Antymateria « Interesujące o nauce. Dokładnie przeciwieństwo antymaterii w warunkach kosmicznych
Prawie wszystko, co wykrywamy na Ziemi i za pomocą sztucznych satelitów, jest materią. Antymateria pozyskiwana jest na Ziemi za pomocą akceleratorów wysokoenergetycznych. W ten sposób otrzymano na przykład antyprotony, antydeuteron, antyhel i antyatomy.
Bezpośrednia obserwacja antymaterii metodami astronomicznymi jest niemożliwa, ponieważ fotony wytwarzane w wyniku wzajemnego oddziaływania cząstek antymaterii są nie do odróżnienia od fotonów wytwarzanych w wyniku oddziaływania cząstek materii. Powodem jest to, że foton jest naprawdę neutralną cząstką i. W zasadzie materię można odróżnić od antymaterii obserwując neutrina ν i antyneutrina, ale takie obserwacje są obecnie nierealistyczne.
Gdyby w bezpośrednim otoczeniu Ziemi istniały obszary, w których dominowała antymateria, powinno to przejawiać się w postaci anihilacji γ-kwantów, które powstają podczas anihilacji materii i antymaterii. Promienie kosmiczne są ważnym argumentem przemawiającym za przewagą materii nad antymaterią. Są to cząstki materii - protony, elektrony, jądra atomowe zbudowane z protonów i neutronów.
Powstawanie cząstek antymaterii obserwuje się w wyniku oddziaływania wysokoenergetycznych cząstek promieniowania kosmicznego z atmosferą ziemską. W obszarach o zwiększonej koncentracji energii powstają antycząstki. Na przykład tworzenie antycząstek zachodzi w jądrach aktywnych galaktyk. Z reguły w takich przypadkach cząstki antymaterii pojawiają się razem z cząstkami materii. Kolejnym etapem jest tworzenie i anihilacja cząstek materii i antymaterii. Na przykład foton o energii większej niż 1 MeV może tworzyć parę elektron-pozyton w polu jądra atomowego. Powstały pozyton anihiluje w zetknięciu z elektronem, tworząc częściej 2, a rzadziej 3 kwanty γ.
Problem istnienia antymaterii we Wszechświecie jest podstawowym problemem fizyki, związanym z problemem powstawania i rozwoju Wszechświata.
Istnieją różne hipotezy wyjaśniające, dlaczego obserwowalny wszechświat składa się prawie wyłącznie z materii. Czy istnieją regiony wszechświata, w których dominuje antymateria? Czy można użyć antymaterii? Powód pozornej asymetrii materii i antymaterii w widzialnym wszechświecie jest jedną z największych nierozwiązanych zagadek współczesnej fizyki. Proces, w którym zachodzi ta asymetria między cząstkami i antycząstkami, nazywa się bariogenezą.
Do lat pięćdziesiątych dominował pogląd, że wszechświat ma taką samą ilość materii i antymaterii. Jednak w połowie lat 60. prace w dziedzinie teorii Wielkiego Wybuchu zachwiały tym poglądem. Rzeczywiście, gdyby w pierwszych chwilach istnienia gorącego i gęstego Wszechświata liczba cząstek i antycząstek była taka sama, to ich anihilacja prowadziłaby do tego, że we Wszechświecie pozostałoby tylko promieniowanie. Obecnie większość fizyków zgadza się, że w wyniku naruszenia symetrii CP we Wszechświecie, w pierwszych momentach ewolucji cząstek, powstało nieco więcej niż antycząstek - w przybliżeniu jedna cząstka na 109 par cząstka-antycząstka. W rezultacie po anihilacji pozostała niewielka liczba cząstek.
Inną możliwością wyjaśnienia dominacji materii w „bliskim” Wszechświecie jest założenie, że antymateria jest skoncentrowana w bardzo słabo zbadanych regionach Wszechświata. W 1979 roku Floyd Stecker zasugerował, że asymetria materii i antymaterii może powstać spontanicznie w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, kiedy materia i antymateria rozleciały się.
Ponieważ promieniowanie elektromagnetyczne oddziałuje w ten sam sposób zarówno z materią, jak i antymaterią, planety, gwiazdy i galaktyki zbudowane z materii i antymaterii w promieniowaniu elektromagnetycznym wyglądają tak samo. Dlatego potrzebne są inne metody poszukiwania antymaterii we Wszechświecie. Jedną z takich metod jest obserwacja antyjąder w przestrzeni kosmicznej. Powinny to być antyjądra o liczbie masowej A > 4. Gdyby można było zarejestrować jądra antyhelu w pobliżu Ziemi, otrzymalibyśmy wystarczająco mocne dowody na istnienie we Wszechświecie regionów o wysokiej zawartości antymaterii.
Po co szukać jąder antyhelu lub cięższych jąder w poszukiwaniu antymaterii? Faktem jest, że antyprotony mogą powstawać podczas oddziaływania ultrarelatywistycznych protonów lub innych jąder promieniowania kosmicznego. Widmo energetyczne takich antyprotonów (zwykle określanych jako wtórne) powinno wykazywać szerokie maksimum w okolicach 2 GeV. Innymi źródłami antyprotonów, które nazywamy pierwotnymi, może być anihilacja hipotetycznych supersymetrycznych cząstek, z których ma składać się ciemna materia - neutralino i/lub odparowanie „pierwotnych” czarnych dziur. Anihilacja par neutralino może prowadzić do powstania dżetów kwarkowo-antykwarkowych, a następnie ich hadronizacji i powstania antyprotonów. Pierwotne czarne dziury mogły powstać we wczesnym wszechświecie. Takie czarne dziury o masie 10 14-15 mogą dość intensywnie odparowywać cząstki (promieniowanie Hawkinga). Udział takich pierwotnych antyprotonów w rejestrowanym widmie energii można próbować wykryć w regionie o niskiej energii< 1 ГэВ.
Strumień wtórnych antyprotonów można oszacować w zależności od przyjętego modelu Galaktyki. Maksimum osiąga przy energii ~10 GeV. W regionie o energiach do kilkuset GeV istnieje nadzieja na uzyskanie informacji o bariogenezie i/lub anihilacji cząstek supersymetrycznych i/lub WIMP ze względu na charakter widma.
Powstawanie antydeuteronów pod wpływem promieni kosmicznych jest znacznie mniej prawdopodobne. Widmo antydeuteronów wtórnych powinno być przesunięte na wyższe energie w porównaniu z widmem antyprotonów wtórnych i gwałtownie spadać wraz ze spadkiem energii. W przypadku pierwotnych antydeuteronów wytwarzanych przez anihilację cząstek ciemnej materii i/lub odparowanie pierwotnych czarnych dziur, maksimum widma oczekuje się przy energii< 1 ГэВ.
Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо
разделены.
Prawdopodobieństwo powstania jąder antyhelium pod wpływem promieni kosmicznych jest znikome. Rzeczywiście, w tym celu dwa antyprotony i dwa antyneutrony muszą powstać w jednym miejscu i prawie jednocześnie, a ich prędkości względne muszą być małe. W 1997 roku Pascal Chardonnet oszacował prawdopodobieństwo takiego zdarzenia. Według jego szacunków na 10 15 ultrarelatywistycznych protonów promieniowania kosmicznego może powstać jedno jądro antyhelu. Średni czas oczekiwania na takie zdarzenie to 15 miliardów lat, co jest porównywalne z wiekiem wszechświata.
Jeśli we Wszechświecie na wczesnym etapie ewolucji rzeczywiście powstały obszary przestrzeni, w których dominuje materia lub antymateria, to należy je rozdzielić, ponieważ. Na granicy tych regionów powstaje lekkie ciśnienie, które oddziela materię i antymaterię. Anihilacja powinna zachodzić na granicy obszarów z materią i antymaterią, a zatem powinny być emitowane anihilacyjne kwanty gamma. Jednak nowoczesne teleskopy promieniowania gamma nie wykrywają takiego promieniowania. Na podstawie czułości teleskopów dokonano oszacowań. Według nich regiony antymaterii nie mogą być bliżej niż 65 milionów lat świetlnych. Nie ma więc takich regionów nie tylko w naszej galaktyce, ale także w naszej gromadzie galaktyk, która obejmuje oprócz Drogi Mlecznej 50 innych galaktyk.
Rejestracja jąder antyhelium powstających na takich odległościach jest złożonym problemem. Nie jest tak łatwo dotrzeć do detektora z tak dużej odległości jądra antyhelu i zostać zarejestrowane. W szczególności może „uwikłać się” w galaktyczne i międzygalaktyczne pola magnetyczne, a tym samym nigdy nie odlecieć daleko od miejsca swojego powstania. Ponadto antyhelium będzie stale zagrożone anihilacją. I wreszcie, wykrywacz nie jest zbyt dużym celem, aby łatwo trafić z tak gigantycznej odległości. Dlatego skuteczność wykrywania jąder antyhelium jest niezwykle niska.
W warunkach „podróży” antyhelu panuje duża niepewność, która nie pozwala na oszacowanie prawdopodobieństwa wykrycia jąder. Zawsze istnieje możliwość, że gdyby detektor był trochę bardziej czuły, do odkrycia doszłoby.
Jest tylko jasne, że czas „podróży” antyjądra o małej energii może być krótszy niż czas istnienia Wszechświata. Dlatego konieczne jest polowanie na wysokoenergetyczne przeciwjądra. Ponadto takie jądra mają większe szanse na pokonanie galaktycznego wiatru kosmicznego.
Jeśli chodzi o pozytony i antyprotony, mogą one być również emitowane przez hipotetyczne regiony antymaterii i mieć udział w widmach mierzonych w pobliżu Ziemi. W porównaniu z antyprotonami pozytony są trudniejsze do wykrycia. Wynika to z faktu, że strumienie protonów, które są źródłem tła, są o 10 3 większe niż strumienie pozytonów. Sygnały z pozytonów przychodzące z regionów antymaterii mogą zostać „utopione” w sygnałach z pozytonów pochodzących z innych procesów. Tymczasem pochodzenie pozytonów w promieniowaniu kosmicznym również nie jest do końca poznane. Czy w promieniowaniu kosmicznym istnieją pierwotne pozytony? Czy istnieje związek między nadmiarem antyprotonów i pozytonów? Dla wyjaśnienia sytuacji konieczny jest pomiar widm pozytonów w szerokim zakresie energii.
Pierwsze uruchomienie instrumentu do badania promieni kosmicznych w górne warstwy atmosfery za pomocą balonu zostało przeprowadzone w 1907 roku przez Victora Hessa. Do wczesnych lat pięćdziesiątych badanie promieni kosmicznych było źródłem najważniejszych odkryć w fizyce cząstek elementarnych. Antyprotony obserwowano w takich eksperymentach od 1979 roku (Bogomolov, E.A. i in. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, s. 330; Golden, R. L. i in. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Otworzyły nowe możliwości w badaniu antymaterii i ciemnej materii.We współczesnych badaniach promieni kosmicznych wykorzystywana jest technika opracowana do eksperymentów na akceleratorach.
Do niedawna prawie wszystkie informacje o antycząstkach w promieniowaniu kosmicznym uzyskiwano za pomocą detektorów wystrzeliwanych w wysokie warstwy atmosfery w balonach. W tym przypadku powstało podejrzenie, że antyprotonów jest więcej niż wynika z oszacowań prawdopodobieństwa ich wystąpienia w wyniku oddziaływania promieni kosmicznych z ośrodkiem międzygwiazdowym (antyprotony wtórne). Zaproponowane mechanizmy wyjaśniające „nadmierne” antyprotony dały różne prognozy dla widm energetycznych antyprotonów. Jednak krótki czas lotu balonu oraz obecność pozostałości ziemskiej atmosfery ograniczały możliwości takich eksperymentów. Dane miały dużą niepewność, co więcej, nie wykraczały poza 20 GeV w energii.
Do rejestracji antycząstek stosuje się duże balony (do 3 milionów metrów sześciennych), zdolne do podnoszenia ciężkich detektorów o masie do 3 ton na wysokość ~40 km.Z reguły, podobnie jak Montgolfier, są otwarte od dołu i gubią hel, gdy temperatura na zewnątrz spada. W większości przypadków czas lotu nie przekracza 24 godzin. Ponadto temperatura atmosfery po gwałtownym spadku od zera do 20–25 km zaczyna rosnąć, osiągając maksimum na wysokości ~40 km, po czym ponownie zaczyna spadać. Ponieważ objętość balonu maleje wraz ze spadkiem temperatury powietrza na zewnątrz, maksymalna wysokość wznoszenia nie może być wyższa niż ~40 km. Na tej wysokości atmosfera jest jeszcze dość gęsta, a strumień antyprotonów o energiach kilkudziesięciu GeV, które powstają podczas oddziaływania pierwotnych promieni kosmicznych z atmosferą szczątkową, przekracza strumień antyprotonów wytwarzanych w ośrodku galaktycznym. Dla wyższych energii zarejestrowanych cząstek błędy stają się zbyt duże, aby uzyskać wiarygodne wyniki.
Od niedawna zaczęto realizować dłuższe loty (do 20 dni). Używają również otwartych balonów, ale straty helu zostały znacznie zmniejszone dzięki wystrzeliwaniu balonów na bardzo dużych szerokościach geograficznych, w pobliżu biegunów, podczas dnia polarnego. Jednak masa ich ładunku podczas lotu na wysokość 40 km nie przekracza 1 tony, co jest zbyt małe, aby mierzyć strumienie antymaterii przy wysokich energiach. Do realizacji super długich lotów w balonach (około 100 dni) mają być również wykorzystywane balony zamknięte. Są grubsze i cięższe, nie tracą helu i wytrzymują różnicę ciśnień między wnętrzem a zewnętrzem. Mogą podnosić stosunkowo lekkie narzędzia, mniej niż 1 tonę.
Ryż. 20.1. Wystrzelenie sondy balonowej z wyposażeniem fizycznym.
Ryż. 20.2. Detektor promieniowania kosmicznego BESS-Polar II. Spektrometr (1) z panelami słonecznymi (2).
W ramach eksperymentu przeprowadzono poszukiwania antyhelu za pomocą spektrometrów na balonach BESS (B aloon-borne mi eksperymentować z S nadprzewodnictwo S pektometr) (ryc. 20.2). W latach 1993-2000 spektrometry BESS były wielokrotnie wypuszczane w górne warstwy atmosfery północnej Kanady. Loty trwały około jednego dnia. Spektrometr był stale ulepszany, a czułość wyższa. Całkowita czułość dla stosunku hel/antyhel uzyskana w tej serii lotów wynosi ~6,8×10-7 w zakresie twardości 1-14 GV. W eksperymencie BESS-TeV (2001) zwiększono zakres sztywności spektrometru do 500 GV i osiągnięto czułość 1,4 × 10 -4. Zwiększenie statystyk w latach 2004-2008. na Antarktydzie przeprowadzono kilkudniowe loty ulepszonych spektrometrów (0,6-20 GV). W latach 2004-2005 podczas lotu BESS-Polar I, który trwał 8,5 dnia, uzyskano czułość 8×10-6. W latach 2007-2008 Podczas lotu BESS-Polar II (czas pomiaru 24,5 dnia) osiągnięto czułość 9,8 × 10-8. Całkowita czułość, biorąc pod uwagę wszystkie loty BESS, osiągnęła 6,7×10-8. Nie znaleziono ani jednego jądra antyhelium.
Spektrometr magnetyczny używany w locie BESS-Polar II składa się z nadprzewodzącego ultracienkiego magnesu solenoidowego, centralnego trackera (JET/IDC), hodoskopu czasu przelotu (TOF) i detektora Czerenkowa (ryc. 20,3).
Ryż. 20.3. Przekrój spektrometru eksperymentalnego BESS-Polar II.
Hodoskop czasu przelotu umożliwia pomiar prędkości (β) i strat energii (dE/dx). Składa się z górnego i dolnego plastikowego licznika scyntylacyjnego, składającego się z 10 i 12 pasków scyntylacyjnych (100×950×10 mm). Rozdzielczość czasowa systemu time-of-flight wynosi ~70 ps. Ponadto istnieje trzeci licznik scyntylacyjny (Middle-TOF), który znajduje się wewnątrz elektromagnesu i składa się z 64 plastikowych prętów scyntylacyjnych. Pozwala na obniżenie energetycznego progu rejestracji, ze względu na cząsteczki, które nie są w stanie przelecieć przez dno elektrozaworu.
Komory dryfujące znajdują się w jednolitym polu magnetycznym. Za pomocą 28 punktów, każdy z dokładnością do 200 μm, obliczana jest krzywizna trajektorii wchodzącej do spektrometru cząstki, co umożliwia wyznaczenie jej sztywności magnetycznej R = pc/Ze oraz znaku ładunku.
Licznik airhelium Cherenkov umożliwia oddzielenie sygnałów antyprotonów i antydeuteronów od tła e-/μ-.
Ryż. 20.4. Identyfikacja cząstek w układzie BESS.
Identyfikacja cząstek odbywa się na podstawie masy (rys. 20.4), która jest powiązana ze sztywnością R, prędkością cząstek β i stratą energii dE/dx mierzonymi za pomocą liczników czasu przelotu i komór dryfu przez stosunek
W tym celu odpowiednie regiony są wybierane na dwuwymiarowych rozkładach dE/dx – |R| i β-1-R.
Ziemski pas promieniowania antyprotonowego
Współpraca PAMELA odkryła pas radiacyjny wokół Ziemi w rejonie anomalii południowoatlantyckiej. Widma antyprotonów i protonów mierzono bezpośrednio w pasie radiacyjnym i poza pasem radiacyjnym (rys. 20.5, 20.6).
Wykazano, że antyprotony, które zostały zarejestrowane przez instalacje detektorów zainstalowanych na balonach i satelitach, są pochodzenia wtórnego. Powstają w wyniku oddziaływania galaktycznych promieni kosmicznych z materią międzygwiazdową lub atmosferą w reakcji pp → ppp. Jednak znacznie większy wkład ma rozpad albedo antyneutronów (antyneutronów, których strumień jest skierowany od Ziemi), które powstają w reakcji
pp → ppn .
Te antyneutrony przechodzą przez pole geomagnetyczne i ulegają rozpadowi, tworząc antyprotony → + e + + ν e . Część generowanych antyprotonów może zostać wychwycona przez magnetosferę, tworząc pas promieniowania antyprotonowego. Tak jak głównym źródłem pasa promieniowania protonowego jest rozpad albedo neutronów, tak rozpad antyneutronów prowadzi do powstania pasa antyprotonowego.
Z danych eksperymentalnych wynika, że gęstość antyprotonów w pasie radiacyjnym jest o 3-4 rzędy wielkości większa niż gęstość antyprotonów poza pasem radiacyjnym. Kształt widma antyprotonów powstałych bezpośrednio w wyniku oddziaływania galaktycznych promieni kosmicznych praktycznie pokrywa się z kształtem widma antyprotonów poza pasem promieniowania antyprotonowego.
Problem wykrywania antymaterii we Wszechświecie jest daleki od rozwiązania. Aktywne poszukiwania antymaterii przewidziane są w programach teleskopów kosmicznych Fermi i in.
Niedawno członkowie zespołu ALICE w CERN zmierzyli masy jąder antymaterii z rekordową dokładnością, a nawet oszacowali energię, która wiąże w nich antyprotony z antyneutronami. Jak dotąd nie znaleziono żadnej znaczącej różnicy między tymi parametrami w materii i antymaterii, ale nie to jest najważniejsze. To ważne, że właśnie teraz, w ciągu ostatnich kilku lat, do pomiarów i obserwacji stają się dostępne nie tylko antycząstki, ale także antyjądra, a nawet antyatomy. Czas więc dowiedzieć się, czym jest antymateria i jakie miejsce zajmują jej badania we współczesnej fizyce.
Spróbujmy odgadnąć niektóre z twoich pierwszych pytań dotyczących antymaterii.
Czy to prawda, że z antymaterii można zrobić superpotężną bombę? A co, w CERN-ie faktycznie gromadzą antymaterię, jak pokazano w filmie Anioły i demony, i że jest to bardzo niebezpieczne? Czy to prawda, że antymateria będzie wyjątkowo wydajnym paliwem do podróży kosmicznych? Czy jest jakaś prawda w idei pozytronicznego mózgu, którym Isaac Asimov obdarzył roboty w swoich pracach?...
Nie jest tajemnicą, że dla większości antymateria kojarzy się z czymś niezwykle (wybuchowym) niebezpiecznym, z czymś podejrzanym, z czymś, co pobudza wyobraźnię fantastycznymi obietnicami i ogromnym ryzykiem – stąd takie pytania. Przyznajemy: prawa fizyki nie zabraniają tego wprost. Jednak realizacja tych idei jest tak odległa od rzeczywistości, od nowoczesnych technologii i od technologii nadchodzących dziesięcioleci, że pragmatyczna odpowiedź jest prosta: nie, dla współczesnego świata to nieprawda. Rozmowa na te tematy to tylko fantazja, oparta nie na rzeczywistych osiągnięciach naukowych i technicznych, ale na ich ekstrapolacji daleko poza granice współczesnych możliwości. Jeśli chcesz poważnie porozmawiać o tych tematach, zbliż się do roku 2100. W międzyczasie porozmawiajmy o prawdziwych badaniach naukowych nad antymaterią.
Co to jest antymateria?
Nasz świat jest ułożony w taki sposób, że dla każdego rodzaju cząstek - elektronów, protonów, neutronów itp. - istnieją antycząstki (pozytony, antyprotony, antyneutrony). Mają tę samą masę i, jeśli są niestabilne, ten sam okres półtrwania, ale przeciwne ładunki i różne liczby interakcji. Pozytrony mają taką samą masę jak elektrony, ale mają tylko ładunek dodatni. Antyprotony mają ładunek ujemny. Antyneutrony są elektrycznie obojętne jak neutrony, ale mają przeciwną liczbę barionową i składają się z antykwarków. Antyjądra można złożyć z antyprotonów i antyneutronów. Dodając pozytony, stworzymy antyatomy, a kumulując je, otrzymamy antymaterię. To cała antymateria.
I tu od razu pojawia się kilka ciekawych subtelności, o których warto wspomnieć. Przede wszystkim samo istnienie antycząstek jest wielkim triumfem fizyki teoretycznej. Ten nieoczywisty, a dla niektórych nawet szokujący pomysł został teoretycznie wyprowadzony przez Paula Diraca i początkowo był postrzegany z wrogością. Co więcej, nawet po odkryciu pozytonów wielu nadal wątpiło w istnienie antyprotonów. Po pierwsze, powiedzieli, Dirac wymyślił swoją teorię, aby opisać elektron i nie jest pewne, czy zadziała on na proton. Na przykład moment magnetyczny protonu różni się kilka razy od przewidywań teorii Diraca. Po drugie, długo szukano śladów antyprotonów w promieniowaniu kosmicznym i nic nie znaleziono. Po trzecie, twierdzili – dosłownie powtarzając nasze słowa – że skoro są antyprotony, to muszą istnieć antyatomy, antygwiazdy i antygalaktyki, a my na pewno zauważylibyśmy je z imponujących kosmicznych eksplozji. Skoro tego nie widzimy, to prawdopodobnie dlatego, że antymateria nie istnieje. Dlatego eksperymentalne odkrycie antyprotonu w 1955 r. w nowo uruchomionym akceleratorze Bevatron było dość nietrywialnym wynikiem, nagrodzonym w 1959 r. Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. W 1956 r. przy tym samym akceleratorze odkryto również antyneutron. Opowieść o tych poszukiwaniach, wątpliwościach i osiągnięciach można znaleźć w licznych esejach historycznych, na przykład w tym raporcie lub w niedawnej książce Franka Close'a Antimatter.
Trzeba jednak powiedzieć osobno, że rozsądna wątpliwość w twierdzeniach czysto teoretycznych jest zawsze pożyteczna. Na przykład stwierdzenie, że antycząstki mają taką samą masę jak cząstki, jest również wynikiem teoretycznym, wynika z bardzo ważnego twierdzenia CPT. Tak, współczesna fizyka mikroświata, wielokrotnie sprawdzona przez doświadczenie, jest zbudowana na tym stwierdzeniu. A jednak jest to równość: kto wie, może w ten sposób odnajdziemy granice stosowalności teorii.
Inna cecha: nie wszystkie siły mikroświata są w równym stopniu związane z cząsteczkami i antycząsteczkami. Dla oddziaływań elektromagnetycznych i silnych nie ma między nimi różnicy, dla słabych jest. Z tego powodu niektóre subtelne szczegóły oddziaływań cząstek i antycząstek różnią się, na przykład prawdopodobieństwem rozpadu cząstki A na zbiór cząstek B i anty-A na zbiór anty-B (więcej szczegółów o różnicach zobacz wybór Pavla Pakhova). Ta cecha pojawia się, ponieważ oddziaływania słabe łamią symetrię CP naszego świata. Ale dlaczego tak się dzieje, jest jedną z tajemnic cząstek elementarnych i wymaga wyjścia poza to, co znane.
A oto kolejna subtelność: niektóre cząstki mają tak mało cech, że antycząstki i cząstki wcale się od siebie nie różnią. Takie cząsteczki nazywane są naprawdę neutralnymi. To foton, bozon Higgsa, neutralne mezony, składające się z kwarków i antykwarków tego samego rodzaju. Ale sytuacja z neutrinami jest nadal niejasna: może są one naprawdę neutralne (Majorana), a może nie. Ma to ogromne znaczenie dla teorii opisującej masy i oddziaływania neutrin. Odpowiedź na to pytanie będzie naprawdę dużym krokiem naprzód, ponieważ pomoże uporać się ze strukturą naszego świata. Do tej pory eksperyment nie powiedział na ten temat nic jednoznacznego. Ale eksperymentalny program badań neutrin jest tak potężny, jest tak wiele eksperymentów, że fizycy stopniowo zbliżają się do rozwiązania.
Gdzie ona jest, ta antymateria?
Kiedy antycząstka spotyka swoją cząstkę, ulega anihilacji: obie cząstki znikają i zamieniają się w zestaw fotonów lub lżejszych cząstek. Cała energia spoczynkowa jest przekształcana w energię tej mikroeksplozji. Jest to najbardziej wydajna konwersja masy w energię cieplną, setki razy wydajniejsza niż wybuch jądrowy. Ale nie widzimy wokół nas żadnych wspaniałych naturalnych eksplozji; Antymateria nie występuje w przyrodzie w znaczących ilościach. Jednak poszczególne antycząstki mogą równie dobrze powstać w różnych naturalnych procesach.
Najprostszym sposobem jest wytwarzanie pozytonów. Najprostszą opcją jest radioaktywność, rozpad niektórych jąder z powodu dodatniej radioaktywności beta. Na przykład w eksperymentach często jako źródło pozytonów wykorzystuje się izotop sodu-22 o okresie półtrwania wynoszącym dwa i pół roku. Innym dość nieoczekiwanym źródłem naturalnym jest to, że czasami wykrywane są błyski promieniowania gamma z anihilacji pozytonów, co oznacza, że pozytony w jakiś sposób się tam narodziły.
Trudniej jest tworzyć antyprotony i inne antycząstki: energia rozpadu radioaktywnego nie wystarcza do tego. W naturze rodzą się pod wpływem wysokoenergetycznych promieni kosmicznych: kosmiczny proton, zderzając się z jakąś cząsteczką w górnej atmosferze, generuje strumienie cząstek i antycząstek. Jednak tak się dzieje na górze, antyprotony prawie nie docierają do Ziemi (o czym nie wiedzieli ci, którzy szukali antyprotonów w promieniach kosmicznych w latach 40.), a tego źródła antyprotonów nie można przywieźć do laboratorium.
We wszystkich eksperymentach fizycznych antyprotony wytwarzają „brutalną siłę”: biorą wiązkę protonów o wysokiej energii, kierują ją na cel i sortują „grudki hadronów”, które powstają w dużych ilościach w tym zderzeniu. Posortowane antyprotony są emitowane w postaci wiązki, a następnie albo są przyspieszane do wysokich energii, aby zderzyć się z protonami (tak działał np. amerykański zderzacz Tevatron), albo odwrotnie, są spowalniane i używany do dokładniejszych pomiarów.
W CERN-ie, który słusznie może być dumny ze swojej długiej historii badań nad antymaterią, istnieje specjalny „akcelerator AD”, „Moderator antyprotonowy”, który właśnie to robi. Bierze wiązkę antyprotonów, chłodzi je (tzn. spowalnia), a następnie rozdziela przepływ wolnych antyprotonów na kilka specjalnych eksperymentów. Nawiasem mówiąc, jeśli chcesz spojrzeć na stan AD w czasie rzeczywistym, monitory online Cerna na to pozwalają.
Syntezowanie antyatomów, nawet tych najprostszych, antywodorowych, jest już dość trudne. W naturze w ogóle nie powstają - nie ma odpowiednich warunków. Nawet w laboratorium trzeba pokonać wiele trudności technicznych, zanim antyprotony zechcą połączyć się z pozytonami. Problem w tym, że antyprotony i pozytony emitowane ze źródeł są wciąż zbyt gorące; po prostu zderzą się ze sobą i rozlecą, a nie zostaną utworzone przez antyatom. Fizycy wciąż pokonują te trudności, ale dość sprytnymi metodami (jak to ma miejsce w jednym z eksperymentów ASACUSA CERN).
Co wiadomo o przeciwjądrze?
Wszystkie antynuklearne osiągnięcia ludzkości odnoszą się tylko do antywodoru. Antyatomy innych pierwiastków nie zostały jeszcze zsyntetyzowane w laboratorium i nie zostały zaobserwowane w przyrodzie. Powód jest prosty: jeszcze trudniej jest stworzyć antyjądra niż antyprotony.
Jedynym sposobem, w jaki wiemy, jak stworzyć antyjądra, jest pchanie ciężkich jąder o wysokiej energii i obserwowanie, co się stanie. Jeśli energia zderzenia jest wysoka, narodzą się w niej tysiące cząstek i rozproszą się we wszystkich kierunkach, w tym antyprotony i antyneutrony. Antyprotony i antyneutrony, losowo wyrzucane w tym samym kierunku, mogą łączyć się ze sobą, tworząc antyjądra.
Detektor ALICE jest w stanie rozróżnić różne jądra i antyjądra pod względem uwalniania energii i kierunku skrętu w polu magnetycznym.
Zdjęcie: CERN
Metoda jest prosta, ale niezbyt nieefektywna: prawdopodobieństwo stopienia jądra w ten sposób gwałtownie spada wraz ze wzrostem liczby nukleonów. Najlżejsze antyjądra, antydeuterony, po raz pierwszy zaobserwowano dokładnie pół wieku temu. Antihelium-3 zaobserwowano w 1971 roku. Znane są również antytryton i antyhel-4, a ten ostatni odkryto całkiem niedawno, bo w 2011 roku. Cięższe przeciwjądra nie zostały jeszcze zaobserwowane.
Dwa parametry opisujące oddziaływania nukleon-nukleon (długość rozproszenia f0 i promień efektywny d0) dla różnych par cząstek. Czerwona gwiazdka to wynik pary antyprotonów uzyskanych w ramach współpracy STAR.
Niestety nie można w ten sposób wytwarzać antyatomów. Przeciwjądra nie tylko rodzą się rzadko, ale też mają za dużo energii i rozlatują się we wszystkich kierunkach. Próba złapania ich na zderzaczu jest nierealna, aby następnie wywieźć je specjalnym kanałem i schłodzić.
Czasami jednak wystarczy uważne śledzenie antyjądr w locie, aby uzyskać ciekawe informacje na temat sił antyjądrowych działających między antynukleonami. Najprostszą rzeczą jest dokładne zmierzenie masy antyjąder, porównanie jej z sumą mas antyprotonów i antyneutronów oraz obliczenie defektu masy, tj. energia wiązania jądra. Ostatnio pracuje w Wielkim Zderzaczu Hadronów; energia wiązania dla antydeuteronu i antyhelu-3 pokrywała się z błędem ze zwykłymi jądrami.
Inny, bardziej subtelny efekt był badany w eksperymencie STAR w amerykańskim zderzaczu ciężkich jonów RHIC. Zmierzył rozkład kątowy wytwarzanych antyprotonów i odkrył, jak zmienia się on, gdy dwa antyprotony wylatują w bardzo bliskim kierunku. Korelacje między antyprotonami umożliwiły po raz pierwszy pomiar właściwości działających między nimi sił „przeciwjądrowych” (długość rozproszenia i efektywny promień oddziaływania); zbiegły się z tym, co wiadomo o interakcji protonów.
Czy w kosmosie jest antymateria?
Kiedy Paul Dirac wydedukował istnienie pozytonów ze swojej teorii, w pełni założył, że gdzieś w kosmosie mogą istnieć prawdziwe antyświaty. Teraz wiemy, że w widocznej części Wszechświata nie ma gwiazd, planet, galaktyk z antymaterii. Nie chodzi nawet o to, że eksplozje anihilacyjne nie są widoczne; jest po prostu niewyobrażalne, jak mogły one nawet powstać i przetrwać do dnia dzisiejszego w stale ewoluującym wszechświecie.
Ale pytanie „jak to się stało” to kolejna wielka tajemnica współczesnej fizyki; w języku naukowym nazywa się to problemem bariogenezy. Zgodnie z kosmologicznym obrazem świata, w najwcześniejszym wszechświecie cząstki i antycząstki były równo podzielone. Wtedy, ze względu na naruszenie symetrii CP i liczby barionowej, w dynamicznie rozwijającym się wszechświecie powinien był się pojawić niewielki, rzędu jednej miliardowej, nadmiar materii nad antymaterią. Gdy wszechświat ostygł, wszystkie antycząstki unicestwiały się cząsteczkami, przetrwał tylko ten nadmiar materii, który dał początek obserwowanemu przez nas wszechświatowi. To dzięki niemu zostaje w nim przynajmniej coś ciekawego, to dzięki niemu na ogół istniejemy. Jak dokładnie powstała ta asymetria, nie wiadomo. Istnieje wiele teorii, ale która z nich jest poprawna, nie jest znana. Jest tylko jasne, że musi to być z pewnością jakiś rodzaj Nowej Fizyki, teoria wykraczająca poza Model Standardowy, poza granice eksperymentalnie zweryfikowanej.
Trzy opcje, skąd antycząstki mogą pochodzić w wysokoenergetycznych promieniach kosmicznych: 1 - mogą po prostu pojawiać się i przyspieszać w „kosmicznym akceleratorze”, na przykład w pulsarze; 2 - mogą narodzić się podczas zderzeń zwykłych promieni kosmicznych z atomami ośrodka międzygwiazdowego; 3 - mogą wystąpić podczas rozpadu ciężkich cząstek ciemnej materii.
Chociaż nie ma planet i gwiazd zbudowanych z antymaterii, antymateria wciąż jest obecna w kosmosie. Strumienie pozytonów i antyprotonów o różnych energiach rejestrowane są przez satelitarne obserwatoria promieniowania kosmicznego, m.in. PAMELA, Fermi, AMS-02. To, że pozytony i antyprotony docierają do nas z kosmosu, oznacza, że gdzieś się rodzą. Procesy wysokoenergetyczne, które mogą je wywołać, są w zasadzie znane: są to silnie namagnesowane sąsiedztwo gwiazd neutronowych, różne eksplozje, przyspieszenie promieni kosmicznych na czołach fal uderzeniowych w ośrodku międzygwiazdowym i tak dalej. Pytanie brzmi, czy potrafią wyjaśnić wszystkie obserwowane właściwości przepływu kosmicznych antycząstek. Jeśli okaże się, że tak nie jest, będzie to dowód na to, że część z nich powstaje podczas rozpadu lub anihilacji cząstek ciemnej materii.
Tutaj też kryje się tajemnica. W 2008 roku obserwatorium PAMELA wykryło podejrzanie dużą liczbę wysokoenergetycznych pozytonów w porównaniu z przewidywaniami symulacji teoretycznych. Wynik ten został niedawno potwierdzony przez instalację AMS-02 - jeden z modułów Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i ogólnie największy detektor cząstek elementarnych wystrzelony w kosmos (i montowany zgadnij gdzie? - tak, w CERN). Ten nadmiar pozytonów ekscytuje umysły teoretyków – w końcu odpowiedzialne za to mogą nie „nudne” obiekty astrofizyczne, ale ciężkie cząstki ciemnej materii, które rozpadają się lub anihilują na elektrony i pozytony. Nie ma jeszcze jasności, ale placówka AMS-02, a także wielu krytycznych fizyków, bardzo dokładnie bada to zjawisko.
Stosunek antyprotonów do protonów w promieniowaniu kosmicznym o różnych energiach. Punkty - dane eksperymentalne, wielokolorowe krzywe - oczekiwania astrofizyczne z różnymi błędami.
Zdjęcie: Biblioteka Uniwersytetu Cornella
Niejasna jest również sytuacja z antyprotonami. W kwietniu br. AMS-02 na specjalnej konferencji naukowej przedstawił wstępne wyniki nowego cyklu badawczego. Główną atrakcją raportu było stwierdzenie, że AMS-02 widzi zbyt wiele wysokoenergetycznych antyprotonów - i może to również wskazywać na rozpad cząstek ciemnej materii. Jednak inni fizycy nie zgadzają się z tak stanowczym wnioskiem. Obecnie uważa się, że dane antyprotonowe AMS-02, z pewnym rozciągnięciem, można również wyjaśnić za pomocą konwencjonalnych źródeł astrofizycznych. Tak czy inaczej, wszyscy nie mogą się doczekać nowych danych AMS-02 dotyczących pozytonów i antyprotonów.
AMS-02 zarejestrował już miliony pozytonów i ćwierć miliona antyprotonów. Ale twórcy tej instalacji mają jasne marzenie - złapać przynajmniej jedną antykernel. To będzie prawdziwa sensacja – to absolutnie niewiarygodne, żeby antyjądra narodziły się gdzieś w kosmosie i poleciały do nas. Do tej pory nie znaleziono takiego przypadku, ale zbieranie danych trwa i kto wie, jakie niespodzianki szykuje dla nas natura.
Antymateria – antygrawitacja? Jak ona w ogóle czuje grawitację?
Jeśli opieramy się tylko na eksperymentalnie sprawdzonej fizyce i nie zagłębimy się w egzotyczne, niepotwierdzone jeszcze teorie, to grawitacja powinna działać na antymaterię w taki sam sposób, jak na materię. Nie oczekuje się antygrawitacji dla antymaterii. Jeśli pozwolimy sobie spojrzeć trochę dalej, poza to, co znane, to czysto teoretycznie możliwe opcje są wtedy, gdy oprócz zwykłej uniwersalnej siły grawitacyjnej istnieje coś dodatkowego, co działa inaczej na materię i antymaterię. Bez względu na to, jak iluzoryczna może się wydawać ta możliwość, należy ją zweryfikować eksperymentalnie, a do tego konieczne jest przeprowadzenie eksperymentów, aby sprawdzić, jak antymateria odczuwa grawitację Ziemi.
Przez długi czas nie było to możliwe z tego prostego powodu, że w tym celu trzeba tworzyć pojedyncze atomy antymaterii, łapać je w pułapkę i przeprowadzać z nimi eksperymenty. Teraz nauczyli się, jak to zrobić, więc długo oczekiwany test jest tuż za rogiem.
Głównym dostawcą wyników jest ten sam CERN ze swoim rozbudowanym programem badań antymaterii. Niektóre z tych eksperymentów już pośrednio potwierdziły, że grawitacja antymaterii jest w porządku. Na przykład odkrył, że masa (bezwładności) antyprotonu pokrywa się z masą protonu z bardzo dużą dokładnością. Gdyby grawitacja działała inaczej na antyprotony, fizycy zauważyliby różnicę – w końcu porównanie zostało wykonane w tym samym układzie i w tych samych warunkach. Wynik tego eksperymentu: wpływ grawitacji na antyprotony pokrywa się z wpływem na protony z dokładnością lepszą niż jedna milionowa.
Jest to jednak pomiar pośredni. Dla większej perswazji chciałbym przeprowadzić bezpośredni eksperyment: weź kilka atomów antymaterii, upuść je i zobacz, jak spadają w polu grawitacyjnym. Takie eksperymenty są również prowadzone lub przygotowywane w CERN-ie. Pierwsza próba nie była imponująca. W 2013 roku eksperyment ALPHA – który do tego czasu nauczył się już, jak trzymać chmurę antywodoru w swojej pułapce – próbował ustalić, gdzie spadłyby antyatomy, gdyby pułapka została wyłączona. Niestety, ze względu na niską czułość eksperymentu nie udało się uzyskać jednoznacznej odpowiedzi: minęło zbyt mało czasu, antyatomy biegały w tę i z powrotem w pułapce, a tu i ówdzie pojawiały się błyski anihilacyjne.
Sytuację mają radykalnie poprawić dwa inne eksperymenty Cerna: GBAR i AEGIS. Oba te eksperymenty będą testowane na różne sposoby, jak chmura superzimnego antywodoru spada w polu grawitacyjnym. Ich oczekiwana dokładność pomiaru przyspieszenia grawitacyjnego antymaterii wynosi około 1%. Oba obiekty są obecnie w trakcie montażu i debugowania, a główne badania rozpoczną się w 2017 r., kiedy moderator antyprotonów AD zostanie uzupełniony o nowy pierścień magazynujący ELENA.
Warianty zachowania się pozytonów w materii stałej.
Zdjęcie: natura.com
Co się stanie, jeśli uderzenie pozytonu ma znaczenie?
Powstawanie molekularnego pozytonium na powierzchni kwarcu.
Zdjęcie: Clifford M. Surko / Fizyka atomowa: Powiew zupy z antymaterii
Jeśli czytałeś do tego momentu, doskonale już wiesz, że gdy tylko cząsteczka antymaterii wniknie w zwykłą materię, następuje anihilacja: cząsteczki i antycząstki znikają i zamieniają się w promieniowanie. Ale jak szybko to się dzieje? Wyobraźmy sobie pozyton, który wyszedł z próżni i wszedł w ciało stałe. Czy unicestwi się w kontakcie z pierwszym atomem? Niekoniecznie! Zniszczenie elektronu i pozytonu nie jest procesem natychmiastowym; wymaga dużo czasu w skali atomowej. Dlatego pozyton ma czas, aby żyć w materii jasnym i pełnym nietrywialnych zdarzeń życiem.
Po pierwsze, pozyton może odebrać elektron sierocy i utworzyć stan związany, pozyton (Ps). Przy odpowiedniej orientacji spinu pozyton może żyć przez dziesiątki nanosekund przed anihilacją. Będąc w substancji ciągłej, będzie miał czas na zderzenia z atomami miliony razy w tym czasie, ponieważ prędkość termiczna pozytronium w temperaturze pokojowej wynosi około 25 km/s.
Po drugie, dryfując w substancji, pozyton może wydostać się na powierzchnię i tam przylgnąć - jest to pozytonowy (a raczej pozytonowy) analog adsorpcji atomów. W temperaturze pokojowej nie siedzi w jednym miejscu, ale aktywnie podróżuje po powierzchni. A jeśli nie jest to powierzchnia zewnętrzna, ale por wielkości nanometra, to pozyton jest w niej uwięziony na długi czas.
Ponadto. W standardowym materiale do takich eksperymentów, porowatym kwarcu, pory nie są izolowane, lecz połączone nanokanalikami we wspólną sieć. Ciepłe pozytonium, pełzające po powierzchni, zdąży zbadać setki porów. A ponieważ w takich eksperymentach powstaje dużo pozytonu i prawie wszystkie wypełzają do porów, prędzej czy później natkną się na siebie i, wchodząc w interakcje, czasami tworzą prawdziwe cząsteczki - molekularne pozytronium, Ps 2. Co więcej, już teraz można badać, jak zachowuje się gaz pozytronowy, jakie stany wzbudzone ma pozyton, itp. I nie myśl, że jest to rozumowanie czysto teoretyczne; Wszystkie wymienione efekty zostały już zweryfikowane i przebadane eksperymentalnie.
Czy antymateria ma praktyczne zastosowania?
Oczywiście. Ogólnie rzecz biorąc, każdy proces fizyczny, jeśli otwiera przed nami pewien nowy aspekt naszego świata i nie wymaga żadnych dodatkowych kosztów, z pewnością znajdzie praktyczne zastosowanie. Co więcej, takie zastosowania, których sami byśmy nie odgadli, gdybyśmy wcześniej nie odkryli i nie zbadali naukowej strony tego zjawiska.
Najbardziej znanym zastosowaniem antycząstek jest PET, pozytonowa tomografia emisyjna. Ogólnie rzecz biorąc, fizyka jądrowa ma imponujące osiągnięcia w zastosowaniach medycznych, a antycząstki również tutaj nie pozostały bezczynne. W PET do organizmu pacjenta wstrzykuje się niewielką dawkę leku zawierającego niestabilny izotop o krótkim czasie życia (minuty i godziny) i ulegający rozpadowi w wyniku pozytywnego rozpadu beta. Lek gromadzi się w odpowiednich tkankach, jądra rozpadu i emitują pozytony, które w pobliżu anihilują i wydzielają dwa kwanty gamma o określonej energii. Detektor rejestruje je, określa kierunek i czas ich nadejścia oraz przywraca miejsce, w którym nastąpił rozpad. W ten sposób możliwe jest zbudowanie trójwymiarowej mapy rozmieszczenia materii o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i przy minimalnej dawce promieniowania.
Pozytrony mogą być również wykorzystywane w materiałoznawstwie, na przykład do pomiaru porowatości substancji. Jeśli materia jest ciągła, to pozytony tkwiące w materii na wystarczającej głębokości dość szybko anihilują i emitują kwanty gamma. Jeśli wewnątrz substancji znajdują się nanopory, anihilacja jest opóźniona, ponieważ pozytronium przykleja się do powierzchni porów. Mierząc to opóźnienie, można bezkontaktowo i nieniszcząco określić stopień nanoporowatości substancji. Ilustracją tej techniki jest niedawna praca nad tym, jak pojawiają się i zaciskają nanopory w najcieńszej warstwie lodu, gdy para osadza się na powierzchni. Podobne podejście sprawdza się również w badaniu defektów strukturalnych kryształów półprzewodnikowych, takich jak wakanty i dyslokacje, oraz umożliwia pomiar zmęczenia strukturalnego materiału.
Zastosowania medyczne można również znaleźć dla antyprotonów. Obecnie w tym samym CERN prowadzony jest eksperyment ACE, który bada wpływ wiązki antyprotonowej na żywe komórki. Jego celem jest zbadanie perspektyw zastosowania antyprotonów w leczeniu guzów nowotworowych.
Uwalnianie energii wiązki jonów i promieni rentgenowskich podczas przechodzenia przez substancję.
Zdjęcie: Johannes Gutleber/CERN
Ten pomysł może przerazić czytelnika z przyzwyczajenia: jak to z wiązką antyprotonową - i dla żywej osoby?! Tak, i jest to o wiele bezpieczniejsze niż prześwietlenie głębokiego guza! Wiązka antyprotonowa o specjalnie dobranej energii staje się skutecznym narzędziem w rękach chirurga, za pomocą którego możliwe jest wypalanie guzów głęboko w ciele i minimalizowanie wpływu na otaczające tkanki. W przeciwieństwie do promieni rentgenowskich, które spalają wszystko, co dostanie się pod wiązkę, ciężkie naładowane cząstki na swojej drodze przez materię uwalniają większość energii na ostatnich centymetrach przed zatrzymaniem. Dostrajając energię cząstek, można zmieniać głębokość, na której zatrzymują się cząstki; to na tym obszarze wielkości milimetrów spadnie główny efekt promieniowania.
Taka radioterapia wiązką protonów jest od dawna stosowana w wielu dobrze wyposażonych klinikach na całym świecie. Ostatnio część z nich przestawia się na terapię jonową, która wykorzystuje wiązkę nie protonów, ale jonów węgla. Dla nich profil uwalniania energii jest jeszcze bardziej kontrastowy, co oznacza, że wzrasta skuteczność pary „efekt terapeutyczny kontra skutki uboczne”. Ale od dawna proponowano wypróbowanie antyprotonów również w tym celu. Wszakże kiedy dostaną się do substancji, nie tylko oddają swoją energię kinetyczną, ale także po zatrzymaniu się anihilują - a to kilkukrotnie zwiększa uwalnianą energię. To, gdzie odkłada się to dodatkowe uwalnianie energii, jest złożonym problemem i należy je dokładnie zbadać przed rozpoczęciem badań klinicznych.
To jest dokładnie to, co robi eksperyment ACE. W jej trakcie naukowcy przepuszczają wiązkę antyprotonów przez kuwetę z kulturą bakteryjną i mierzą ich przeżywalność w zależności od lokalizacji, parametrów wiązki oraz fizycznych właściwości środowiska. Ten metodyczny i być może nudny zbiór danych technicznych jest ważnym punktem wyjścia dla każdej nowej technologii.
Igor Iwanow
Antymateria to materia składająca się z antycząstek, czyli cząstek o dokładnie takich samych, ale odwrotnych w znaczeniu i właściwościach cząstek, których są przeciwieństwami. Każda cząsteczka ma swoją własną lustrzaną kopię - antycząsteczkę. Antycząstki protonu, neutronu i są nazywane odpowiednio antyprotonem, antyneutronem i pozytonem. Z kolei protony i neutrony składają się z jeszcze mniejszych cząstek zwanych kwarkami. Antyprotony i antyneutrony składają się z antykwarków.
Antycząstki mają podobny, ale przeciwny ładunek, jak ich zwykłe odpowiedniki z materii, ale mają tę samą masę i są podobne pod każdym innym względem. Jak sugerują naukowcy, mogą istnieć całe galaktyki zbudowane z antymaterii. Istnieje również opinia, że we Wszechświecie może być nawet więcej antymaterii niż zwykłej materii. Nie da się jednak zobaczyć antymaterii, podobnie jak obiektów otaczającego nas zwykłego świata. Nie jest widoczny dla ludzkiego oka.
Większość astronomów nadal zgadza się, że antymaterii w przyrodzie wciąż nie ma tak dużo lub wcale, w przeciwnym razie, jak twierdzą, byłoby wiele miejsc we Wszechświecie, w których zwykła materia i antymateria zderzają się ze sobą, czemu towarzyszyłby potężny przepływ gamma promienie spowodowane ich anihilacją. Anihilacja to wzajemne unicestwienie cząstek materii i antymaterii, któremu towarzyszy uwolnienie energii. Nie znaleziono jednak takich regionów.
Jedna z możliwych hipotez dotyczących pochodzenia antymaterii jest związana z teorią Wielkiego Wybuchu. Teoria ta twierdzi, że wszystkie nasze powstały w wyniku ekspansji pewnego punktu w przestrzeni. Po wybuchu powstała równa ilość materii i antymaterii. Natychmiast rozpoczął się proces ich wzajemnego niszczenia. Jednak z jakiegoś powodu było trochę więcej materii, która pozwoliła Wszechświatowi uformować się w formie, do której jesteśmy przyzwyczajeni.
Ze względu na brak możliwości badania właściwości antymaterii naukowcy uciekają się do sztucznych metod powstawania antymaterii. Aby to uzyskać, stosuje się specjalne urządzenia naukowe - akceleratory cząstek, w których atomy materii są przyspieszane do około prędkości światła (300 000 km/s). Zderzając się, niektóre cząstki ulegają zniszczeniu, w wyniku czego powstają antycząstki, z których można uzyskać antymaterię. Trudnym problemem jest przechowywanie antymaterii, ponieważ w kontakcie ze zwykłą materią, antymateria ulega zniszczeniu. Aby to zrobić, powstałe cząsteczki antymaterii są umieszczane w próżni i wewnątrz, co utrzymuje je w stanie zawieszenia i nie pozwala im dotykać ścian magazynu.
Pomimo złożoności pozyskiwania i badania antymaterii, może ona przynieść wiele korzyści dla naszego życia. Wszystkie opierają się na fakcie, że gdy antymateria wchodzi w interakcję z materią, uwalniana jest ogromna ilość energii. Co więcej, stosunek uwolnionej energii do masy danej substancji nie jest lepszy od żadnego typu ani materiału wybuchowego. W wyniku anihilacji nie ma produktów ubocznych, tylko czysta energia. Dlatego naukowcy już marzą o jego zastosowaniu. Na przykład o antymaterii z nieskończonym zasobem. Statki kosmiczne z silnikami anihilacyjnymi będą w stanie przelecieć tysiące lat świetlnych z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Da to wojsku możliwość stworzenia ogromnej mocy, znacznie bardziej niszczycielskiej niż atom czy wodór. Jednak wszystkie te marzenia nie spełnią się, dopóki nie będziemy mogli produkować niedrogiej antymaterii na skalę przemysłową.
ANTYMATERIA, substancja składająca się z atomów, których jądra mają ujemny ładunek elektryczny i są otoczone pozytonami - elektronami o dodatnim ładunku elektrycznym. W zwykłej materii, z której zbudowany jest otaczający nas świat, dodatnio naładowane jądra są otoczone ujemnie naładowanymi elektronami. Materia zwykła, aby odróżnić ją od antymaterii, bywa nazywana współsubstancją (od greckiego). koinos- zwykły). Jednak w literaturze rosyjskiej termin ten praktycznie nie jest używany. Należy podkreślić, że określenie „antymateria” nie jest do końca poprawne, gdyż antymateria to także materia, jej różnorodność. Antymateria ma te same właściwości bezwładności i tworzy takie samo przyciąganie grawitacyjne jak zwykła materia.
Mówiąc o materii i antymaterii, logiczne jest rozpoczęcie od cząstek elementarnych (subatomowych). Każda cząstka elementarna odpowiada antycząstce; oba mają prawie takie same cechy, z wyjątkiem tego, że mają przeciwny ładunek elektryczny. (Jeżeli cząstka jest obojętna, to antycząstka również jest obojętna, ale mogą one różnić się innymi cechami. W niektórych przypadkach cząstka i antycząstka są identyczne.) Zatem elektron – ujemnie naładowana cząstka – odpowiada pozyton, a antycząstka protonu o ładunku dodatnim jest antyprotonem naładowanym ujemnie. Pozytron odkryto w 1932, a antyproton w 1955; były to pierwsze z odkrytych antycząstek. Istnienie antycząstek przewidział w 1928 r. na podstawie mechaniki kwantowej angielski fizyk P. Dirac.
Kiedy elektron i pozyton zderzają się, anihilują, tj. obie cząstki znikają, a dwa kwanty gamma są emitowane z miejsca ich zderzenia. Jeśli zderzające się cząstki poruszają się z małą prędkością, to energia każdego promieniowania gamma wynosi 0,51 MeV. Energia ta jest „energią spoczynkową” elektronu lub jego masą spoczynkową wyrażoną w jednostkach energii. Jeśli zderzające się cząstki poruszają się z dużą prędkością, energia promieni gamma będzie większa ze względu na ich energię kinetyczną. Do anihilacji dochodzi również wtedy, gdy proton zderza się z antyprotonem, ale w tym przypadku proces jest znacznie bardziej skomplikowany. Szereg krótkożyjących cząstek rodzi się jako produkty pośrednie interakcji; jednak po kilku mikrosekundach końcowymi produktami przemian pozostają neutrina, kwanty gamma i niewielka liczba par elektron-pozyton. Te pary mogą ostatecznie anihilować, tworząc dodatkowe promienie gamma. Anihilacja występuje również, gdy antyneutron zderza się z neutronem lub protonem.
Ponieważ istnieją antycząstki, powstaje pytanie, czy z antycząstek można utworzyć antyjądra. Jądra atomów zwykłej materii składają się z protonów i neutronów. Najprostszym jądrem jest jądro zwykłego izotopu wodoru 1 H; jest to pojedynczy proton. Jądro deuteru 2H składa się z jednego protonu i jednego neutronu; to się nazywa deuteron. Innym przykładem prostego jądra jest jądro 3He, które składa się z dwóch protonów i jednego neutronu. Antydeuteron, składający się z antyprotonu i antyneutronu, otrzymano w laboratorium w 1966 roku; Jądro anty-3He, składające się z dwóch antyprotonów i jednego antyneutronu, po raz pierwszy uzyskano w 1970 roku.
Zgodnie ze współczesną fizyką cząstek elementarnych, dzięki dostępności odpowiednich środków technicznych, możliwe byłoby otrzymanie antyjąder wszystkich zwykłych jąder. Jeśli te antyjądra otoczone są odpowiednią liczbą pozytonów, tworzą antyatomy. Antyatomy miałyby prawie takie same właściwości jak zwykłe atomy; tworzyłyby cząsteczki, mogłyby tworzyć ciała stałe, ciecze i gazy, w tym substancje organiczne. Na przykład dwa antyprotony i jedno jądro antytlenowe razem z ośmioma pozytonami mogą tworzyć cząsteczkę antywodną, podobną do zwykłej wody H 2 O, z której każda cząsteczka składa się z dwóch protonów jąder wodoru, jednego jądra tlenu i ośmiu elektrony. Współczesna teoria cząstek jest w stanie przewidzieć, że antywoda zamarznie w 0°C, wrze w 100°C, a poza tym będzie zachowywać się jak zwykła woda. Kontynuując takie rozumowanie, możemy dojść do wniosku, że antymateria zbudowana z antymaterii byłaby niezwykle podobna do zwykłego świata wokół nas. Ten wniosek służy jako punkt wyjścia dla teorii symetrycznego wszechświata opartych na założeniu, że wszechświat ma równą ilość zwykłej materii i antymaterii. Żyjemy w tej jego części, która składa się ze zwykłej materii.
W przypadku zetknięcia się dwóch identycznych kawałków substancji przeciwnego typu, nastąpi anihilacja elektronów z pozytonami i jąder z antyjądrami. W takim przypadku powstaną kwanty gamma, po których pojawieniu się można ocenić, co się dzieje. Ponieważ Ziemia z definicji składa się ze zwykłej materii, nie ma w niej znaczącej ilości antymaterii, z wyjątkiem niewielkiej liczby antycząstek wytwarzanych w dużych akceleratorach iw promieniowaniu kosmicznym. To samo dotyczy całego układu słonecznego.
Obserwacje pokazują, że w naszej galaktyce występuje tylko ograniczona ilość promieniowania gamma. Z tego wielu badaczy wnioskuje, że nie ma w nim zauważalnych ilości antymaterii. Ale ten wniosek nie jest bezsporny. Obecnie nie ma możliwości określenia, na przykład, czy dana pobliska gwiazda składa się z materii czy antymaterii; gwiazda z antymaterii emituje dokładnie takie samo widmo jak zwykła gwiazda. Co więcej, jest całkiem możliwe, że rozrzedzona materia, która wypełnia przestrzeń wokół gwiazdy i jest identyczna z materią samej gwiazdy, jest oddzielona od obszarów wypełnionych materią przeciwnego typu - bardzo cienkimi, wysokotemperaturowymi „warstwami Leidenfrosta”. Można więc mówić o „komórkowej” strukturze przestrzeni międzygwiazdowej i międzygalaktycznej, w której każda komórka zawiera albo materię, albo antymaterię. Hipotezę tę potwierdzają współczesne badania wykazujące, że magnetosfera i heliosfera (przestrzeń międzyplanetarna) mają strukturę komórkową. Ogniwa o różnych namagnesowaniach, a czasem także o różnych temperaturach i gęstościach są oddzielone bardzo cienkimi osłonami prądowymi. Stąd wynika paradoksalny wniosek, że obserwacje te nie zaprzeczają istnieniu antymaterii nawet w naszej Galaktyce.
O ile wcześniej nie było przekonujących argumentów na rzecz istnienia antymaterii, to teraz sukcesy astronomii rentgenowskiej i gamma zmieniły sytuację. Zaobserwowano zjawiska związane z ogromnym i często bardzo nieuporządkowanym uwalnianiem energii. Najprawdopodobniej źródłem takiego uwolnienia energii była anihilacja.
Szwedzki fizyk O. Klein rozwinął teorię kosmologiczną opartą na hipotezie symetrii między materią a antymaterią i doszedł do wniosku, że procesy anihilacji odgrywają decydującą rolę w ewolucji Wszechświata i tworzeniu się struktur galaktyk.
Coraz bardziej oczywiste staje się, że główna alternatywna teoria - teoria "Wielkiego Wybuchu" - poważnie zaprzecza danym obserwacyjnym, a centralne miejsce w rozwiązywaniu problemów kosmologicznych w najbliższej przyszłości prawdopodobnie zajmie "kosmologia symetryczna".
Antymateria to materia składająca się wyłącznie z antycząstek. W naturze każda cząstka elementarna ma antycząstkę. Dla elektronu będzie to pozyton, a dla dodatnio naładowanego protonu będzie to antyproton. Atomy zwykłej materii - inaczej się to nazywa Coinsubstancja Składają się z dodatnio naładowanego jądra, wokół którego poruszają się elektrony. Z kolei ujemnie naładowane jądra atomów antymaterii otoczone są antyelektronami.
Siły decydujące o budowie materii są takie same dla cząstek i antycząstek. Mówiąc najprościej, cząstki różnią się jedynie znakiem ładunku. Co charakterystyczne, „antymateria” nie jest do końca właściwą nazwą. Zasadniczo jest to po prostu rodzaj substancji, która ma te same właściwości i jest zdolna do tworzenia przyciągania.
Unicestwienie
W rzeczywistości jest to proces zderzenia pozytonu i elektronu. W efekcie dochodzi do wzajemnej anihilacji (anihilacji) obu cząstek z wyzwoleniem ogromnej energii. Zniszczenie 1 grama antymaterii odpowiada eksplozji ładunku TNT o masie 10 kiloton!
Synteza
W 1995 roku ogłoszono, że zsyntetyzowano pierwsze dziewięć atomów antywodoru.Żyli przez 40 nanosekund i umierali, uwalniając energię. A już w 2002 roku liczba otrzymanych atomów sięgała setek. Ale wszystkie powstałe antycząstki mogły żyć tylko nanosekundy. Sytuacja zmieniła się wraz z uruchomieniem Zderzacza Hadronów: możliwe było zsyntetyzowanie 38 atomów antywodoru i utrzymywanie ich przez całą sekundę. W tym czasie stało się możliwe przeprowadzenie pewnych badań struktury antymaterii. Nauczyli się zatrzymywać cząsteczki po stworzeniu specjalnej pułapki magnetycznej. W nim dla uzyskania pożądanego efektu powstaje bardzo niska temperatura. To prawda, że taka pułapka to bardzo kłopotliwa, skomplikowana i kosztowna sprawa.
W trylogii S. Snegova „Ludzie są jak bogowie” proces anihilacji wykorzystywany jest do lotów międzygalaktycznych. Bohaterowie powieści, używając jej, zamieniają w pył gwiazdy i planety. Ale w naszych czasach pozyskiwanie antymaterii jest znacznie trudniejsze i droższe niż wyżywienie ludzkości.
Ile kosztuje antymateria
Jeden miligram pozytonów powinien kosztować 25 miliardów dolarów. A za jeden gram antywodoru będziesz musiał zapłacić 62,5 biliona dolarów.
Nie pojawił się jeszcze tak hojny człowiek, żeby mógł kupić co najmniej jedną setną grama. Za jedną miliardową grama trzeba było zapłacić kilkaset milionów franków szwajcarskich, aby uzyskać materiał do prac eksperymentalnych nad zderzeniem cząstek i antycząstek. Jak dotąd w naturze nie ma takiej substancji, która byłaby droższa od antymaterii.
Ale jeśli chodzi o wagę antymaterii, wszystko jest dość proste. Ponieważ różni się od zwykłej materii jedynie ładunkiem, wszystkie inne cechy są takie same. Okazuje się, że jeden gram antymaterii będzie ważył dokładnie jeden gram.
Świat antymaterii
Jeśli przyjmiemy za prawdziwe to, co było, to w wyniku tego procesu powinna powstać równa ilość zarówno materii, jak i antymaterii. Dlaczego więc nie obserwujemy pobliskich obiektów składających się z antymaterii? Odpowiedź jest dość prosta: dwa rodzaje materii nie mogą ze sobą współistnieć. Na pewno się zniosą. Jest prawdopodobne, że istnieją galaktyki, a nawet wszechświaty antymaterii. a niektóre nawet widzimy. Ale emitują to samo promieniowanie, pochodzi z nich to samo światło, jak ze zwykłych galaktyk. Dlatego nadal nie można powiedzieć z całą pewnością, czy istnieje antyświat, czy jest to piękna bajka.
Czy to jest niebezpieczne?
Ludzkość zamieniła wiele użytecznych odkryć w środki zniszczenia. Antymateria w tym sensie nie może być wyjątkiem. Nie można sobie jeszcze wyobrazić broni potężniejszej niż broń oparta na zasadzie anihilacji. Może nie jest tak źle, że do tej pory nie udało się wydobyć i zachować antymaterii? Czy nie będzie to fatalny dzwon, który ludzkość usłyszy w swoim ostatnim dniu?