Антиматерія « Цікаво про науку. З точністю навпаки Антиматерія в умовах космосу
Майже все, що ми детектуємо на Землі та за допомогою штучних супутників, є речовиною. Антивещество виходить Землі з допомогою прискорювачів високих енергій. Так, наприклад, було отримано антипротони, ядра антидейтрону, антигелія, антиатоми.
Астрономічними методами безпосереднє спостереження антиматерії неможливе, т.к. фотони, що народжуються при взаємодії частинок антиматерії між собою, не відрізняються від фотонів, що народжуються при взаємодії частинок матерії. Причина в тому, що фотон є істинно нейтральною частинкою. У принципі матерію від антиматерії можна відрізнити за спостереженням нейтрино і антинейтрино, проте в даний час такі спостереження малореальні.
Якби в найближчому оточенні Землі були області, в яких домінувала антиматерія, це мало б виявлятися у вигляді анігіляційних γ-квантів, які утворюються при анігіляції матерії та антиматерії. Важливим аргументом на користь переважання матерії над антиматерією є космічні промені. Вони є частинками матерії – протони, електрони, атомні ядра, зроблені з протонів та нейтронів.
Утворення частинок антиречовини спостерігається внаслідок взаємодії високоенергійних частинок космічного випромінювання з атмосферою Землі. Античастинки утворюються в областях із підвищеною концентрацією енергії. Так, наприклад, утворення античастинок відбувається у ядрах активних галактик. Як правило, у таких випадках частинки антиматерії з'являються разом із частинками матерії. На наступній стадії відбувається утворення та анігіляція частинок речовини та антиречовини. Так, наприклад, фотон з енергією більше 1 МеВ може у полі атомного ядра утворити електрон-позитронну пару. Позитрон, що утворився, при зустрічі з електроном анігілює, утворюючи частіше 2 і рідше 3 γ-кванта.
Проблема існування антиречовини у Всесвіті є фундаментальною проблемою фізики, яка пов'язана з проблемою освіти та розвитку Всесвіту.
Існують різні гіпотези щодо того, чому спостерігається Всесвіт майже повністю складається з матерії. Чи існують області Всесвіту, де переважає антиматерія? Чи можна використовувати антиматерію? Причина очевидної асиметрії речовини та антиречовини у видимому Всесвіті одна з найбільших невирішених загадок у сучасній фізиці. Процес, з якого виникає ця асиметрія між частинками та античастинами називається баріогенезисом.
До 50-х років ХХ століття переважала думка, що у Всесвіті однакова кількість матерії та антиматерії. Проте в середині 60-х років роботи в галузі теорії Великого Вибуху похитнули цей погляд. Справді, якщо в перші моменти існування гарячого і щільного Всесвіту кількість частинок і античастинок була однаковою, то їх анігіляція призвела б до того, що у Всесвіті залишилося тільки випромінювання. В даний час більшість фізиків згідно з тим, що в результаті порушення СР-симетрії у Всесвіті в перші миті еволюції частинок утворилося трохи більше, ніж античастинок - приблизно одна частка на 10 9 пар частка-античастка. Через війну після анігіляції залишилося небагато часток.
Інша можливість пояснити домінування речовини в «ближньому» Всесвіті це припустити, що антиречовина зосереджена в далеких погано досліджених областях Всесвіту. У 1979 Флойд Стекер (Floyd Stecker) припустив, що асиметрія речовини і антиречовини могла виникнути спонтанно в перші моменти після Великого вибуху, коли речовина і антиречовина розлетілися в різні боки.
Так як електромагнітне випромінювання однаково взаємодіє як з матерією, так і з антиматерією, планети, зірки і галактики з матерії та антиматерії в електромагнітному випромінюванні виглядають однаково. Тому потрібні інші методи пошуку антиречовини у Всесвіті. Одним із таких методів є спостереження антиядер у космічному просторі. Це мають бути антиядра з масовим числом A > 4. Якби вдалося зареєструвати поблизу Землі ядра антигелія, ми отримали досить свідчення на користь існування у Всесвіті областей підвищеного вмісту антиречовини.
Чому для пошуку антиматерії слід шукати ядра антигелія чи важчі ядра? Справа в тому, що антипротони можуть утворюватися при взаємодії ультрарелятивістських протонів або інших ядер космічних променів. В енергетичному спектрі таких антипротонів (зазвичай їх називають вторинними) повинен спостерігатися широкий максимум в області 2 ГеВ. Іншими джерелами антипротонів, які називають первинними, можуть бути анігіляція гіпотетичних суперсиметричних частинок, з яких, як передбачається темна матерія, – нейтраліно та/або випаровування «первинних» чорних дірок. Парна анігіляція нейтраліно може призводити до народження кварк-антикваркових струменів, з подальшою їх адронізацією та утворенням антипротонів. Первинні чорні дірки могли утворюватися в ранньому Всесвіті. Такі чорні діри з масою 10 14-15 можуть досить інтенсивно випаровувати частки (випромінювання Хокінга). Внесок таких первинних антипротонів у енергетичний спектр, що реєструється, можна намагатися виявити в низькоенергетичній області< 1 ГэВ.
Потік вторинних антипротонів можна оцінити залежно від моделі Галактики. Він досягає максимуму за енергії ~10 ГеВ. В області енергією до кількох сотень ГеВ за характером спектру є надія отримати інформацію як про баріогенез так і/або про анігіляцію суперсиметричних частинок та/або WIMPів.
Утворення антидейтронів під впливом космічних променів значно менш імовірно. Спектр вторинних антидейтронів повинен бути зрушений в область більших енергій у порівнянні зі спектром вторинних антипротонів і швидко спадати при зменшенні енергії. Для первинних антидейтронів, що утворюються при анігіляції частинок темної матерії та/або випаровуванні первинних чорних дірок, максимум спектру очікується при енергії< 1 ГэВ.
Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо
разделены.
Імовірність утворення ядер антигелію під дією космічних променів зникає мало. Дійсно, для цього повинні в одному місці і практично одночасно утворитися два антипротони і два антинейтрони, причому їх відносні швидкості повинні бути малі. У 1997 р. Паскаль Шардоне (Pascal Chardonnet) оцінив ймовірність такої події. За його оцінками, одне ядро антигелія може утворитися на 10 15 ультрарелятивістських протонів космічних променів. Середній час очікування такої події становить 15 мільярдів років, що можна порівняти з віком Всесвіту.
Якщо у Всесвіті ранній стадії еволюції дійсно утворилися області простору, у яких переважає матерія чи антиматерія, всі вони повинні розділятися, т.к. на межі цих областей утворюється світловий тиск, який поділяє речовину та антиречовину. На кордоні між областями з матерією та антиматерією має відбуватися анігіляція, відповідно випромінюватись анігіляційні гамма-кванти. Проте сучасні гамма-телескопи таке випромінювання не фіксують. Виходячи з чутливості телескопів, було проведено оцінки. Згідно з ними, області антиречовини не можуть ближче за 65 мільйонів світлових років. Таким чином, таких областей немає не тільки в нашій галактиці, але і в нашому скупченні галактик, що включає крім Чумацького шляху ще 50 інших галактик.
Реєстрація ядер антигелію утворених на таких відстанях є складною проблемою. Не так просто ядру антигелія долетіти з такої далекої відстані до детектора і бути зареєстрованим. Зокрема, воно може «заплутатися» у галактичних та міжгалактичних магнітних полях і таким чином ніколи не відлетіти далеко від місця своєї освіти. Крім того, антигелію постійно загрожуватиме небезпека анігіляції. І, нарешті, детектор невелика мета, щоб у нього можна було легко потрапити з такої гігантської відстані. Тому ефективність реєстрації ядер антигелію вкрай низька.
У разі «подорожі» антигелія дуже багато неясного, що дозволяє оцінити ймовірності реєстрації ядер . Завжди зберігається можливість того, що якби детектор трохи більш чутливий, і відкриття відбулося б.
Ясно тільки, що час «подорожі» антиядра невеликої енергії може бути меншим, ніж час існування Всесвіту. Тому полювати треба за високоенергетичними антиядрами. Крім того, такі ядер мають більше шансів подолати галактичний космічний вітер.
Що стосується позитронів і антипротонів, то їх теж можуть випромінювати гіпотетичні області антиматерії і давати внесок у спектри, що вимірюються поблизу Землі. Порівняно з антипротонами, позитрони складніше реєструвати. Це пов'язано з тим, що потоки протонів, які є джерелом фону, 10 3 більше, ніж потоки позитронів. Сигнали від позитронів, що прилетіли від областей антиматерії, можуть потонути в сигналах від позитронів, що виникли внаслідок інших процесів. Тим часом походження позитронів у космічних променях також до кінця не відомо. Чи є у космічних променях первинні позитрони? Чи є зв'язок між надлишком антипротонів та позитронів? Для прояснення ситуації необхідний вимір спектрів позитронів у широкому енергетичному діапазоні.
Перший запуск приладу для дослідження космічних променів у верхні шари атмосфери за допомогою повітряної кулі здійснив у 1907 році Віктор Гесс. Аж до початку 50-х років ХХ століття вивчення космічних променів було джерелом найважливіших відкриттів у фізиці частинок. Починаючи з 1979 р. в таких експериментах спостерігалися антипротони (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, p.330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Вони відкрили нові можливості у дослідженні антиматерії та темної матерії. У сучасних дослідженнях космічних променів використовуються методики, розробленої для експериментів на прискорювачах.
До останнього часу майже вся інформація про античастинки у космічних променях була отримана за допомогою детекторів, що запускаються у високі шари атмосфери на повітряних кулях. При цьому виникла підозра, що антипротонів більше, ніж випливало з оцінок ймовірності їх виникнення внаслідок взаємодії космічних променів із міжзоряним середовищем (вторинних антипротонів). Пропоновані пояснення «надлишкових» антипротонів механізми давали різні передбачення для енергетичних спектрів антипротонів. Однак нетривалий час польоту повітряної кулі та наявність залишків земної атмосфери обмежували можливості такого роду експериментів. Дані мали велику невизначеність, крім того, не сягали енергії далі 20 ГеВ.
Для реєстрації античастинок використовуються великі повітряні кулі (до 3 млн. кубічних метрів), здатні підняти на висоту ~40 км важкі детектори масою до 3 т. Як правило, як Монгольф'є вони відкриті внизу, і втрачають гелій при падінні зовнішньої температури. Найчастіше тривалість польоту вбирається у 24 години. Крім того, температури атмосфери після швидкого зменшення з нуля до 20–25 км починає зростати, досягаючи максимуму на висоті ~40 км, після чого починає знову зменшуватися. Оскільки при зниженні температури зовнішнього повітря об'єм повітряної кулі зменшується, максимальна висота підйому не може бути вищою, ніж ~40 км. На цій висоті атмосфера ще досить щільна, і потік антипротонів з енергіями в кілька десятків ГеВ, що утворюються при взаємодії первинних космічних променів із залишковою атмосферою, перевищує потік антипротонів, що утворюються в галактичному середовищі. Для більш високих енергій зареєстрованих частинок помилки стають надто більшими, щоб отримати надійні результати.
Останнім часом почали здійснюватися триваліші польоти (до 20 днів). У них також використовуються відкриті кулі, але втрати гелію були суттєво знижені, за рахунок того, що запуски куль-зондів здійснювалися у дуже високих широтах поблизу полюсів під час полярного дня. Проте, маса їхнього корисного навантаження, при польотах на висоту 40км не перевищує 1 т. Це дуже мало для вимірювання потоків антиречовини при високих енергіях. Для реалізації наддовгих польотів на повітряних кулях (близько 100 днів) передбачається використовувати і закриті кулі. Вони товщі і важчі, не втрачають гелію і можуть витримати різницю тисків усередині та зовні. Вони можуть піднімати відносно легкі інструменти менше 1 т.
Рис. 20.1. Запуск кулі-зонда з фізичною апаратурою.
Рис. 20.2. Детектори космічного випромінювання BESS-Polar II. Спектрометр (1) із сонячними батареями (2).
Пошук антигелію за допомогою спектрометрів на повітряних кулях здійснювався в рамках експерименту BESS (B alloon-borne E xperiment with S uperconducting S pectrometer) (рис. 20.2). З 1993 по 2000 р. спектрометри BESS неодноразово запускалися у верхні шари атмосфери в північній Канаді. Тривалість польотів була близько однієї доби. Спектрометр постійно вдосконалювався та підвищувалася чутливість. Сумарна чутливість для відношення гелій/антигелій досягнута в цій серії польотів ~6.8×10 −7 у діапазоні жорсткості 1-14 ГВ. В експерименті BESS-TeV (2001) діапазон жорсткості спектрометра був збільшений до 500 ГВ і досягнута чутливість 1.4×10 -4 . Для збільшення статистики у 2004-2008 роках. багатоденні польоти удосконалених спектрометрів (0.6-20 ГВ) здійснювалися в Антарктиці. У 2004-2005 рр. – у польоті BESS-Polar I, який тривав 8.5 днів, було досягнуто чутливості 8×10 −6 . У 2007-2008 роках. у польоті BESS-Polar II (тривалість вимірювань 24.5 дня) досягнуто чутливість 9.8×10 -8 . Сумарна чутливість з урахуванням усіх польотів BESS досягла величини 6.7×10 -8. Жодного ядра антигелія виявлено був.
Магнітний спектрометр, який використовувався в польоті BESS-Polar II, складається з надпровідного соленоїдального магніту з надтонкими стінками, центрального трекера (JET/IDC), час-пролітного рокоскопа (TOF) та черенківського детектора (рис. 20.3).
Рис. 20.3. Спектрометр експерименту BESS-Polar II у розрізі.
Час-прогоновий рокоскоп дозволяє вимірювати швидкість (β) та енергетичні втрати (dE/dx). Він складається з верхнього та нижнього пластикових сцинтиляційних лічильників, складених з 10 та 12 сцинтиляційних смужок (100×950×10 мм). Тимчасова роздільна здатність системи часу прольоту ~70 пс. Крім того, є ще третій сцинтиляційний лічильник (Middle-TOF), який знаходиться всередині соленоїда та складається з 64 стрижнів пластикового сцинтилятора. Він дозволяє знизити енергетичний поріг реєстрації за рахунок частинок, які не здатні пролетіти нижню частину соленоїда.
Дрейфові камери знаходяться у однорідному полі магніту. По 28 точках, у кожній з точністю 200 мкм, розраховується кривизна траєкторії частки, що влітає в спектрометр, що дозволяє визначити її магнітну жорсткість R = pc/Ze і знак заряду.
Аерогелієвий черенківський лічильник дозволяє сепарувати сигнали від антипротонів та антидейтронів від фону e-/μ-.
Рис. 20.4. Ідентифікація частинок в установці BESS.
Ідентифікація частинок проводиться за масою (рис. 20.4), яка пов'язана з виміряними за допомогою час-прогонових лічильників і дрейфових камер жорсткістю R, швидкістю частинки β і втратами енергії dE/dx співвідношенням
І тому виділяються відповідні області на двовимірних розподілах dE/dx – |R| та β-1 – R.
Антипротонний радіаційний пояс Землі
Колаборацією PAMELA було виявлено радіаційний пояс навколо Землі у сфері Південної Атлантичної аномалії. Були виміряні спектри антипротонів та протонів безпосередньо в радіаційному поясі та поза радіаційним поясом (рис. 20.5, 20.6).
Показано, що антипротони, що реєструвалися детекторними установками, встановленими на балонах та супутниках, мають вторинне походження. Вони утворюються в результаті взаємодії галактичних космічних променів з міжзоряною речовиною або атмосферою реакції pp → ppp. Проте суттєво більший внесок вносить розпад альбідних антинейтронів (антинейтронів, потік яких спрямований від Землі), що виникають у реакції
pp → ppn .
Ці антинейтрони проходять крізь геомагнітне поле та розпадаються, утворюючи антипротони → + e + + ν e . Частина з антипротонів, що утворилися, може бути захоплена магнітосферою, утворюючи радіаційний пояс антипротонів. Як основним джерелом радіаційного поясу протонів є розпад нейтронів альбедо, і розпад антинейтронів призводить до утворення поясу антипротонів.
З експериментальних даних випливає, що щільність антипротонів у радіаційному поясі на 3-4 порядки більша, ніж щільність антипротонів поза радіаційним поясом. Форма спектра антипротонів, утворених безпосередньо в результаті взаємодії галактичних космічних променів, практично збігається з формою спектра антипротонів поза радіаційним поясом антипротонів.
Проблема виявлення антиматерії у Всесвіті далека від вирішення. Активний пошук антиматерії передбачено у програмах космічних телескопів Фермі та інших.
Нещодавно членам колаборації ALICE в ЦЕРН з рекордною точністю виміряти маси ядер антиречовини і навіть оцінити енергію, яка зв'язує антипротони з антинейтронами. Поки значної різниці між цими параметрами в речовині та антиречовині не було знайдено, але не це головне. Важливо, що саме зараз, останні кілька років, для вимірювань і спостережень стають доступні як античастки, а й антиядра і навіть антиатоми. Отже, саме час розібратися з тим, що таке антиматерія і яке її дослідження займають у сучасній фізиці.
Давайте спробуємо вгадати деякі з ваших перших питань про антиматерію.
А чи правда, що на основі антиматерії можна зробити надпотужну бомбу? А що, в ЦЕРНі справді накопичують антиречовину, як показано у фільмі «Ангели та демони», і що це дуже небезпечно? А чи правда, що антиматерія буде виключно ефективним паливом для космічних перельотів? А чи є хоч частка правди в ідеї про позитронний мозок, яким Айзек Азімов у своїх творах наділив роботів?
Не секрет, що для більшості антиматерія асоціюється з чимось винятково (вибухом) небезпечним, з чимось підозрілим, з чимось хвилюючим уяву фантастичними обіцянками та величезними ризиками – звідси й подібні питання. Зізнаємось: закони фізики всього цього прямо не забороняють. Проте реалізація цих ідей настільки далека від реальності, від сучасних технологій та від технологій найближчих десятиліть, що прагматична відповідь проста: ні, для сучасного світу це все неправда. Розмова на ці теми - це просто фантастика, що спирається не на реальні наукові та технічні досягнення, а на їхню екстраполяцію далеко за межі сучасних можливостей. Якщо хочете серйозно поспілкуватися на ці теми, приходьте ближче до 2100 року. А поки що давайте поговоримо про реальні наукові дослідження антиматерії.
Що таке антиматерія?
Наш світ влаштований так, що для кожного сорту частинок – електронів, протонів, нейтронів тощо. - Існують античастинки (позитрони, антипротони, антинейтрони). Вони мають ту ж масу і, якщо вони нестабільні, тим самим часом напіврозпаду, але протилежними за знаком зарядами та іншими числами, що характеризують взаємодію. У позитронів та ж маса, що й у електронів, але тільки позитивний заряд. У антипротонів – заряд негативний. Антинейтрони електрично нейтральні, так само як і нейтрони, але мають протилежне баріонне число і складаються з антикварків. З антипротонів та антинейтронів можна зібрати антиядро. Додавши позитронів, ми створимо антиатоми, а накопичивши їх – отримаємо антиречовину. Це все і є антиматерією.
І тут одразу є кілька цікавих тонкощів, про які варто розповісти. Насамперед, саме собою існування античастинок - це величезний тріумф теоретичної фізики. Ця неочевидна, а для деяких навіть шокуюча ідея була виведена Полем Дірак теоретично і спочатку сприймалася в багнети. Більше того, навіть після відкриття позитронів багато хто все одно сумнівався в існуванні антипротонів. По-перше, говорили вони, Дірак вигадав свою теорію для опису електрона, і не факт, що для протона вона спрацює. Ось, наприклад, магнітний момент протона в кілька разів відрізняється від прогнозу теорії Дірака. По-друге, сліди антипротонів довго шукали у космічних променях, і щось нічого не знайшлося. По-третє, вони стверджували, - буквально повторюючи наші слова, - що якщо є антипротони, тоді повинні існувати й антиатоми, антизірки та антигалактики, і ми обов'язково їх помітили б за грандіозними космічними вибухами. Якщо ми цього не бачимо, то мабуть тому, що антиречовини не буває. Тому експериментальне відкриття антипротону в 1955 на щойно запущеному прискорювачі Беватрон стало досить нетривіальним результатом, відзначеним Нобелівської премією з фізики за 1959 рік. У 1956 році на тому ж прискорювачі було відкрито й антинейтрон. Розповідь про ці пошуки, сумніви та досягнення можна знайти у численних історичних нарисах, наприклад, ось у цій доповіді або в нещодавній книзі Франка Клоуза Antimatter.
Втім, треба окремо сказати, що здоровий сумнів у суто теоретичних твердженнях завжди корисний. Наприклад, твердження, що античастинки мають таку ж масу, як і частинки - це теж теоретично отриманий результат, він випливає з дуже важливої CPT-теореми. Так, на цьому твердженні побудована сучасна, багаторазово перевірена на досвіді фізика мікросвіту. Але все одно це рівність: хто знає, можливо так ми намацаємо межі застосування теорії.
Інша особливість: не всі сили мікросвіту відносяться однаково до частинок та античасток. Для електромагнітних та сильних взаємодій різниці між ними немає, для слабких – є. Через це відрізняються деякі тонкі деталі взаємодій частинок і античастинок, наприклад, ймовірності розпаду частинки A на набір частинок B і анти-A на набір анти-B (трохи докладніше для відмінностей див. на вибірці Павла Пахова). Ця особливість виникає тому, що слабкі взаємодії порушують СР-симетрію нашого світу. А ось чому так виходить – це одна із загадок елементарних частинок, і вона потребує виходу за межі відомого.
А ось ще одна тонкість: у деяких частинок так мало характеристик, що античастинки та частки взагалі не відрізняються одна від одної. Такі частки називаються справді нейтральними. Це фотон, бозон Хіггса, нейтральні мезони, що складаються з кварків та антикварків однакового гатунку. А ось із нейтрино ситуація поки що незрозуміла: можливо, вони істинно нейтральні (майоранівські), а може – ні. Це має найважливіше значення для теорії, що описує маси та взаємодії нейтрино. Відповідь на це запитання реально стане великим кроком уперед, бо допоможе розібратися з потроєнням нашого світу. Експеримент поки що нічого однозначного з цього приводу не сказав. Але експериментальна програма з нейтринних досліджень настільки потужна, експериментів ставиться так багато, що фізики поступово наближаються до розгадки.
Де вона, ця антиматерія?
Античастинка при зустрічі зі своєю частинкою анігілює: обидві частинки зникають і перетворюються на набір фотонів або більш легких частинок. Вся енергія спокою перетворюється на енергію цього мікровибуху. Це найефективніше перетворення маси на теплову енергію, що у сотні разів перевершує за ефективністю ядерний вибух. Але жодних грандіозних природних вибухів ми довкола себе не бачимо; антиматерії у помітних кількостях у природі немає. Проте окремі античастинки цілком можуть народжуватися у різноманітних природних процесах.
Найпростіше народжувати позитрони. Найпростіший варіант - радіоактивність, розпад деяких ядер за рахунок позитивної бета-радіоактивності. Наприклад, в експериментах як джерело позитронів часто використовується ізотоп натрію-22 з періодом піврозпаду два з половиною роки. Інше, досить несподіване природне джерело, під час яких іноді детектуються спалахи гамма-випромінювання від анігіляції позитронів, а це означає, що позитрони там якось народилися.
Антипротони та інші античастинки породжувати складніше: енергії радіоактивного розпаду для цього не вистачає. У природі вони народжуються під дією космічних променів високих енергій: космічний протон, зіткнувшись із якоюсь молекулою у верхніх шарах атмосфери, породжує потоки частинок та античастинок. Однак це відбувається там, нагорі, до землі антипротори майже не долітають (про що не знали ті, хто в 40-х роках шукав антипротонів у космічних променях), та й у лабораторію це джерело антипротонів не принесеш.
У всіх фізичних експериментах антипротони виробляють «грубою силою»: беруть пучок протонів великої енергії, спрямовують його на мішень, і сортують «адронні ошметки», які у великій кількості народжуються у цьому зіткненні. Сортовані антипротони виводять у вигляді пучка, а далі або розганяють їх до великих енергій для того, щоб зіштовхувати з протонами (так працював, наприклад, американський коллайдер Теватрон), або, навпаки, уповільнюють їх і використовують для більш тонких вимірів.
У ЦЕРНі, який може по праву пишатися довгою історією досліджень антиречовини, працює спеціальний «прискорювач» AD, «Антипротонний сповільнювач», який якраз і займається цим завданням. Він бере пучок антипротонів, охолоджує їх (тобто пригальмовує), і далі розподіляє потік повільних антипротонів за декількома спеціальними експериментами. До речі, якщо хочете подивитися на стан AD у реальному часі, то церновські монітори це дозволяють.
Синтезувати антиатоми, навіть найпростіші атоми антиводню, вже дуже важко. У природі вони взагалі не виникають – немає відповідних умов. Навіть у лабораторії потрібно подолати безліч технічних труднощів, перш ніж антипротони допоможуть з'єднатися з позитронами. Проблема в тому, що антипротони та позитрони, що вилітають із джерел, все ще занадто гарячі; вони просто зіткнуться один з одним і розлетяться, а не утворюються антиатом. Фізики ці проблеми все ж таки долають, але досить хитрими методами (, як це робиться в одному з церновських експериментів ASACUSA).
Що відомо про антиядра?
Усі антиатомні досягнення людства відносяться лише до антиводню. Антиатому інших елементів досі не синтезовані в лабораторії і не спостерігалися в природі. Причина проста: антиядра створювати ще складніше, ніж антипротони.
Єдиний відомий нам спосіб створювати антиядра – це стикати важкі ядра великих енергій та дивитися, що там виходить. Якщо енергія зіткнень велика, у ньому народяться і розлетяться на всі боки тисячі частинок, у тому числі, антипротони та антинейтрони. Антипротони та антинейтрони, що випадково вилетіли в одному напрямку, можуть об'єднатися один з одним - вийде антиядро.
Детектор ALICE вміє розрізняти різні ядра та антиядра з енерговиділення та напрямку закрутки в магнітному полі.
Зображення: CERN
Метод простий, але не надто неефективний: можливість синтезувати ядро таким способом різко падає зі збільшенням числа нуклонів. Найлегші антиядра, антидейтрони, вперше спостерігалися рівно півстоліття тому. Антигелій-3 побачили у 1971 році. Відомий також антитритон та антигелій-4, причому останній був відкритий зовсім недавно, у 2011 році. Тяжкіші антиядра досі не спостерігалися.
Два параметри, що описують нуклон-поклонні взаємодії (довжина розсіювання f0 і ефективний радіус d0) для різних пар частинок. Червона зірочка – результат для пари антипротонів, отриманий колаборацією STAR.
На жаль, антиатомів у такий спосіб не зробиш. Антиядра не тільки народжуються рідко, але й мають занадто велику енергію і вилітають на всі боки. Намагатися їх відловити на колайдері, щоб потім відвести спеціальним каналом і охолодити, нереально.
Втім, іноді досить уважно відстежити антиядра на льоту, щоб отримати цікаву інформацію про антиядерні сили, що діють між антинуклонами. Найпростіша річ - це акуратно виміряти масу антиядер, порівняти її із сумою мас антипротонів і антинейтронів, і обчислити дефект мас, тобто. енергію зв'язку ядра. Це нещодавно працює на Великому адронному колайдері; енергія зв'язку для антидейтрона та антигелію-3 у межах похибки співпала зі звичайними ядрами.
Інший більш тонкий ефект вивчив експеримент STAR на американському колайдері важких іонів RHIC. Він виміряв кутовий розподіл народжених антипротонів і з'ясував, як воно змінюється, коли два антипротони вилітають у дуже близькому напрямку. Кореляції між антипротонами дозволили вперше виміряти властивості «антіядерних» сил, що діють між ними (довжину розсіювання та ефективний радіус взаємодії); вони збіглися з тим, що відомо про взаємодію протонів.
Чи є антиматерія у космосі?
Коли Поль Дірак вивів зі своєї теорії існування позитронів, він цілком припускав, що десь у космосі можуть існувати справжні антисвіти. Зараз ми знаємо, що зірок, планет, галактик з антиречовини у видимій частині Всесвіту немає. Справа навіть не в тому, що не видно анігіляційних вибухів; просто зовсім неймовірно, як вони взагалі могли б утворитися і дожити до теперішнього часу в постійному еволюціональному всесвіті.
Але питання «як так вийшло» - це ще одна величезна загадка сучасної фізики; науковою мовою вона називається проблемою баріогенезу. Згідно з космологічною картиною світу, в ранньому всесвіті частинок і античастинок було порівну. Потім, в силу порушення CP-симетрії і баріонного числа, у всесвіті, що динамічно розвивається, повинен був з'явитися невеликий, на рівні однієї мільярдної, надлишок матерії над антиматерією. При охолодженні всесвіту всі античастинки проаннингировали з частинками, вижив лише цей надлишок речовини, який і породив той всесвіт, який ми спостерігаємо. Саме через нього в ній лишилося хоч щось цікаве, саме завдяки ньому ми взагалі існуємо. Як саме виникла ця асиметрія – невідомо. Теорій існує багато, але яка з них вірна – невідомо. Ясно лише, що це має бути якась Нова фізика, теорія, яка виходить межі Стандартної моделі, межі експериментально перевіреного.
Три варіанти того, звідки можуть взятися античастинки в космічних променях високої енергії: 1 - вони можуть просто виникати і розганятися в «космічному прискорювачі», наприклад, у пульсарі; 2 - вони можуть народжуватися при зіткненнях простих космічних променів з атомами міжзоряного середовища; 3 - можуть виникати при розпаді важких частинок темної матерії.
Хоч планет і зірок з антиречовини немає, антиматерія в космосі все ж таки присутня. Потоки позитронів та антипротонів різних енергій реєструються супутниковими обсерваторіями космічних променів, такими як PAMELA, Fermi, AMS-02. Той факт, що позитрони та антипротони прилітають до нас із космосу, означає, що вони десь там народжуються. Високоенергетичні процеси, які можуть їх породити, в принципі відомі: це сильно замагнічені околиці нейтронних зірок, різні вибухи, прискорення космічних променів на фронтах ударних хвиль у міжзоряному середовищі тощо. Питання в тому, чи можуть вони пояснити всі властивості потоку космічних античастинок. Якщо виявиться, що ні, це буде свідченням на користь того, що деяка їхня частка виникає при розпаді або анігіляції частинок темної матерії.
Тут також є своя загадка. У 2008 році обсерваторія PAMELA виявила підозріло велику кількість позитронів великих енергій у порівнянні з тим, що передбачало теоретичне моделювання. Цей результат був надавно підтверджений установкою AMS-02 – одним з модулів Міжнародної Космічної Станції та взагалі найбільшим детектором елементарних частинок, запущеним у космос (і зібраним здогадайтеся де? – Правильно, у ЦЕРНі). Цей надлишок позитронів розбурхує розум теоретиків - адже відповідальним за нього можуть виявитися не «нудні» астрофізичні об'єкти, а важкі частинки темної матерії, які розпадаються або анігілюють в електрони та позитрони. Ясності тут поки що немає, але установка AMS-02, а також багато критично налаштованих фізиків, дуже ретельно вивчають це явище.
Відношення антипротонів до протонів у космічних променях різної енергії. Крапки – експериментальні дані, різнокольорові криві – астрофізичні очікування з різноманітними похибками.
Зображення: Cornell University Library
З антипротонами теж ситуація неясна. У квітні цього року AMS-02 на спеціальній науковій конференції представив попередні результати нового циклу досліджень. Головною родзинкою доповіді стало твердження, що AMS-02 бачить занадто багато антипротонів високої енергії – і це також може бути натяком на розпад частинок темної матерії. Втім, інші фізики з таким бадьорим висновком не згодні. Зараз вважається, що антипротонні дані AMS-02, з деякою натяжкою, можна пояснити і звичайними астрофізичними джерелами. Так чи інакше, всі з нетерпінням чекають на нові позитронні та антипротонні дані AMS-02.
AMS-02 зареєструвала вже мільйони позитронів та чверть мільйона антипротонів. Але у творців цієї установки є світла мрія – упіймати хоч одне антиядро. Ось це буде справжня сенсація – зовсім неймовірно, щоб антиядра народилися десь у космосі та долетіли б до нас. Поки що жодної такої нагоди не виявлено, але набір даних триває, і хто знає, які сюрпризи готує нам природа.
Антиматерія – антигравітує? Як вона взагалі відчуває гравітацію?
Якщо спиратися тільки на експериментально перевірену фізику і не вдаватися в екзотичні, ніяк не підтверджені теорії, то гравітація повинна діяти на антиматерію точно так, як на матерію. Жодної антигравітації для антиматерії не очікується. Якщо ж дозволити собі зазирнути трохи далі, за межі відомого, то суто теоретично можливі варіанти, коли навантаження до звичайної універсальної гравітаційної сили існує щось додаткове, яке по-різному діє на речовину і антиречовину. Хоч би якою примарною здавалася ця можливість, її потрібно перевірити експериментально, а для цього треба поставити досліди з перевірки того, як антиматерія відчуває земне тяжіння.
Довгий час це до ладу не вдавалося зробити з тієї простої причини, що для цього треба створити окремі атоми антиречовини, упіймати їх у пастку, і провести з ними експерименти. Зараз це робити навчилися, тож довгоочікувана перевірка вже не за горами.
Головний постачальник результатів - той же ЦЕРН зі своєю великою програмою з вивчення антиречовини. Деякі з цих експериментів вже побічно перевірили, що з гравітацією в антиматерії все гаразд. Наприклад, виявив, що (інертна) маса антипротону збігається з масою протона з дуже високою точністю. Якби гравітація діяла на антипротон якось інакше, фізики помітили б різницю - адже порівняння проводилося в одній і тій же установці і в однакових умовах. Результат цього експерименту: дія гравітації на антипротони збігається з дією на протони з точністю краще за одну мільйонну.
Втім, цей вимір – непрямий. Для більшої переконливості хочеться поставити прямий експеримент: взяти кілька атомів антиречовини, упустити їх і подивитися, як вони будуть падати в полі тяжкості. Такі експерименти також проводяться або готуються в ЦЕРНі. Перша спроба була не надто вражаючою. У 2013 році експеримент ALPHA, - який на той час вже навчився утримувати хмаринку антиводню у своїй пастці, - спробував визначити, куди будуть падати антиатоми, якщо пастку відключають. На жаль, через низьку чутливість експерименту однозначної відповіді отримати не вдалося: часу пройшло дуже мало, антиатоми металися в пастці туди-сюди, і спалахи анігіляції траплялися то тут, то там.
Ситуацію обіцяють кардинально покращити два інші церновські експерименти: GBAR і AEGIS. Обидва ці експерименти перевірять різними способами, як падає в поле тяжкості хмарка надхолодного антиводню. Їхня очікувана точність з вимірювання прискорення вільного падіння для антиречовини - близько 1%. Обидві установки зараз перебувають у стадії складання та налагодження, а основні дослідження почнуться в 2017 році, коли антипротонний сповільнювач AD буде доповнений новим кільцем ELENA .
Варіанти поведінки позитрона у твердій речовині.
Зображення: nature.com
Що станеться, якщо позитрон потрапить до речовини?
Утворення молекулярного позитрону на кварцовій поверхні.
Зображення: Clifford M. Surko / Atomic physics: A whiff of antimatter soup
Якщо ви дочитали до цього місця, то вже чудово знаєте, що як тільки частка антиречовини потрапляє в звичайну речовину, відбувається анігіляція: частинки та античастинки зникають і перетворюються на випромінювання. Але як швидко це відбувається? Уявімо позитрон, який прилетів із вакууму і увійшов у тверду речовину. Чи проанігілює він при зіткненні з першим атомом? Не обов'язково! Аннілігація електрона та позитрону - процес не миттєвий; він потребує тривалого за атомними масштабами часу. Тому позитрон встигає прожити в речовині яскраве та насичене нетривіальними подіями життя.
По-перше, позитрон може підхопити безхазяйний електрон та утворити пов'язаний стан – позитроній (Ps). При відповідній орієнтації спинів позитроній може жити десятки наносекунд до анігіляції. Перебуваючи в суцільній речовині, він встигне за цей час зіткнутися з атомами мільйони разів, адже теплова швидкість позитрону за кімнатної температури - близько 25 км/сек.
По-друге, дрейфуючи в речовині, позитроній може вийти на поверхню та залипнути там – це позитронний (а точніше, позитронієвий) аналог адсорбції атомів. При кімнатній температурі він сидить одному місці, а активно подорожує поверхнею. І якщо це не зовнішня поверхня, а пора нанометрового розміру, то позитроній виявляється у ній на тривалий час.
Дальше більше. У стандартному матеріалі для таких експериментів пористому кварці пори не ізольовані, а об'єднані наноканалами в загальну мережу. Тепленький позитроній, повзаючи поверхнею, встигне обстежити сотні пір. А оскільки позитронієв у таких експериментах утворюється багато і майже всі вони вилазять у пори, то рано чи пізно вони натикаються один на одного і, взаємодіючи, іноді утворюють справжнісінькі молекули - молекулярний позитроній, Ps 2 . Далі вже можна вивчати, як поводиться позитронієвий газ, які у позитронію є збуджені стани і т.д. І не думайте, що це суто теоретичні міркування; всі перелічені ефекти вже перевірені та вивчені експериментально.
Чи є у антиречовини практичне застосування?
Зрозуміло. Взагалі будь-який фізичний процес, якщо він відкриває перед нами якусь нову грань нашого світу і не вимагає при цьому якихось надвитрат, обов'язково знаходить практичні застосування. Причому такі застосування, до яких ми самі не здогадалися, якби не відкрили і не вивчили попередньо наукову сторону цього явища.
Найвідомішим прикладним застосуванням античастинок є ПЕТ, позитронно-емісійна томографія. Взагалі, ядерна фізика має вражаючий послужний список медичних застосувань, і античастинки тут теж не залишилися без діла. При ПЕТ в організм пацієнта вводять невелику дозу препарату, що містить нестабільний ізотоп з коротким часом життя (хвилини та години) і розпадається за рахунок позитивного бета-розпаду. Препарат накопичується в потрібних тканинах, ядра розпадаються і випускають позитрони, які анігілюють поблизу та видають два гамма-кванти певної енергії. Детектор реєструє їх, визначає напрямок і час їхнього прильоту, і відновлює те місце, де стався розпад. Так вдається побудувати тривимірну карту розподілу речовини з високою просторовою роздільною здатністю та з мінімальною радіаційною дозою.
Позитрони можна застосовувати і в матеріалознавстві, наприклад, для вимірювання пористості речовини. Якщо речовина суцільна, то позитрони, що застрягли в речовині на глибині, досить швидко анігілюють і випускають гамма-кванти. Якщо всередині речовини є нанопори, анігіляція затримується, оскільки позитроній залипає на поверхні пори. Вимірюючи цю затримку, можна дізнатися ступінь нанопористості речовини безконтактним та неруйнівним методом. Як ілюстрація цієї методики - нещодавня робота про те, як з'являються і затягуються нанопори в тонкому шарі льоду при осадженні пари на поверхню. Аналогічний підхід працює і щодо структурних дефектів в напівпровідникових кристалах, наприклад, вакансій і дислокацій, дозволяє виміряти структурну втому матеріалу.
Медичне застосування може бути і для антипротонів. Зараз у тому ж ЦЕРН проводиться експеримент ACE, який вивчає вплив антипротонного пучка на живі клітини. Його мета – вивчити перспективи використання антипротонів для терапії ракових пухлин.
Енерговиділення іонного пучка та рентгена при проходженні крізь речовину.
Зображення: Johannes Gutleber / CERN
Ця ідея може з незвички жахнути читача: як так, антипротонним пучком – і живою людиною?! Так, і це набагато безпечніше, ніж опромінювати глибоку пухлину рентгеном! Антипротонний пучок спеціально підібраної енергії стає в руках хірурга ефективним інструментом, за допомогою якого можна випалювати пухлини глибоко всередині тіла та мінімізувати вплив на навколишні тканини. На відміну від рентгена, який палить все, що потрапляє під промінь, важкі заряджені частинки на своєму шляху крізь речовину виділяють основну частку енергії на останніх сантиметрах перед зупинкою. Налаштовуючи енергію частинок, можна варіювати глибину, де зупиняються частки; ось на цю область розміром в міліметри і прийде основний радіаційний вплив.
Така радіотерапія протонним пучком вже давно використовується у багатьох добре оснащених клініках світу. Останнім часом деякі з них переходять на іонну терапію, в якій використовують пучок не протонів, а іонів вуглецю. Для них профіль енерговиділення ще більш контрастний, а значить, ефективність пари «терапевтичного впливу проти побічних ефектів» зростає. Але вже давно пропонується спробувати для цього і антипротони. Адже вони, потрапляючи в речовину, не просто віддають свою кінетичну енергію, а ще й анігілюють після зупинки – і це посилює енерговиділення у кілька разів. Де осідає це додаткове енерговиділення – складне питання, і його потрібно уважно вивчити, перш ніж запускати клінічні випробування.
Саме цим займається експеримент ACE. У ході нього дослідники пропускають пучок антипротонів через кюветку з бактеріальною культурою та вимірюють їх виживання залежно від місця, від параметрів пучка та від фізичних характеристик навколишнього середовища. Такий методичний і, мабуть, нудний збір технічних даних – важливий початковий етап будь-якої нової технології.
Ігор Іванов
Антиматерія - це матерія, що складається з античастинок, тобто частинок з такими ж, але зворотними за значенням і властивостями тих частинок, протилежностями яких вони є. Кожна частка має свою дзеркальну копію - античастинку. Античастинки протона, нейтрона і називаються антипротоном, антинейтроном та позитроном, відповідно. Протони і нейтрони, у свою чергу, складаються з ще менших частинок, які називаються кварками. Антипротони та антинейтрони складаються з антикварків.
Античастинки переносять аналогічний, але протилежний за значенням заряд, як і їх прототипи зі звичайної матерії, але мають ту саму масу і схожі на них у всіх інших відносинах. Як припускають вчені, можуть існувати цілі галактики з антиматерії. Також є думка, що антиречовини у Всесвіті може бути навіть більшою, ніж звичайної речовини. Але побачити антиматерію неможливо, так само як об'єкти навколишнього нас звичайного світу. Вона не помітна для людського зору.
Більшість астрономів, все ж таки сходяться на думці, що антиречовини все-таки не так вже й багато або взагалі немає в природі, інакше, як вони міркують, у Всесвіті було б багато місць де звичайна матерія та антиматерія стикаються один з одним, що супроводжувалося б потужним потоком гамма-променів, спричинених їх анігіляцією. Анігіляція – це взаємознищення частинок матерії та антиматерії, що супроводжується виділенням енергії. Однак таких регіонів не було знайдено.
Одна з потенційних гіпотез виникнення антиматерії пов'язана з теорією великого вибуху. Ця теорія стверджує, що вся наша виникла в результаті розширення певної точки в просторі. Після вибуху виникла рівна кількість матерії та антиматерії. Відразу розпочався процес їх взаємознищення. Проте з якоїсь причини матерії виявилося трохи більше, що дозволило утворитися Всесвіту у звичній формі.
Через відсутність можливості вивчити властивості антиматерії, вчені вдаються до штучних способів утворення антиречовини. Для його отримання використовують спеціальні наукові прилади – прискорювачі частинок, у яких атоми матерії розганяються до світлової швидкості (300 000 км/сек). Зіткнувшись, деякі частинки руйнуються, у результаті утворюються античастинки, у тому числі можна отримати антиматерію. Складною проблемою є зберігання антиречовини, оскільки, зіткнувшись зі звичайною матерією, антиречовина знищується. Для цього отримані крупиці антиматерії поміщають у вакуум і , яке утримує їх у підвішеному стані і не дає доторкнутися до стінок сховища.
Незважаючи на всю складність отримання та дослідження антиречовини, вона може надавати для нашого життя безліч переваг. Всі вони засновані на тому факті, що при взаємодії антиматерії з матерією виділяється безліч енергії. Причому відношення енергії, що вивільняється, до маси беруть участь речовини не перевищена жодним видом або вибухової речовини. Внаслідок анігіляції немає жодних побічних продуктів, лише чиста енергія. Тому вчені вже зараз мріють про її застосування. Наприклад, про антиматерії з нескінченним ресурсом. Космічні кораблі з анігіляторними двигунами зможуть пролітати тисячі світлових років на світловій швидкості. Військовим це дасть можливість створити величезну потужність, набагато руйнівнішу, ніж атомна або воднева. Однак усім цим мріям не судиться здійсниться, поки ми не зможемо отримувати недорогу антиречовину у промислових масштабах.
АНТИРЕЧОВИНА,речовина, що з атомів, ядра яких мають негативний електричний заряд і оточені позитронами – електронами з позитивним електричним зарядом. У звичайній речовині, з якої побудований навколишній світ, позитивно заряджені ядра оточені негативно зарядженими електронами. Звичайне речовина, щоб відрізняти його від антиречовини, іноді називають койноречовиною (від грец. койнос- Простий). Однак у російській літературі цей термін мало вживається. Слід підкреслити, що термін «антиречовина» не зовсім правильний, оскільки антиречовина теж речовина, його різновид. Антивещество має такі ж інерційні властивості і створює таке ж гравітаційне тяжіння, як і звичайна речовина.
Говорячи про речовину та антиречовину, логічно почати з елементарних (субатомних) частинок. Кожній елементарній частинці відповідає античастинка; обидві мають майже однакові характеристики, крім того, що вони протилежний електричний заряд. (Якщо частка нейтральна, то античастка також нейтральна, але вони можуть відрізнятися іншими характеристиками. У деяких випадках частка і античастинка тотожні один одному.) Так, електрону – негативно зарядженій частинці – відповідає позитрон, а античастинкою протона з позитивним зарядом є негативно заряджений антипротон. Позитрон був відкритий у 1932, а антипротон – у 1955; це були перші із відкритих античасток. Існування античастинок було передбачено в 1928 році на основі квантової механіки англійським фізиком П.Діраком.
При зіткненні електрона і позитрон відбувається їх анігіляція, тобто. обидві частинки зникають, та якщо з точки їх зіткнення випускаються два гамма-кванта. Якщо частинки, що стикаються, рухаються з невеликою швидкістю, то енергія кожного гамма-кванта становить 0,51 МеВ. Ця енергія є "енергія спокою" електрона, або його маса спокою, виражена в одиницях енергії. Якщо ж частинки, що стикаються, рухаються з великою швидкістю, то енергія гамма-квантів буде більшою за рахунок їх кінетичної енергії. Анігіляція відбувається при зіткненні протона з антипротоном, але процес у цьому випадку протікає набагато складніше. Як проміжні продукти взаємодії народжується ряд короткоживучих частинок; однак через кілька мікросекунд як остаточні продукти перетворень залишаються нейтрино, гамма-кванти та невелика кількість електрон-позитронних пар. Ці пари зрештою можуть анігілювати, створюючи додаткові гамма-кванти. Анігіляція відбувається при зіткненні антинейтрона з нейтроном або протоном.
Якщо існують античастинки, виникає питання, чи не можуть з античастинок утворюватися антиядра. Ядра атомів звичайної речовини складаються з протонів та нейтронів. Найпростішим ядром є ядро ізотопу звичайного водню 1 H; воно є окремим протоном. Ядро дейтерію 2 H складається з одного протону та одного нейтрона; воно називається дейтроном. Ще один приклад простого ядра - ядро 3 He, що складається з двох протонів та одного нейтрона. Антидейтрон, що складається з антипротону та антинейтрону, був отриманий у лабораторії у 1966; ядро анти-3 He, що складається з двох антипротонів і одного антинейтрона, було вперше отримано в 1970 році.
Відповідно до сучасної фізики елементарних частинок, за наявності відповідних технічних засобів можна було б отримати антиядра всіх звичайних ядер. Якщо ці антиядра оточені належним числом позитронів, вони утворюють антиатоми. Антиатоми мали б у точності такими самими властивостями, як і звичайні атоми; вони утворили б молекули, їх могли б формуватися тверді тіла, рідини і гази, зокрема і органічні речовини. Наприклад, два антипротони і одне ядро антикисню разом з вісьма позитронами могли б утворити молекулу антиводи, подібну до звичайної води H 2 O, кожна молекула якої складається з двох протонів ядер водню, одного ядра кисню і восьми електронів. Сучасна теорія елементарних частинок в змозі передбачити, що антивода замерзатиме при 0° С, кипіти при 100° С і в іншому поводитися подібно до звичайної води. Продовжуючи такі міркування, можна дійти висновку, що побудований з антиречовини антисвіт був би надзвичайно подібний до навколишнього нас звичайним світом. Цей висновок служить відправною точкою теорій симетричного Всесвіту, заснованих на припущенні, що у Всесвіті дорівнює кількість звичайної речовини та антиречовини. Ми живемо в тій її частині, яка складається із звичайної речовини.
Якщо зіткнутися два однакових шматка з речовин протилежного типу, то відбудеться анігіляція електронів з позитронами і ядер з антиядрами. При цьому виникнуть гамма-кванти, за появою яких можна судити про те, що відбувається. Оскільки Земля за визначенням складається із звичайної речовини, в ній немає помітних кількостей антиречовини, якщо не брати до уваги мізерного числа античастинок, що народжуються на великих прискорювачах і в космічних променях. Те саме стосується і всієї Сонячної системи.
Спостереження показують, що у межах нашої Галактики виникає лише обмежена кількість гамма-випромінювання. Звідси ряд дослідників роблять висновок про відсутність у ній скільки-небудь помітних кількостей антиречовини. Але це висновок не безперечний. В даний час немає способу визначити, наприклад, чи дана близька зірка складається з речовини або антиречовини; зірка з антиречовини випускає такий самий спектр, як і звичайна зірка. Далі, цілком можливо, що розріджена речовина, що заповнює простір навколо зірки і тотожна речовина самої зірки, відокремлена від областей, заповнених речовиною протилежного типу - дуже тонкими високотемпературними шарами Лейденфроста. Таким чином, можна говорити про «коміркову» структуру міжзоряного та міжгалактичного простору, в якій кожен осередок містить або речовину, або антиречовину. Цю гіпотезу підкріплюють сучасні дослідження, що показують, що магнітосфера та геліосфера (міжпланетний простір) мають пористу структуру. Осередки з різною намагніченістю і іноді також з різними температурою та щільністю розділені дуже тонкими струмовими оболонками. Звідси випливає парадоксальний висновок, що ці спостереження не суперечать існуванню антиречовини навіть у межах нашої Галактики.
Якщо раніше не було переконливих аргументів на користь існування антиречовини, то тепер успіхи рентгенівської та гамма-астрономії змінили становище. Спостерігалися явища, пов'язані з величезним і найчастіше безладним виділенням енергії. Найімовірніше, джерелом такого енерговиділення була анігіляція.
Шведський фізик О.Клейн розробив космологічну теорію, засновану на гіпотезі симетрії між речовиною та антиречовиною, і дійшов висновку, що процеси анігіляції грають вирішальну роль у процесах еволюції Всесвіту та формування структури галактик.
Стає все очевиднішим, що основна альтернативна їй теорія – теорія «великого вибуху» – серйозно суперечить даним спостережень і центральне місце при вирішенні космологічних проблем у найближчому майбутньому, швидше за все, займе «симетрична космологія».
Антивіщество - це матерія, що складається виключно з античасток. У природі кожна елементарна частка має античастинку.Для електрона це буде позитрон, а позитивно зарядженого протона – антипротон. Атоми звичайної речовини – інакше вона називається койноречовина- Складаються з позитивно зарядженого ядра, навколо якого рухаються електрони. А негативно заряджені ядра атомів антиречовини, своєю чергою, оточені антиелектронами.
Сили, які визначають структуру матерії, і частинок і античастинок однакові. Простіше кажучи, частки відрізняються лише знаком заряду. Характерно, що «антиречовина» – не зовсім вірна назва. Воно по суті лише різновид речовини, що володіє тими ж властивостями і здатне на створення тяжіння.
Анігіляція
Фактично це процес зіткнення позитрона та електрона. Через війну відбувається взаємознищення (анігіляція) обох частинок із величезної енергії. Анігіляція 1 грама антиречовини еквівалентна вибуху тротилового заряду в 10 кілотонн!
Синтез
1995 року було заявлено, що синтезовано перші дев'ять атомів антиводню.Вони прожили 40 наносекунд та загинули, вивільнивши енергію. А вже 2002 року кількість отриманих атомів обчислювалося сотнями. Але всі отримані античастинки могли прожити лише наносекунди. Справа змінилася із запуском адронного колайдера: вдалося синтезувати 38 атомів антиводню і утримати їх цілу секунду. За цей час стало можливим провести деякі дослідження будови антиматерії. Утримувати частки навчилися після створення спеціальної магнітної пастки. У ній для досягнення потрібного ефекту створюється дуже низька температура. Щоправда, така пастка – справа дуже громіздка, складна та дорога.
У трилогії С. Снєгова "Люди як боги" процес анігіляції використовується для міжгалактичних польотів. Герої роману, використовуючи її, перетворюють на пил зірки і планети. Але у наш час отримати антиречовину набагато складніше та дорожче, ніж прогодувати людство.
Скільки коштує антиречовина
Один міліграм позитронів має коштувати 25 млрд доларів. А за один грам антиводню доведеться викласти 62,5 трильйона доларів.
Ще не виявилася така щедра людина, що змогла б купити хоч одну соту грама. Кілька сотень мільйонів швейцарських франків довелося заплатити за одну мільярдну частку грама, щоб отримати матеріал для експериментальних робіт зі зіткнення частинок і античастинок. Поки немає такої субстанції в природі, яка була б дорожчою за антиречовину.
А ось із питанням ваги антиматерії все досить просто. Оскільки вона відрізняється від матерії звичайної лише зарядом, всі інші характеристики в неї ті ж. Виходить, що один грам антиречовини важитиме саме один грам.
Світ з антиречовини
Якщо прийняти за істину, що був, то в результаті цього процесу мало виникнути однакова кількість і речовини, і антиречовини. То чому ж ми не спостерігаємо поруч із собою об'єктів, що складаються з антиматерії? Відповідь досить проста: два типи речовини не можуть співіснувати разом. Вони обов'язково взаємознищаться. Цілком ймовірно, що галактики і навіть всесвіти з антиречовини існують, і ми навіть бачимо деякі з них. Але від них виходять такі ж випромінювання, йде таке ж світло, як і від звичайних галактик. Тому поки що неможливо точно стверджувати, чи існує антисвіт чи це гарна казка.
Чи небезпечно?
Багато корисних відкриттів людство перетворювало на засоби знищення. Антивещество у сенсі може бути винятком. Більш потужної зброї, ніж заснованої на принципі анігіляції, уявити поки що не можна.Можливо, не так і погано, що поки що не вдається видобути та зберегти антиречовину? Чи не стане воно фатальним дзвіночком, який почує людства у свій останній день?