.In de regel zijn ze, net als Montgolfier, aan de onderkant open en verliezen ze helium wanneer de buitentemperatuur daalt. In de meeste gevallen is de duur van de vlucht niet langer dan 24 uur. Bovendien begint de atmosferische temperatuur, na een snelle daling van nul tot 20-25 km, te stijgen en bereikt een maximum op een hoogte van ~40 km, waarna deze weer begint te dalen. Aangezien het volume van de ballon afneemt bij een afname van de buitentemperatuur, kan de maximale opstijghoogte niet hoger zijn dan ~40 km. Op deze hoogte is de atmosfeer nog steeds vrij dicht en de flux van antiprotonen met energieën van enkele tientallen GeV, die worden gevormd tijdens de interactie van primaire kosmische straling met de resterende atmosfeer, overschrijdt de flux van antiprotonen geproduceerd in het galactische medium. Voor hogere energieën van de geregistreerde deeltjes worden de fouten te groot om betrouwbare resultaten te verkrijgen.
Sinds kort worden er langere vluchten (tot 20 dagen) uitgevoerd. Ze gebruiken ook open ballonnen, maar heliumverliezen zijn aanzienlijk verminderd door ballonnen op zeer hoge breedtegraden, nabij de polen, tijdens de pooldag te lanceren. De massa van hun nuttige lading, wanneer ze naar een hoogte van 40 km vliegen, is echter niet groter dan 1 ton.Dit is te klein om antimateriefluxen bij hoge energieën te meten. Voor de uitvoering van superlange vluchten in ballonnen (ongeveer 100 dagen) moeten ook gesloten ballonnen worden gebruikt. Ze zijn dikker en zwaarder, verliezen geen helium en zijn bestand tegen het drukverschil tussen binnen en buiten. Ze kunnen relatief licht gereedschap tillen, minder dan 1 ton.
Rijst. 20.1. Lancering van een ballonsonde met fysieke uitrusting.
Rijst. 20.2. Kosmische stralingsdetector BESS-Polar II. Spectrometer (1) met zonnepanelen (2).
De zoektocht naar antihelium met behulp van spectrometers op ballonnen werd uitgevoerd als onderdeel van het experiment BESS (B alloon gedragen E experiment met S supergeleidend S pectrometer) (Fig. 20.2). Van 1993 tot 2000 werden BESS-spectrometers herhaaldelijk gelanceerd in de bovenste atmosfeer in het noorden van Canada. De duur van de vluchten was ongeveer een dag. De spectrometer werd voortdurend verbeterd en de gevoeligheid nam toe. De totale gevoeligheid voor de helium/antihelium-verhouding die in deze reeks vluchten wordt bereikt, is ~ 6,8 × 10 −7 in het hardheidsbereik van 1-14 GV. In het BESS-TeV-experiment (2001) werd het stijfheidsbereik van de spectrometer verhoogd tot 500 GV en werd een gevoeligheid van 1,4 × 10 −4 bereikt. Om de statistieken in 2004-2008 te verhogen. meerdaagse vluchten van verbeterde spectrometers (0,6-20 GV) werden uitgevoerd in Antarctica. In 2004-2005 werd tijdens de BESS-Polar I vlucht, die 8,5 dagen duurde, een gevoeligheid van 8×10 −6 bereikt. In 2007-2008 Tijdens de vlucht BESS-Polar II (meetduur 24,5 dagen) werd een gevoeligheid van 9,8 × 10 −8 bereikt. De totale gevoeligheid, rekening houdend met alle BESS-vluchten, bereikte 6,7×10 −8 . Er werd geen enkele antiheliumkern gevonden.
De magnetische spectrometer die in de BESS-Polar II-vlucht wordt gebruikt, bestaat uit een supergeleidende ultradunwandige magneet, een centrale tracker (JET/IDC), een time-of-flight hodoscoop (TOF) en een Cherenkov-detector (Fig. 20.3 ).
Rijst. 20.3. Doorsnede van de BESS-Polar II-experimentspectrometer.
De time-of-flight hodoscoop maakt het mogelijk om snelheid (β) en energieverliezen (dE/dx) te meten. Het bestaat uit bovenste en onderste plastic scintillatietellers, samengesteld uit 10 en 12 scintillatiestrips (100×950×10 mm). De tijdresolutie van het time-of-flight-systeem is ~70 ps. Daarnaast is er een derde scintillatieteller (Middle-TOF), die zich in de solenoïde bevindt en bestaat uit 64 plastic scintillatorstaven. Hiermee kunt u de energiedrempel van registratie verlagen, vanwege deeltjes die niet door de onderkant van de solenoïde kunnen vliegen.
Driftkamers bevinden zich in een uniform magnetisch veld. Met behulp van 28 punten, elk met een nauwkeurigheid van 200 m, wordt de kromming van de baan van een deeltje dat de spectrometer binnenkomt berekend, wat het mogelijk maakt om de magnetische stijfheid R = pc/Ze en het teken van de lading te bepalen.
De airhelium Cherenkov-teller maakt het mogelijk om signalen van antiprotonen en antideuteronen te scheiden van de achtergrond e-/μ-.
Rijst. 20.4. Identificatie van deeltjes in de BESS-opstelling.
Identificatie van deeltjes wordt uitgevoerd door massa (Fig. 20.4), die gerelateerd is aan de stijfheid R, deeltjessnelheid β en energieverlies dE/dx gemeten met behulp van time-of-flight tellers en driftkamers door de verhouding
Hiervoor worden de overeenkomstige gebieden geselecteerd op de tweedimensionale verdelingen dE/dx – |R| en a-1-R.
Antiprotonstralingsgordel van de aarde
De PAMELA-samenwerking ontdekte een stralingsgordel rond de aarde in de regio van de Zuid-Atlantische Anomalie. De spectra van antiprotonen en protonen werden direct in de stralingsgordel en buiten de stralingsgordel gemeten (Fig. 20.5, 20.6).
Het is aangetoond dat de antiprotonen, die werden geregistreerd door de detectorinstallaties op ballonnen en satellieten, van secundaire oorsprong zijn. Ze worden gevormd als gevolg van de interactie van galactische kosmische straling met interstellaire materie of de atmosfeer in de reactie pp → ppp. Een veel grotere bijdrage wordt echter geleverd door het verval van albedo-antineutronen (antineutronen waarvan de flux van de aarde af is gericht), die ontstaan bij de reactie
pp → ppn .
Deze antineutronen gaan door het aardmagnetische veld en vervallen en vormen antiprotonen → + e + + ν e . Sommige van de gegenereerde antiprotonen kunnen worden opgevangen door de magnetosfeer en vormen de antiprotonstralingsgordel. Net zoals de belangrijkste bron van de protonenstralingsgordel het albedoverval van neutronen is, leidt het verval van antineutronen tot de vorming van een antiprotonengordel.
Uit de experimentele gegevens volgt dat de dichtheid van antiprotonen in de stralingsgordel 3-4 ordes van grootte groter is dan de dichtheid van antiprotonen buiten de stralingsgordel. De vorm van het spectrum van antiprotonen dat direct wordt gevormd als gevolg van de interactie van galactische kosmische straling valt praktisch samen met de vorm van het spectrum van antiprotonen buiten de antiprotonstralingsgordel.
Het probleem van het detecteren van antimaterie in het heelal is nog lang niet opgelost. Een actieve zoektocht naar antimaterie is voorzien in de programma's van ruimtetelescopen door Fermi et al.
Onlangs hebben leden van de ALICE-samenwerking bij CERN de massa's van antimateriekernen met recordnauwkeurigheid gemeten en zelfs de energie geschat die antiprotonen bindt aan antineutronen daarin. Tot nu toe is er geen significant verschil gevonden tussen deze parameters in materie en antimaterie, maar dat is niet het belangrijkste. Het is belangrijk dat juist nu, de laatste jaren, niet alleen antideeltjes, maar ook antinucleï en zelfs antiatomen beschikbaar komen voor metingen en waarnemingen. Het is dus tijd om erachter te komen wat antimaterie is en welke plaats het onderzoek ervan inneemt in de moderne natuurkunde.
Laten we proberen enkele van uw eerste antimaterievragen te raden.
Klopt het dat antimaterie kan worden gebruikt om een superkrachtige bom te maken? En wat, bij CERN accumuleren ze eigenlijk antimaterie, zoals te zien is in de film Angels and Demons, en dat het erg gevaarlijk is? Is het waar dat antimaterie een uitzonderlijk efficiënte brandstof zal zijn voor ruimtereizen? Is er enige waarheid in het idee van een positronisch brein, dat Isaac Asimov robots in zijn werken schonk?...
Het is geen geheim dat voor de meesten antimaterie wordt geassocieerd met iets extreem (explosief) gevaarlijk, met iets verdachts, met iets dat de verbeelding prikkelt met fantastische beloften en enorme risico's - vandaar dergelijke vragen. We geven toe: de wetten van de fysica verbieden dit alles niet direct. De implementatie van deze ideeën staat echter zo ver van de realiteit, van de moderne technologieën en van de technologieën van de komende decennia, dat het pragmatische antwoord eenvoudig is: nee, voor de moderne wereld is dit niet waar. Een gesprek over deze onderwerpen is slechts fantasie, niet gebaseerd op echte wetenschappelijke en technische prestaties, maar op hun extrapolatie tot ver buiten de grenzen van de moderne mogelijkheden. Als je serieus over deze onderwerpen wilt praten, kom dan dichter bij het jaar 2100. Laten we het in de tussentijd hebben over echt wetenschappelijk onderzoek naar antimaterie.
Wat is antimaterie?
Onze wereld is zo gerangschikt dat voor elk soort deeltjes - elektronen, protonen, neutronen, enz. - er zijn antideeltjes (positronen, antiprotonen, antineutronen). Ze hebben dezelfde massa en, indien onstabiel, dezelfde halfwaardetijd, maar tegengestelde ladingen en verschillende interactiegetallen. Positronen hebben dezelfde massa als elektronen, maar alleen een positieve lading. Antiprotonen hebben een negatieve lading. Antineutronen zijn elektrisch neutraal zoals neutronen, maar hebben het tegenovergestelde baryongetal en zijn samengesteld uit antiquarks. Antinucleus kan worden samengesteld uit antiprotonen en antineutronen. Door positronen toe te voegen, creëren we anti-atomen, en door ze te accumuleren, krijgen we antimaterie. Dit is allemaal antimaterie.
En hier zijn meteen verschillende merkwaardige subtiliteiten die het vermelden waard zijn. Allereerst is het bestaan van antideeltjes een grote triomf van de theoretische fysica. Dit niet voor de hand liggende en voor sommigen zelfs schokkende idee werd theoretisch afgeleid door Paul Dirac en werd aanvankelijk met vijandigheid opgevat. Bovendien twijfelden velen, zelfs na de ontdekking van positronen, aan het bestaan van antiprotonen. Ten eerste, zeiden ze, kwam Dirac met zijn theorie om het elektron te beschrijven, en het is niet zeker of het voor het proton zal werken. Zo wijkt het magnetische moment van het proton meerdere malen af van de voorspelling van de theorie van Dirac. Ten tweede werd er lange tijd gezocht naar sporen van antiprotonen in kosmische straling, maar er werd niets gevonden. Ten derde beweerden ze - letterlijk onze woorden herhalend - dat als er anti-protonen zijn, er ook anti-atomen, anti-sterren en anti-melkwegstelsels moeten zijn, en we zouden ze zeker opmerken door grootse kosmische explosies. Aangezien we dit niet zien, komt dat waarschijnlijk omdat antimaterie niet bestaat. Daarom was de experimentele ontdekking van het antiproton in 1955 bij de nieuw gelanceerde Bevatron-versneller een nogal niet-triviaal resultaat, bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1959. In 1956 werd bij dezelfde versneller ook het antineutron ontdekt. Het verhaal van deze zoektochten, twijfels en verworvenheden is terug te vinden in tal van historische essays, bijvoorbeeld in dit rapport of in het recente boek Antimatter van Frank Close.
Het moet echter apart worden gezegd dat een gezonde twijfel in puur theoretische uitspraken altijd nuttig is. De bewering dat antideeltjes dezelfde massa hebben als deeltjes is bijvoorbeeld ook een theoretisch resultaat, volgt uit de zeer belangrijke CPT-stelling. Ja, de moderne fysica van de microwereld, herhaaldelijk getest door ervaring, is gebaseerd op deze verklaring. Maar toch, dit is gelijkheid: wie weet, misschien vinden we op deze manier de grenzen van de toepasbaarheid van de theorie.
Een ander kenmerk: niet alle krachten van de microwereld zijn even gerelateerd aan deeltjes en antideeltjes. Voor elektromagnetische en sterke interacties is er geen verschil tussen hen, voor zwakke wel. Hierdoor verschillen enkele subtiele details van de interacties van deeltjes en antideeltjes, bijvoorbeeld de waarschijnlijkheid van het verval van deeltje A in een set deeltjes B en anti-A in een set van anti-B (voor een beetje meer detail over de verschillen, zie de selectie van Pavel Pakhov). Dit kenmerk ontstaat omdat zwakke interacties de CP-symmetrie van onze wereld doorbreken. Maar waarom dit gebeurt, is een van de mysteries van elementaire deeltjes, en het vereist dat we verder gaan dan het bekende.
En hier is nog een subtiliteit: sommige deeltjes hebben zo weinig eigenschappen dat antideeltjes en deeltjes helemaal niet van elkaar verschillen. Dergelijke deeltjes worden echt neutraal genoemd. Dit is een foton, Higgs-deeltje, neutrale mesonen, bestaande uit quarks en antiquarks van dezelfde soort. Maar de situatie met neutrino's is nog steeds onduidelijk: misschien zijn ze echt neutraal (Majorana), of misschien niet. Dit is van groot belang voor de theorie die de massa's en interacties van neutrino's beschrijft. Het antwoord op deze vraag zal echt een grote stap voorwaarts zijn, omdat het helpt om met de structuur van onze wereld om te gaan. Het experiment heeft daar tot nu toe niets eenduidig over gezegd. Maar het experimentele programma voor neutrino-onderzoek is zo krachtig, er zijn zoveel experimenten dat natuurkundigen stilaan de oplossing naderen.
Waar is zij, deze antimaterie?
Wanneer een antideeltje zijn deeltje ontmoet, annihileert het: beide deeltjes verdwijnen en veranderen in een reeks fotonen of lichtere deeltjes. Alle rustenergie wordt omgezet in de energie van deze micro-explosie. Dit is de meest efficiënte omzetting van massa in thermische energie, honderden keren efficiënter dan een nucleaire explosie. Maar we zien geen grandioze natuurlijke explosies om ons heen; Antimaterie bestaat niet in noemenswaardige hoeveelheden in de natuur. Individuele antideeltjes kunnen echter heel goed in verschillende natuurlijke processen worden geboren.
De eenvoudigste manier is om positronen te produceren. De eenvoudigste optie is radioactiviteit, het verval van sommige kernen als gevolg van positieve bètaradioactiviteit. Zo gebruiken experimenten vaak de natrium-22 isotoop met een halfwaardetijd van twee en een half jaar als bron van positronen. Een andere nogal onverwachte natuurlijke bron is waarbij soms flitsen van gammastraling van positron-annihilatie worden gedetecteerd, wat betekent dat positronen daar op de een of andere manier zijn geboren.
Het is moeilijker om antiprotonen en andere antideeltjes te maken: de energie van radioactief verval is hiervoor niet voldoende. In de natuur worden ze geboren onder de werking van hoogenergetische kosmische straling: een kosmisch proton, dat botst met een molecuul in de bovenste atmosfeer, genereert deeltjes- en antideeltjesstromen. Dit gebeurt echter daarboven, antiprotonen bereiken de aarde bijna niet (wat degenen die in de jaren 40 naar antiprotonen in kosmische straling zochten niet wisten), en je kunt deze bron van antiprotonen niet naar het laboratorium brengen.
In alle fysieke experimenten produceren antiprotonen "brute kracht": ze nemen een straal van hoogenergetische protonen, sturen deze naar een doelwit en sorteren de "hadronklompen" die in grote hoeveelheden bij deze botsing worden geboren. Gesorteerde antiprotonen worden afgegeven in de vorm van een straal, en dan worden ze ofwel versneld tot hoge energieën om met protonen te botsen (zo werkte bijvoorbeeld de Amerikaanse Tevatron-botser), of omgekeerd worden ze afgeremd en gebruikt voor fijnere metingen.
CERN, dat terecht trots kan zijn op zijn lange geschiedenis van antimaterie-onderzoek, heeft een speciale AD "versneller", de "Antiproton Moderator", die precies dat doet. Hij neemt een bundel antiprotonen, koelt ze af (dwz vertraagt ze), en verdeelt dan de stroom langzame antiprotonen over verschillende speciale experimenten. Trouwens, als je in realtime naar de staat van AD wilt kijken, dan staan de online monitoren van Cern dit toe.
Het synthetiseren van anti-atomen, zelfs de eenvoudigste, anti-waterstofatomen, is al behoorlijk moeilijk. In de natuur komen ze helemaal niet voor - er zijn geen geschikte omstandigheden. Zelfs in het laboratorium moeten veel technische problemen worden overwonnen voordat antiprotonen zich verwaardigen om te combineren met positronen. Het probleem is dat de antiprotonen en positronen die door de bronnen worden uitgestoten nog te heet zijn; ze zullen gewoon met elkaar in botsing komen en uit elkaar vliegen, in plaats van te worden gevormd door een antiatoom. Natuurkundigen overwinnen deze moeilijkheden nog steeds, maar met nogal sluwe methoden (zoals wordt gedaan in een van de ASACUSA CERN-experimenten).
Wat is er bekend over de antinucleus?
Alle anti-nucleaire prestaties van de mensheid hebben alleen betrekking op anti-waterstof. Antiatomen van andere elementen zijn nog niet in het laboratorium gesynthetiseerd en zijn niet in de natuur waargenomen. De reden is simpel: het is nog moeilijker om antinucleï te maken dan antiprotonen.
De enige manier waarop we weten hoe we antinucleï kunnen maken, is door zware hoogenergetische kernen te duwen en te kijken wat er gebeurt. Als de botsingsenergie hoog is, zullen er duizenden deeltjes in worden geboren en zich in alle richtingen verspreiden, inclusief antiprotonen en antineutronen. Antiprotonen en antineutronen, willekeurig in dezelfde richting uitgeworpen, kunnen met elkaar combineren om een antinucleus te vormen.
De ALICE-detector kan onderscheid maken tussen verschillende kernen en antinucleï in termen van energieafgifte en draairichting in een magnetisch veld.
Afbeelding: CERN
De methode is eenvoudig, maar niet te inefficiënt: de kans om op deze manier een kern te versmelten neemt sterk af naarmate het aantal nucleonen toeneemt. De lichtste antinucleï, antideuteronen, werden precies een halve eeuw geleden voor het eerst waargenomen. Antihelium-3 werd gezien in 1971. Antitriton en antihelium-4 zijn ook bekend, en de laatste werd vrij recent ontdekt, in 2011. Zwaardere antinucleï zijn nog niet waargenomen.
Twee parameters die nucleon-nucleon interacties beschrijven (verstrooiingslengte f0 en effectieve straal d0) voor verschillende paren deeltjes. De rode asterisk is het resultaat voor een paar antiprotonen verkregen door de STAR-samenwerking.
Helaas kun je op deze manier geen anti-atomen maken. Antinuclei worden niet alleen zelden geboren, ze hebben ook te veel energie en vliegen alle kanten op. Het is niet realistisch om te proberen ze bij de collider te vangen, om ze vervolgens via een speciaal kanaal weg te voeren en af te koelen.
Soms is het echter voldoende om de antinucleaire kernen tijdens de vlucht zorgvuldig te volgen om interessante informatie te krijgen over de antinucleaire krachten die tussen de antinucleonen werken. Het eenvoudigste is om zorgvuldig de massa van de antinuclei te meten, deze te vergelijken met de som van de massa's van de antiprotonen en antineutronen, en het massadefect te berekenen, d.w.z. de bindingsenergie van de kern. Het werkt sinds kort bij de Large Hadron Collider; de bindingsenergie voor antideuteron en antihelium-3 viel binnen de fout samen met gewone kernen.
Een ander, subtieler effect werd bestudeerd door het STAR-experiment bij de Amerikaanse Heavy Ion Collider RHIC. Hij mat de hoekverdeling van geproduceerde antiprotonen en ontdekte hoe deze verandert wanneer twee antiprotonen in een zeer nabije richting vliegen. Correlaties tussen antiprotonen maakten het voor het eerst mogelijk om de eigenschappen van de "antinucleaire" krachten die ertussen werken te meten (verstrooiingslengte en effectieve interactieradius); ze vielen samen met wat bekend is over de interactie van protonen.
Is er antimaterie in de ruimte?
Toen Paul Dirac het bestaan van positronen uit zijn theorie afleidde, ging hij er volledig van uit dat er ergens in de ruimte echte anti-werelden zouden kunnen bestaan. Nu weten we dat er geen sterren, planeten, sterrenstelsels van antimaterie zijn in het zichtbare deel van het heelal. Het punt is niet eens dat de vernietigingsexplosies niet zichtbaar zijn; het is gewoon onvoorstelbaar hoe ze zich zelfs kunnen vormen en tot op de dag van vandaag kunnen overleven in een constant evoluerend universum.
Maar de vraag "hoe is het gebeurd" is een ander groot mysterie van de moderne natuurkunde; in wetenschappelijke taal wordt dit het probleem van baryogenese genoemd. Volgens het kosmologische beeld van de wereld waren in het vroegste universum van deeltjes en antideeltjes gelijk verdeeld. Toen, als gevolg van de schending van CP-symmetrie en het baryongetal, zou er een kleine, op het niveau van een miljardste, overmaat aan materie ten opzichte van antimaterie moeten zijn verschenen in het zich dynamisch ontwikkelende heelal. Toen het universum afkoelde, vernietigden alle antideeltjes met deeltjes, alleen deze overmaat aan materie overleefde, wat aanleiding gaf tot het universum dat we waarnemen. Het is door hem dat er in ieder geval iets interessants in blijft zitten, het is dankzij hem dat we over het algemeen bestaan. Hoe deze asymmetrie precies is ontstaan, is niet bekend. Er zijn veel theorieën, maar welke de juiste is, is onbekend. Het is alleen duidelijk dat het beslist een soort Nieuwe Fysica moet zijn, een theorie die verder gaat dan het standaardmodel, voorbij de grenzen van experimenteel geverifieerde.
Drie opties voor waar antideeltjes vandaan kunnen komen in hoogenergetische kosmische straling: 1 - ze kunnen eenvoudig verschijnen en versnellen in een "kosmische versneller", bijvoorbeeld in een pulsar; 2 - ze kunnen worden geboren tijdens botsingen van gewone kosmische straling met atomen van het interstellaire medium; 3 - ze kunnen optreden tijdens het verval van zware deeltjes donkere materie.
Hoewel er geen planeten en sterren zijn gemaakt van antimaterie, is er nog steeds antimaterie in de ruimte. Fluxen van positronen en antiprotonen van verschillende energieën worden geregistreerd door satelliet-kosmische stralingsobservatoria, zoals PAMELA, Fermi, AMS-02. Het feit dat positronen en antiprotonen vanuit de ruimte naar ons toe komen, betekent dat ze ergens worden geboren. Hoogenergetische processen die ze kunnen veroorzaken zijn in principe bekend: dit zijn sterk gemagnetiseerde buurten van neutronensterren, verschillende explosies, versnelling van kosmische straling aan schokgolffronten in het interstellaire medium, enzovoort. De vraag is of ze alle waargenomen eigenschappen van de stroom van kosmische antideeltjes kunnen verklaren. Als blijkt dat ze dat niet zijn, is dat een bewijs voor het feit dat sommige ervan ontstaan tijdens het verval of de vernietiging van donkere materiedeeltjes.
Ook hier is er een mysterie. In 2008 ontdekte het PAMELA-observatorium een verdacht groot aantal hoogenergetische positronen in vergelijking met wat theoretische simulaties voorspelden. Dit resultaat werd onlangs bevestigd door de AMS-02-installatie - een van de modules van het internationale ruimtestation en in het algemeen de grootste elementaire deeltjesdetector die in de ruimte is gelanceerd (en geassembleerd raad eens waar? - toch, bij CERN). Deze overdaad aan positronen prikkelt de geest van theoretici - het zijn tenslotte misschien niet 'saaie' astrofysische objecten die ervoor verantwoordelijk zijn, maar zware deeltjes donkere materie die vervallen of vernietigen in elektronen en positronen. Er is nog geen duidelijkheid, maar de AMS-02-faciliteit, evenals vele kritische natuurkundigen, bestuderen dit fenomeen zeer zorgvuldig.
De verhouding van antiprotonen tot protonen in kosmische stralen van verschillende energieën. Punten - experimentele gegevens, veelkleurige curven - astrofysische verwachtingen met verschillende fouten.
Afbeelding: Cornell University Library
De situatie met antiprotonen is ook onduidelijk. In april van dit jaar presenteerde AMS-02 op een speciale wetenschappelijke conferentie de voorlopige resultaten van een nieuwe onderzoekscyclus. Het belangrijkste hoogtepunt van het rapport was de bewering dat AMS-02 te veel hoogenergetische antiprotonen ziet - en dit kan ook een hint zijn naar het verval van donkere materiedeeltjes. Andere natuurkundigen zijn het echter niet eens met zo'n krachtige conclusie. Er wordt nu aangenomen dat de AMS-02 antiprotongegevens, met enige rek, ook kunnen worden verklaard door conventionele astrofysische bronnen. Op de een of andere manier kijkt iedereen uit naar nieuwe AMS-02 positron- en antiprotongegevens.
AMS-02 heeft al miljoenen positronen en een kwart miljoen antiprotonen geregistreerd. Maar de makers van deze installatie hebben een heldere droom - om ten minste één anti-kernel te vangen. Dit zal een echte sensatie zijn - het is absoluut ongelooflijk dat antinucleï ergens in de ruimte zou worden geboren en naar ons zou vliegen. Tot nu toe is een dergelijk geval niet gevonden, maar de gegevensverzameling gaat door, en wie weet wat voor verrassingen de natuur ons aan het voorbereiden is.
Antimaterie - antizwaartekracht? Hoe voelt ze de zwaartekracht?
Als we alleen vertrouwen op experimenteel bewezen fysica en niet ingaan op exotische, nog niet bevestigde theorieën, dan zou de zwaartekracht op dezelfde manier op antimaterie moeten werken als op materie. Er wordt geen anti-zwaartekracht voor antimaterie verwacht. Als we onszelf toestaan iets verder te kijken, voorbij het bekende, dan zijn puur theoretisch mogelijke opties wanneer er, naast de gebruikelijke universele zwaartekracht, nog iets is dat anders werkt op materie en antimaterie. Hoe illusoir deze mogelijkheid ook lijkt, ze moet experimenteel worden geverifieerd, en hiervoor is het noodzakelijk om experimenten uit te voeren om te testen hoe antimaterie de zwaartekracht van de aarde voelt.
Lange tijd kon dit niet echt worden gedaan om de eenvoudige reden dat het hiervoor nodig is om individuele atomen van antimaterie te creëren, ze te vangen en er experimenten mee uit te voeren. Nu hebben ze geleerd hoe het moet, dus de langverwachte test staat voor de deur.
Hoofdleverancier van de resultaten is datzelfde CERN met zijn uitgebreide programma voor de studie van antimaterie. Sommige van deze experimenten hebben al indirect geverifieerd dat de zwaartekracht van antimaterie in orde is. Zo ontdekte hij dat de (traagheids)massa van het antiproton zeer nauwkeurig samenvalt met de massa van het proton. Als de zwaartekracht anders had gehandeld op antiprotonen, zouden natuurkundigen het verschil hebben opgemerkt - de vergelijking is immers gemaakt in dezelfde opstelling en onder dezelfde omstandigheden. Het resultaat van dit experiment: het effect van zwaartekracht op antiprotonen valt samen met het effect op protonen met een nauwkeurigheid van beter dan een miljoenste.
Deze meting is echter indirect. Voor meer overtuigingskracht zou ik een direct experiment willen doen: neem een paar atomen antimaterie, laat ze vallen en kijk hoe ze in het zwaartekrachtsveld vallen. Ook bij CERN worden dergelijke experimenten uitgevoerd of voorbereid. De eerste poging was niet erg indrukwekkend. In 2013 probeerde het ALPHA-experiment - dat toen al had geleerd hoe een wolk antiwaterstof in zijn val te houden - te bepalen waar de anti-atomen zouden vallen als de val zou worden uitgeschakeld. Helaas was het vanwege de lage gevoeligheid van het experiment niet mogelijk om een eenduidig antwoord te krijgen: er was te weinig tijd verstreken, anti-atomen renden heen en weer in de val, en hier en daar vonden vernietigingsflitsen plaats.
De situatie wordt beloofd radicaal te verbeteren door twee andere Cern-experimenten: GBAR en AEGIS. Beide experimenten zullen op verschillende manieren worden getest, hoe een wolk van superkoude antiwaterstof in het zwaartekrachtveld valt. Hun verwachte nauwkeurigheid bij het meten van de zwaartekrachtversnelling van antimaterie is ongeveer 1%. Beide faciliteiten worden momenteel geassembleerd en gedebugd, en het belangrijkste onderzoek zal in 2017 beginnen, wanneer de AD-antiprotonmoderator zal worden aangevuld met een nieuwe ELENA-opslagring.
Varianten van positronengedrag in vaste materie.
Afbeelding: nature.com
Wat gebeurt er als een positron materie raakt?
Vorming van moleculair positonium op een kwartsoppervlak.
Afbeelding: Clifford M. Surko / Atoomfysica: Een vleugje antimateriesoep
Als je tot nu toe hebt gelezen, weet je al heel goed dat zodra een antimateriedeeltje gewone materie binnendringt, er annihilatie plaatsvindt: deeltjes en antideeltjes verdwijnen en veranderen in straling. Maar hoe snel gaat het? Laten we ons een positron voorstellen dat uit een vacuüm kwam en een vaste stof binnenging. Zal het vernietigen bij contact met het eerste atoom? Niet noodzakelijk! De vernietiging van een elektron en een positron is geen onmiddellijk proces; het vereist een lange tijd op atomaire schaal. Daarom heeft het positron de tijd om in de materie een helder en vol leven te leven met niet-triviale gebeurtenissen.
Ten eerste kan een positron een weeselektron oppikken en een gebonden toestand vormen, positronium (Ps). Met de juiste spinoriëntatie kan positronium tientallen nanoseconden leven voordat het vernietigd wordt. Omdat het in een continue substantie is, zal het de tijd hebben om gedurende deze tijd miljoenen keren met atomen te botsen, omdat de thermische snelheid van positronium bij kamertemperatuur ongeveer 25 km / s is.
Ten tweede kan positronium, terwijl het in een stof ronddrijft, naar de oppervlakte komen en daar blijven plakken - dit is een positron (of liever, positronium) analoog van de adsorptie van atomen. Bij kamertemperatuur zit hij niet op één plek, maar reist hij actief over het oppervlak. En als dit geen buitenoppervlak is, maar een porie ter grootte van een nanometer, dan zit er lange tijd positronium in.
Verder. In het standaardmateriaal voor dergelijke experimenten, poreus kwarts, zijn de poriën niet geïsoleerd, maar verenigd door nanokanalen tot een gemeenschappelijk netwerk. Warm positronium, dat over het oppervlak kruipt, heeft tijd om honderden poriën te onderzoeken. En aangezien bij dergelijke experimenten veel positronium wordt gevormd en ze bijna allemaal de poriën in kruipen, komen ze vroeg of laat op elkaar af en vormen, in wisselwerking, soms echte moleculen - moleculair positronium, Ps 2. Verder is het al mogelijk om te bestuderen hoe het positroniumgas zich gedraagt, welke aangeslagen toestanden het positronium heeft, enz. En denk niet dat dit puur theoretisch redeneren is; Alle genoemde effecten zijn al geverifieerd en experimenteel onderzocht.
Heeft antimaterie praktische toepassingen?
Natuurlijk. Over het algemeen zal elk fysiek proces, als het een bepaald nieuw facet van onze wereld voor ons opent en geen extra kosten vereist, zeker praktische toepassingen vinden. Bovendien dergelijke toepassingen die we zelf niet hadden geraden als we de wetenschappelijke kant van dit fenomeen niet van tevoren hadden ontdekt en bestudeerd.
De bekendste toepassing van antideeltjes is PET, positron emissie tomografie. Over het algemeen heeft de kernfysica een indrukwekkende staat van dienst op het gebied van medische toepassingen, en ook hier hebben antideeltjes niet stil gestaan. Bij PET wordt een kleine dosis van een geneesmiddel dat een onstabiele isotoop bevat met een korte levensduur (minuten en uren) en die vervalt door positief bètaverval, in het lichaam van de patiënt geïnjecteerd. Het medicijn hoopt zich op in de juiste weefsels, de kernen vervallen en zenden positronen uit, die in de buurt vernietigen en twee gammaquanta van een bepaalde energie afgeven. De detector registreert ze, bepaalt de richting en het tijdstip van aankomst en herstelt de plaats waar het verval plaatsvond. Op deze manier is het mogelijk om een driedimensionale kaart van de verdeling van materie te construeren met een hoge ruimtelijke resolutie en met een minimale stralingsdosis.
Positronen kunnen ook worden gebruikt in de materiaalkunde, bijvoorbeeld om de porositeit van een stof te meten. Als de materie continu is, annihileren de positronen die op voldoende diepte in de materie vastzitten vrij snel en zenden ze gammaquanta uit. Als er nanoporiën in de stof zitten, wordt de vernietiging vertraagd omdat het positronium aan het oppervlak van de porie plakt. Door deze vertraging te meten, kan men de mate van nanoporositeit van een stof achterhalen door een contactloze en niet-destructieve methode. Ter illustratie van deze techniek is er recent werk over hoe nanoporiën verschijnen en samentrekken in de dunste ijslaag wanneer stoom op het oppervlak wordt afgezet. Een vergelijkbare benadering werkt ook bij de studie van structurele defecten in halfgeleiderkristallen, zoals vacatures en dislocaties, en maakt het mogelijk om de structurele vermoeidheid van een materiaal te meten.
Ook voor antiprotonen kunnen medische toepassingen worden gevonden. Nu wordt op hetzelfde CERN het ACE-experiment uitgevoerd, dat het effect van de antiprotonenbundel op levende cellen bestudeert. Het doel is om de vooruitzichten voor het gebruik van antiprotonen voor de behandeling van kankertumoren te bestuderen.
Energieafgifte van een ionenbundel en röntgenstraling bij het passeren van een stof.
Afbeelding: Johannes Gutleber/CERN
Dit idee kan de lezer uit gewoonte angst aanjagen: hoe wel, met een antiprotonstraal - en voor een levend persoon?! Ja, en het is veel veiliger dan röntgenfoto's van een diepe tumor! Een antiprotonstraal van speciaal geselecteerde energie wordt een effectief hulpmiddel in de handen van de chirurg, met behulp waarvan het mogelijk is om tumoren diep in het lichaam uit te branden en de impact op de omliggende weefsels te minimaliseren. In tegenstelling tot röntgenstralen, die alles verbranden wat onder de straal komt, geven zwaar geladen deeltjes op hun weg door de materie het grootste deel van de energie vrij in de laatste centimeters voordat ze stoppen. Door de energie van de deeltjes af te stemmen, kan men de diepte waarop de deeltjes stoppen variëren; het is op dit gebied ter grootte van millimeters dat het belangrijkste stralingseffect zal vallen.
Dergelijke protonenbestraling wordt al lang in veel goed uitgeruste klinieken over de hele wereld gebruikt. Onlangs zijn sommigen van hen overgestapt op ionentherapie, die een straal van geen protonen, maar koolstofionen gebruikt. Voor hen is het energieafgifteprofiel nog contrastrijker, wat betekent dat de effectiviteit van het paar "therapeutisch effect versus bijwerkingen" toeneemt. Maar er is al lang voorgesteld om ook voor dit doel antiprotonen te proberen. Immers, wanneer ze in de stof komen, geven ze niet alleen hun kinetische energie op, maar vernietigen ze ook na het stoppen - en dit verhoogt de energieafgifte meerdere keren. Waar deze extra energieafgifte wordt afgezet, is een complexe kwestie en moet zorgvuldig worden bestudeerd voordat klinische proeven worden gestart.
Dit is precies wat het ACE-experiment doet. Daarbij laten de onderzoekers een straal antiprotonen door een cuvet met een bacteriecultuur en meten hun overleving afhankelijk van de locatie, de parameters van de straal en de fysieke kenmerken van de omgeving. Deze methodische en misschien saaie verzameling technische gegevens is een belangrijk startpunt voor elke nieuwe technologie.
Igor Ivanov
Antimaterie is materie die bestaat uit antideeltjes, dat wil zeggen deeltjes met precies dezelfde, maar omgekeerde betekenis en eigenschappen van die deeltjes, waarvan ze tegenpolen zijn. Elk deeltje heeft zijn eigen spiegelkopie - een antideeltje. De antideeltjes van het proton, neutron en worden respectievelijk antiproton, antineutron en positron genoemd. Protonen en neutronen zijn op hun beurt weer opgebouwd uit nog kleinere deeltjes die quarks worden genoemd. Antiprotonen en antineutronen zijn opgebouwd uit antiquarks.
Antideeltjes dragen een vergelijkbare maar tegengestelde lading als hun tegenhangers in gewone materie, maar hebben dezelfde massa en zijn in alle andere opzichten vergelijkbaar. Zoals wetenschappers suggereren, kunnen er hele sterrenstelsels zijn gemaakt van antimaterie. Er is ook een mening dat er misschien zelfs meer antimaterie in het heelal is dan gewone materie. Maar het is onmogelijk om antimaterie te zien, net als de objecten van de gewone wereld om ons heen. Het is niet zichtbaar voor het menselijk oog.
De meeste astronomen zijn het er nog steeds over eens dat er nog steeds niet zoveel of geen antimaterie in de natuur is, anders zouden er, zoals ze beweren, veel plaatsen in het heelal zijn waar gewone materie en antimaterie met elkaar botsen, wat gepaard zou gaan met een krachtige stroom van gamma stralen veroorzaakt door hun vernietiging. Annihilatie is de wederzijdse vernietiging van deeltjes materie en antimaterie, vergezeld van het vrijkomen van energie. Dergelijke regio's werden echter niet gevonden.
Een van de mogelijke hypothesen voor de oorsprong van antimaterie houdt verband met de oerknaltheorie. Deze theorie beweert dat die van ons allemaal zijn ontstaan als gevolg van de uitbreiding van een bepaald punt in de ruimte. Na de explosie ontstond een gelijke hoeveelheid materie en antimaterie. Onmiddellijk begon het proces van hun wederzijdse vernietiging. Om de een of andere reden was er echter iets meer materie, waardoor het heelal zich kon vormen in de vorm die we gewend zijn.
Vanwege het gebrek aan het vermogen om de eigenschappen van antimaterie te bestuderen, nemen wetenschappers hun toevlucht tot kunstmatige methoden voor de vorming van antimaterie. Om het te verkrijgen, worden speciale wetenschappelijke apparaten gebruikt - deeltjesversnellers, waarin de atomen van materie worden versneld tot ongeveer de snelheid van het licht (300.000 km / s). Als ze botsen, worden sommige deeltjes vernietigd, wat resulteert in de vorming van antideeltjes, waaruit antimaterie kan worden verkregen. Een moeilijk probleem is de opslag van antimaterie, aangezien antimaterie in contact met gewone materie wordt vernietigd. Om dit te doen, worden de resulterende deeltjes antimaterie in een vacuüm geplaatst en erin, waardoor ze in het ongewisse blijven en ze de wanden van de opslag niet kunnen raken.
Ondanks de complexiteit van het verkrijgen en bestuderen van antimaterie, kan het veel voordelen bieden voor ons leven. Ze zijn allemaal gebaseerd op het feit dat wanneer antimaterie interageert met materie, er een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Bovendien wordt de verhouding van vrijgekomen energie tot de massa van de betrokken stof door geen enkel type of explosief overtroffen. Als gevolg van vernietiging zijn er geen bijproducten, alleen pure energie. Daarom dromen wetenschappers al over de toepassing ervan. Bijvoorbeeld over antimaterie met een eindeloze bron. Ruimteschepen met annihilatormotoren zullen duizenden lichtjaren met ongeveer de lichtsnelheid kunnen vliegen. Dit geeft het leger de mogelijkheid om een enorme macht te creëren, veel destructiever dan nucleair of waterstof. Al deze dromen zullen echter pas uitkomen als we goedkope antimaterie op industriële schaal kunnen produceren.
ANTIMATTER, een stof bestaande uit atomen waarvan de kernen een negatieve elektrische lading hebben en omgeven zijn door positronen - elektronen met een positieve elektrische lading. In gewone materie, waaruit de wereld om ons heen is opgebouwd, zijn positief geladen kernen omgeven door negatief geladen elektronen. Gewone materie wordt, om het te onderscheiden van antimaterie, soms co-substantie genoemd (van het Grieks. koino's- normaal). In de Russische literatuur wordt deze term echter praktisch niet gebruikt. Benadrukt moet worden dat de term "antimaterie" niet helemaal correct is, aangezien antimaterie ook materie is, zijn soort. Antimaterie heeft dezelfde traagheidseigenschappen en creëert dezelfde aantrekkingskracht als gewone materie.
Over materie en antimaterie gesproken, het is logisch om te beginnen met elementaire (subatomaire) deeltjes. Elk elementair deeltje komt overeen met een antideeltje; beide hebben bijna dezelfde kenmerken, behalve dat ze de tegenovergestelde elektrische lading hebben. (Als het deeltje neutraal is, dan is het antideeltje ook neutraal, maar ze kunnen verschillen in andere kenmerken. In sommige gevallen zijn het deeltje en antideeltje identiek aan elkaar.) Een elektron - een negatief geladen deeltje - komt dus overeen met een positron, en het antideeltje van een proton met een positieve lading is een negatief geladen antiproton. Het positron werd ontdekt in 1932 en het antiproton in 1955; dit waren de eerste van de ontdekte antideeltjes. Het bestaan van antideeltjes werd in 1928 voorspeld op basis van de kwantummechanica door de Engelse natuurkundige P. Dirac.
Wanneer een elektron en een positron botsen, annihileren ze, d.w.z. beide deeltjes verdwijnen en twee gammaquanta worden uitgezonden vanaf het punt van hun botsing. Als de botsende deeltjes met een lage snelheid bewegen, dan is de energie van elke gammastraal 0,51 MeV. Deze energie is de "rustenergie" van het elektron, of zijn rustmassa uitgedrukt in eenheden van energie. Als de botsende deeltjes met hoge snelheid bewegen, zal de energie van gammastralen groter zijn vanwege hun kinetische energie. Annihilatie treedt ook op wanneer een proton botst met een antiproton, maar het proces is in dit geval veel gecompliceerder. Een aantal kortlevende deeltjes wordt geboren als tussenproducten van de interactie; na enkele microseconden blijven neutrino's, gammaquanta en een klein aantal elektron-positronparen echter over als de eindproducten van transformaties. Deze paren kunnen uiteindelijk vernietigen, waardoor extra gammastraling ontstaat. Annihilatie treedt ook op wanneer een antineutron botst met een neutron of proton.
Aangezien antideeltjes bestaan, rijst de vraag of uit antideeltjes antinuclei kunnen worden gevormd. De kernen van atomen van gewone materie bestaan uit protonen en neutronen. De eenvoudigste kern is de kern van de gewone waterstofisotoop 1H; het is een enkel proton. De deuteriumkern 2H bestaat uit één proton en één neutron; het heet een deuteron. Een ander voorbeeld van een eenvoudige kern is de 3 He-kern, die bestaat uit twee protonen en één neutron. Het antideuteron, bestaande uit een antiproton en een antineutron, werd in 1966 in het laboratorium verkregen; De anti-3He-kern, bestaande uit twee antiprotonen en één antineutron, werd voor het eerst verkregen in 1970.
Volgens de moderne elementaire deeltjesfysica zou het, met de beschikbaarheid van geschikte technische middelen, mogelijk zijn om de antinucleï van alle gewone kernen te verkrijgen. Als deze antinuclei omgeven zijn door het juiste aantal positronen, vormen ze anti-atomen. Anti-atomen zouden bijna exact dezelfde eigenschappen hebben als gewone atomen; ze zouden moleculen vormen, ze zouden vaste stoffen, vloeistoffen en gassen kunnen vormen, inclusief organische stoffen. Zo zouden twee antiprotonen en één anti-zuurstofkern, samen met acht positronen, een anti-watermolecuul kunnen vormen, vergelijkbaar met gewoon water H20, waarvan elk molecuul bestaat uit twee protonen van waterstofkernen, één zuurstofkern en acht elektronen. De moderne deeltjestheorie kan voorspellen dat anti-water bevriest bij 0°C, kookt bij 100°C en zich verder gedraagt als gewoon water. Als we deze redenering voortzetten, kunnen we tot de conclusie komen dat de antimaterie die is opgebouwd uit antimaterie extreem veel lijkt op de gewone wereld om ons heen. Deze conclusie dient als uitgangspunt voor theorieën over een symmetrisch heelal, gebaseerd op de aanname dat het heelal een gelijke hoeveelheid gewone materie en antimaterie heeft. We leven in dat deel ervan, dat uit gewone materie bestaat.
Als twee identieke stukjes stof van het tegenovergestelde type met elkaar in contact worden gebracht, zal vernietiging van elektronen met positronen en kernen met antinucleï plaatsvinden. In dit geval zullen gamma-quanta ontstaan, aan de hand waarvan men kan beoordelen wat er gebeurt. Aangezien de aarde per definitie uit gewone materie bestaat, zit er geen noemenswaardige hoeveelheid antimaterie in, behalve het kleine aantal antideeltjes dat wordt geproduceerd in grote versnellers en in kosmische straling. Hetzelfde geldt voor het hele zonnestelsel.
Waarnemingen laten zien dat er slechts een beperkte hoeveelheid gammastraling voorkomt in ons melkwegstelsel. Hieruit concluderen een aantal onderzoekers dat er geen merkbare hoeveelheden antimaterie in zitten. Maar deze conclusie is niet onomstreden. Er is momenteel geen manier om bijvoorbeeld te bepalen of een bepaalde nabije ster uit materie of antimaterie bestaat; een antimateriester zendt precies hetzelfde spectrum uit als een gewone ster. Verder is het heel goed mogelijk dat de ijle materie die de ruimte rond de ster vult en identiek is aan de materie van de ster zelf, wordt gescheiden van de gebieden gevuld met materie van het tegenovergestelde type - zeer dunne "Leidenfrost-lagen" met hoge temperatuur. Men kan dus spreken van een "cellulaire" structuur van interstellaire en intergalactische ruimte, waarin elke cel ofwel materie ofwel antimaterie bevat. Deze hypothese wordt ondersteund door modern onderzoek waaruit blijkt dat de magnetosfeer en heliosfeer (interplanetaire ruimte) een cellulaire structuur hebben. Cellen met verschillende magnetisaties en soms ook met verschillende temperaturen en dichtheden worden gescheiden door zeer dunne stroommantels. Hieruit volgt de paradoxale conclusie dat deze waarnemingen niet in tegenspraak zijn met het bestaan van antimaterie, zelfs niet binnen onze Melkweg.
Waren er eerder geen overtuigende argumenten voor het bestaan van antimaterie, nu hebben de successen van röntgen- en gamma-astronomie de situatie veranderd. Er zijn verschijnselen waargenomen die verband houden met een enorme en vaak zeer ongeordende afgifte van energie. Hoogstwaarschijnlijk was de bron van een dergelijke energieafgifte vernietiging.
De Zweedse natuurkundige O. Klein ontwikkelde een kosmologische theorie gebaseerd op de hypothese van symmetrie tussen materie en antimaterie, en kwam tot de conclusie dat annihilatieprocessen een beslissende rol spelen in de evolutie van het heelal en de vorming van de structuur van sterrenstelsels.
Het wordt steeds duidelijker dat de belangrijkste alternatieve theorie - de theorie van de "oerknal" - ernstig in tegenspraak is met de waarnemingsgegevens en de centrale plaats bij het oplossen van kosmologische problemen in de nabije toekomst zal waarschijnlijk worden ingenomen door "symmetrische kosmologie".
Antimaterie is materie die volledig uit antideeltjes bestaat. In de natuur heeft elk elementair deeltje een antideeltje. Voor een elektron is dit een positron en voor een positief geladen proton een antiproton. Atomen van gewone materie - anders heet het muntstof Ze bestaan uit een positief geladen kern waarrond elektronen bewegen. En de negatief geladen kernen van antimaterie-atomen zijn op hun beurt omgeven door anti-elektronen.
De krachten die de structuur van materie bepalen zijn hetzelfde voor zowel deeltjes als antideeltjes. Simpel gezegd, de deeltjes verschillen alleen in het teken van de lading. Kenmerkend is dat "antimaterie" niet helemaal de juiste naam is. Het is in wezen gewoon een soort stof die dezelfde eigenschappen heeft en aantrekkingskracht kan creëren.
Vernietiging
In feite is dit het proces van botsing van een positron en een elektron. Als gevolg hiervan vindt wederzijdse annihilatie (annihilatie) van beide deeltjes plaats waarbij enorme energie vrijkomt. De vernietiging van 1 gram antimaterie staat gelijk aan de explosie van een TNT-lading van 10 kiloton!
Synthese
In 1995 werd aangekondigd dat de eerste negen atomen van antiwaterstof waren gesynthetiseerd. Ze leefden 40 nanoseconden en stierven, waarbij energie vrijkwam. En al in 2002 liep het aantal verkregen atomen in de honderden. Maar alle resulterende antideeltjes zouden slechts nanoseconden kunnen leven. Dingen veranderden met de lancering van de Hadron Collider: het was mogelijk om 38 anti-waterstofatomen te synthetiseren en ze een hele seconde vast te houden. Gedurende deze periode werd het mogelijk om enkele studies uit te voeren naar de structuur van antimaterie. Ze leerden deeltjes vast te houden na het maken van een speciale magnetische val. Daarin wordt, om het gewenste effect te bereiken, een zeer lage temperatuur gecreëerd. Toegegeven, zo'n val is een zeer omslachtige, gecompliceerde en dure aangelegenheid.
In S. Snegov's trilogie "Mensen zijn als goden" wordt het vernietigingsproces gebruikt voor intergalactische vluchten. De helden van de roman, die het gebruiken, veranderen sterren en planeten in stof. Maar in onze tijd is het verkrijgen van antimaterie veel moeilijker en duurder dan het voeden van de mensheid.
Hoeveel kost antimaterie?
Een milligram positronen zou $ 25 miljard moeten kosten. En voor één gram antiwaterstof moet je 62,5 biljoen dollar betalen.
Zo'n genereus persoon is nog niet verschenen dat hij minstens een honderdste van een gram zou kunnen kopen. Er moesten enkele honderden miljoenen Zwitserse franken worden betaald voor een miljardste gram om materiaal te verkrijgen voor experimenteel werk aan de botsing van deeltjes en antideeltjes. Tot nu toe is er geen stof in de natuur die duurder zou zijn dan antimaterie.
Maar met de kwestie van het gewicht van antimaterie is alles vrij eenvoudig. Omdat het alleen in zijn lading van gewone materie verschilt, zijn alle andere kenmerken hetzelfde. Het blijkt dat één gram antimaterie precies één gram weegt.
Wereld van antimaterie
Als we als waar accepteren wat was, dan zou als resultaat van dit proces een gelijke hoeveelheid materie en antimaterie moeten zijn ontstaan. Dus waarom observeren we geen objecten in de buurt die uit antimaterie bestaan? Het antwoord is vrij eenvoudig: twee soorten materie kunnen niet naast elkaar bestaan. Ze zullen elkaar zeker opheffen. Het is waarschijnlijk dat sterrenstelsels en zelfs antimaterie-universums bestaan. en we zien er zelfs een paar. Maar ze zenden dezelfde straling uit, er komt hetzelfde licht uit als van gewone sterrenstelsels. Daarom is het nog steeds onmogelijk om met zekerheid te zeggen of er een anti-wereld is of dat dit een mooi sprookje is.
Is het gevaarlijk?
De mensheid veranderde vele nuttige ontdekkingen in vernietigingsmiddelen. Antimaterie kan in deze zin geen uitzondering zijn. Een krachtiger wapen dan een wapen gebaseerd op het principe van vernietiging is nog niet denkbaar. Misschien is het niet zo erg dat het tot nu toe niet mogelijk is geweest om antimaterie te extraheren en te bewaren? Zal het niet een fatale bel zijn die de mensheid op haar laatste dag zal horen?