Ce este materia și explicația antimateriei. Antimateria „Interesant despre știință

Antimateria a fost mult timp subiectul science fiction-ului. În cartea și filmul, Îngeri și demoni, profesorul Langdon încearcă să salveze Vaticanul de o bombă cu antimaterie. Nava spațială Star Trek Enterprise folosește un motor de antimaterie anihilator pentru a călători mai repede decât viteza luminii. Dar antimateria este și un obiect al realității noastre. Particulele de antimaterie sunt aproape identice cu partenerii lor materiale, cu excepția faptului că poartă sarcină și spin opus. Când antimateria întâlnește materia, ele se anihilează instantaneu în energie, iar aceasta nu mai este ficțiune.

În timp ce bombele cu antimaterie și navele bazate pe același combustibil nu sunt încă posibile în practică, există multe fapte despre antimaterie care vă vor surprinde sau vă vor permite să perfecționați ceea ce știați deja.

Antimateria trebuia să distrugă toată materia din univers după Big Bang

Dar noi existăm. Și din câte știu fizicienii, asta se datorează faptului că pentru fiecare miliard de perechi materie-antimaterie, a existat o particulă suplimentară de materie. Fizicienii fac tot posibilul să explice această asimetrie.

Antimateria este mai aproape de tine decât crezi

Există și alte surse de antimaterie care sunt mai aproape de noi. Bananele, de exemplu, produc antimaterie prin emiterea unui pozitron - echivalentul antimateriei al unui electron - aproximativ o dată la 75 de minute. Acest lucru se datorează faptului că bananele conțin cantități mici de potasiu-40, un izotop natural al potasiului. Când potasiul-40 se descompune, uneori se naște un pozitron.

Corpul nostru conține și potasiu-40, ceea ce înseamnă că emiți și pozitroni. Antimateria se anihilează instantaneu la contactul cu materia, astfel încât aceste particule de antimaterie nu durează foarte mult.

Oamenii au reușit să creeze destul de multă antimaterie.

Toți antiprotonii creați la acceleratorul de particule Tevatron de la Laboratoarele Fermi abia vor cântări 15 nanograme. CERN a produs doar aproximativ 1 nanogram până în prezent. La DESY din Germania - nu mai mult de 2 nanograme de pozitroni.

Dacă toată antimateria creată de oameni se anihilează instantaneu, energia ei nici măcar nu va fi suficientă pentru a fierbe o ceașcă de ceai.

Problema constă în eficiența și costul producerii și stocării antimateriei. Crearea a 1 gram de antimaterie necesită aproximativ 25 de milioane de miliarde de kilowați-oră de energie și costă peste un milion de miliard de dolari. Deloc surprinzător, antimateria este uneori enumerată ca una dintre cele mai scumpe zece substanțe din lumea noastră.

Există așa ceva ca o capcană cu antimaterie

Particulele de antimaterie încărcate precum pozitronii și antiprotonii pot fi stocate în așa-numitele capcane Penning. Sunt ca niște mici acceleratori de particule. În interiorul lor, particulele se mișcă în spirală, în timp ce câmpurile magnetice și electrice le împiedică să se ciocnească de pereții capcanei.

Cu toate acestea, capcanele Penning nu funcționează pentru particule neutre precum antihidrogenul. Deoarece nu au nicio sarcină, aceste particule nu pot fi limitate la câmpuri electrice. Sunt prinși în capcanele lui Ioffe, care funcționează prin crearea unei zone de spațiu în care câmpul magnetic devine mai mare în toate direcțiile. Particulele de antimaterie se blochează în zona cu cel mai slab câmp magnetic.

Câmpul magnetic al Pământului poate acționa ca capcane pentru antimaterie. S-au găsit antiprotoni în anumite zone din jurul Pământului - centurile de radiații Van Allen.

Antimateria poate cădea (literal)

Observarea efectului gravitațional în exemplul antimateriei nu este la fel de ușoară ca a privi un măr care cade dintr-un copac. Aceste experimente necesită captarea antimateriei sau încetinirea acesteia prin răcire la temperaturi chiar peste zero absolut. Și deoarece gravitația este cea mai slabă dintre forțele fundamentale, fizicienii trebuie să folosească particule neutre de antimaterie în aceste experimente pentru a preveni interacțiunea cu forța mai puternică a electricității.

Antimateria este studiată în moderatorii de particule

În acceleratoarele de particule inelare, cum ar fi Large Hadron Collider, particulele primesc un impuls energetic de fiecare dată când completează un cerc. Retardetoarele funcționează în sens invers: în loc să accelereze particulele, acestea sunt împinse în direcția opusă.

Neutrinii pot fi propriile lor antiparticule

Proiecte precum Majorana Demonstrator și EXO-200 au scopul de a determina dacă neutrinii sunt într-adevăr particule Majorana prin observarea comportamentului așa-numitei descompunere dublă beta fără neutrini.

Unii nuclei radioactivi se descompun simultan, emitând doi electroni și doi neutrini. Dacă neutrinii ar fi propriile lor antiparticule, s-ar anihila după o dublă descompunere, iar oamenii de știință ar trebui doar să observe electronii.

Căutarea neutrinilor Majorana poate ajuta la explicarea de ce există asimetria materie-antimaterie. Fizicienii sugerează că neutrinii Majorana pot fi fie grei, fie ușori. Plămânii există în vremea noastră, iar cei grei au existat imediat după Big Bang. Neutrinii grei Majorana s-au degradat asimetric, ceea ce a dus la apariția unei cantități mici de materie care a umplut universul nostru.

Antimateria este folosită în medicină

Oamenii de știință de la proiectul ACE al CERN studiază antimateria ca potențial candidat pentru tratamentul cancerului. Medicii și-au dat seama deja că pot trimite fascicule de particule către tumori, emițându-și energia numai după ce trec în siguranță prin țesutul sănătos. Folosirea antiprotonilor va adăuga o explozie suplimentară de energie. Această tehnică s-a dovedit a fi eficientă în tratarea hamsterilor, dar nu a fost încă testată pe oameni.

Antimateria poate fi pândită în spațiu

Spectrometrul Alfa Magnetic (AMS) este un detector de particule situat pe Stația Spațială Internațională și caută astfel de particule. AMS conține câmpuri magnetice care curbează calea particulelor cosmice și separă materia de antimaterie. Detectoarele săi trebuie să detecteze și să identifice astfel de particule pe măsură ce trec.

Ciocnirile cu raze cosmice produc de obicei pozitroni și antiprotoni, dar șansele de a crea un atom de antiheliu rămân extrem de mici din cauza cantității enorme de energie necesară acestui proces. Aceasta înseamnă că observarea a cel puțin unui nucleol de antiheliu va fi o dovadă puternică a existenței unei cantități gigantice de antimaterie în altă parte a universului.

Oamenii studiază de fapt cum să alimenteze o navă spațială cu combustibil antimaterie.

Propulsia rachetei cu antimaterie este posibilă ipotetic; limitarea principală este colectarea suficientă antimaterie pentru a face acest lucru.

Nu există încă tehnologii pentru producția în masă sau colectarea antimateriei în cantitățile necesare pentru o astfel de aplicație. Cu toate acestea, oamenii de știință lucrează la imitarea unei astfel de mișcări și stocarea tocmai a acestei antimaterie. Într-o zi, dacă găsim o modalitate de a produce cantități mari de antimaterie, cercetările lor ar putea ajuta călătoriile interstelare să devină realitate.

Pe baza materialelor de la symmetrymagazine.org

Disponibilitatea generală a informațiilor de orice fel, abundența de filme științifico-fantastice, al căror subiect este legat de anumite probleme științifice sau pseudoștiințifice, popularitatea romanelor senzaționale - toate acestea au dus la formarea unui număr considerabil de mituri despre noi. lume. De exemplu, datorită numeroaselor teorii care joacă în jurul variantelor Doomsday, conceptul de „antimaterie” a devenit utilizat pe scară largă. În lucrările de ficțiune și teoriile apocaliptice, antimateria înseamnă o anumită substanță, care în proprietățile ei este opusă materiei, materie. Un fel de gaură neagră, care absoarbe și distruge tot ce cade în zona sa de atracție. Ce este antimateria, de fapt, trebuie să întrebi nu de la scriitori, regizori și cei obsedați de așteptarea unui colaps general, ci de la oameni de știință.

Antiparticulele și antimateria sunt o parte comună a universului

Oamenii de știință vă vor spune că nu există nimic teribil și catastrofal în antimaterie. Cel puțin datorită faptului că este imposibil să se opună materie și antimaterie - ceea ce se numește în mod obișnuit antimaterie este de fapt un fel de materie, adică materie. Conform clasificării științifice, particulele de materie sunt de obicei numite structuri materiale formate din atomi înconjurați de particule elementare. Partea de bază a atomului este nucleul, care are o sarcină pozitivă, iar particulele elementare din jurul lui sunt încărcate negativ. Aceștia sunt aceiași electroni, al căror nume îl folosim în viața de zi cu zi când menționăm electronice și dispozitive electrice.

Antimateria este alcătuită din antiparticule, adică acele structuri materiale, ale căror nuclee au o sarcină negativă, iar particulele din jurul lor sunt pozitive.

Particulele elementare pozitive au fost descoperite de oamenii de știință abia în 1932 și numite pozitroni. De asemenea, nu există nicio dramă fatală în interacțiunea dintre particule și antiparticule, materie și antimaterie. Are loc anihilarea - procesul de transformare a materiei și antimateriei care au intrat într-o reacție în particule fundamental noi, care nu existau inițial și care posedă proprietăți diferite față de particulele originale, „părinte”. Adevărat, „efectul secundar” poate fi destul de periculos: anihilarea este însoțită de eliberarea unei cantități uriașe de energie. Se estimează că reacția a 1 kilogram de materie cu 1 kilogram de antimaterie va elibera o energie egală cu aproximativ 43 de megatone de TNT explodat. Cea mai puternică bombă nucleară explodata de pe Pământ avea un potențial de aproximativ 58 de megatone în echivalent TNT.

Cum să obțineți antimaterie nu este o întrebare pentru știință

Realitatea antimateriei este un fapt dovedit. Ipotezele teoretice ale oamenilor de știință au fost combinate armonios cu imaginea științifică generală a lumii, iar apoi antiparticulele au fost descoperite experimental. De aproape cincizeci de ani, antiparticulele au fost produse artificial prin interacțiunea dintre particule și antiparticule. În 1965 s-a sintetizat anti-deuteronul, iar 30 de ani mai târziu s-a obținut antihidrogen (diferența sa față de hidrogenul „clasic” este că atomul de antimaterie este format dintr-un pozitron și un antiproton). Oamenii de știință au mers mai departe și în 2010-2011 au reușit să „prindă” atomi de antimaterie în condiții de laborator. Să fie doar aproximativ 40 de atomi în „capcană” și 172 de milisecunde au putut să-i rețină.

Perspectivele practice pentru studierea antiparticulelor sunt evidente, având în vedere potențialul energetic enorm al interacțiunii particulelor și antiparticulelor.

Utilizarea antimateriei și lansarea acestui proces într-un mod controlat înlătură practic problema obținerii energiei odată pentru totdeauna.

Dificultatea, ca întotdeauna, este în bani: calculele arată că astăzi ar costa aproximativ 60 de trilioane de dolari pentru a produce doar un gram de antimaterie. Așadar, sursele tradiționale de energie sunt încă relevante - iar cercetarea trebuie continuată. Mai mult, deja la începutul secolelor XX-XXI, astronomii și astrofizicienii au descoperit sursele de antimaterie din Univers. În special, s-au obținut date despre fluxurile reale ale particulelor elementare încărcate pozitiv (pozitroni) care se deplasează în spațiul cosmic. Au apărut mai multe teorii, mai mult sau mai puțin fundamentate de cercetări practice, care explică mecanismele de formare a antiparticulelor în condiții naturale.

O versiune foarte populară a explicației este că antiparticulele se formează într-un câmp gravitațional puternic în găurile negre. Acest câmp gravitațional interacționează cu materia „obișnuită”, ca urmare a procesului de „prelucrare” a materiei, și se obțin pozitroni – particule care, sub influența gravitației, și-au schimbat sarcina din negativă în pozitivă. Un alt concept indică elementele radioactive care apar în mod natural, dintre care cele mai faimoase sunt supernove. Se presupune că aceste reactoare nucleare naturale „produc” antiparticule ca produse secundare. Există și alte versiuni: de exemplu, procesul de îmbinare a două stele poate fi însoțit de formarea de particule cu o sarcină schimbată sau, dimpotrivă, un astfel de efect poate provoca moartea stelelor.

Unde să găsești antimaterie - Un puzzle pentru cercetători

Astfel, prezența antimateriei este de netăgăduit. Dar, așa cum se întâmplă de obicei atunci când investighăm secretele Universului, a apărut o problemă fundamentală, pe care știința în acest stadiu al dezvoltării sale nu a fost încă capabilă să o rezolve. Conform principiului simetriei structurii Universului , lumea noastră ar trebui să conțină aproximativ aceeași cantitate de materie ca și antimaterie, la fel de mulți atomi constând dintr-un nucleu pozitiv și particule încărcate negativ ca atomi cu un nucleu negativ și particule pozitive. Dar, în practică, nu au fost găsite urme ale unei acumulări la scară largă de antimaterie (teoreticienii chiar au venit cu un nume pentru astfel de clustere - „antilume”) nu au fost găsite momentan.

În observațiile astronomice, antimateria este înregistrată destul de bine doar datorită radiațiilor gamma emise. Cu toate acestea, optimiștii nu își pierd speranța – și pe bună dreptate.

În primul rând, Pământul poate fi situat în acea parte „materială” a Universului, care este cât mai departe posibil de jumătatea „antimateriei”. Aceasta înseamnă că întreaga problemă este în dispozitive de observare insuficient de puternice și perfecte. În al doilea rând, în funcție de radiația lor electromagnetică, obiectele constând din materie și antimaterie nu se pot distinge, prin urmare metoda optică de observare este inutilă aici. În al treilea rând, teoriile compromisului nu au fost respinse - de exemplu, că Universul are o structură celulară, în care fiecare celulă este formată din jumătate materie și jumătate antimaterie.

Alexandru Babitsky

„Antimateria nu diferă din punct de vedere fizic și chimic de materie. De fapt, aceasta este aceeași chestiune, doar răsturnată pe dos. Cărțile noastre de referință fizică și chimică sunt la fel de utile procionidelor ca și nouă. Ele descriu aceleași modele, aceleași reacții cu aceleași elemente. Numai pentru ei materia noastră este antimaterie. Întrebarea este de ce parte să privim." (Krzysztof Borun," Antiworld ", 1963)

Ideea posibilității existenței antimateriei a fost exprimată încă din epoca fizicii clasice, la sfârșitul secolului al XIX-lea.

Hidrogenul și antihidrogenul sunt complet identice ca structură - constau dintr-un hadron și un lepton. În primul caz, un proton încărcat pozitiv, format din trei quarci (doi superior și unul inferior) și un electron încărcat negativ formează un atom de hidrogen, care ne este bine cunoscut. Antihidrogenul constă dintr-un antiproton încărcat negativ, care, la rândul său, este construit din trei antiquarci corespunzători și un pozitron încărcat pozitiv (antiparticulă a unui electron)

Anihilarea unui electron și a unui pozitron în cazul energiilor joase dă naștere la cel puțin doi (acest lucru se datorează conservării impulsului) fotoni. Acest proces poate fi reprezentat schematic folosind așa-numita diagramă Feynman. Când un anumit prag de energie este depășit, anihilarea poate avea loc cu producerea de fotoni „virtuali”, care din nou se degradează rapid în perechi de electroni și pozitroni.

Modelul computerizat al anihilării materiei și antimateriei. Liniile roșii sunt fotoni care se împrăștie în direcții opuse în timpul anihilării pozitronilor, iar liniile galbene sunt particule formate în timpul anihilării antiprotonilor. Urmele provin dintr-un singur punct - aceasta este o dovadă că antiprotonii și pozitronii formează atomi de antihidrogen (experimentul ATHENA la CERN)

Camera de proiecție în timp a experimentului PANDA la centrul internațional FAIR din Darmstadt

Descoperirea antiparticulelor este considerată pe bună dreptate cea mai mare realizare a fizicii a secolului al XX-lea. A fost primul care a dovedit instabilitatea materiei la cel mai profund, cel mai fundamental nivel. Înainte de asta, toată lumea era sigură că substanța lumii noastre este compusă din particule elementare care nu dispar niciodată sau se nasc din nou. Această imagine simplă a devenit un lucru din trecut, când s-a dovedit cu aproape 80 de ani în urmă că un electron și geamănul său încărcat pozitiv dispar la întâlnire, dând naștere unor cuante de radiație electromagnetică. Mai târziu s-a dovedit că particulele microcosmosului tind în general să se transforme unele în altele și în multe feluri. Descoperirea antiparticulelor a marcat începutul unei transformări radicale a conceptelor fundamentale ale naturii materiei.

Ideea posibilității existenței antimateriei a fost exprimată pentru prima dată în 1898 - englezul Arthur Schuster a publicat o notă foarte vagă în revista Nature, probabil inspirată de recenta descoperire a electronului. „Dacă există electricitate negativă”, a întrebat Schuster, „de ce să nu existe aur încărcat negativ, același galben, cu același punct de topire și cu același spectru?” Și apoi – pentru prima dată în literatura științifică mondială – apar cuvintele „antiatom” și „antimaterie”. Schuster a presupus că antiatomii sunt atrași unul de celălalt de forțele gravitaționale, dar respinși de materia obișnuită.

Antielectronii au fost observați pentru prima dată în experiment, din nou înainte de momentul descoperirii lor oficiale. Acest lucru a fost făcut de către fizicianul de la Leningrad Dmitry Skobeltsin, care în anii 1920 a studiat împrăștierea razelor gamma de către electroni într-o cameră Wilson plasată într-un câmp magnetic. El a observat că unele piese de origine aparent electronică sunt îndoite în mod greșit. Ideea, desigur, este că un quantum gamma, atunci când interacționează cu materia, poate da naștere la un electron și un pozitron, care se răsucesc în direcții opuse într-un câmp magnetic. Skobeltsin, desigur, nu știa acest lucru și nu putea explica efectul ciudat, dar în 1928 a raportat despre asta la o conferință internațională la Cambridge. Întâmplător, cu un an mai devreme, un tânăr fizician teoretician, Paul Dirac, a fost ales în consiliul de conducere al St. John's College, Cambridge, ale cărui cercetări au ajutat în cele din urmă la explicarea acestor anomalii.

Ecuația lui Dirac

În 1926, austriacul Erwin Schrödinger a formulat o ecuație care descrie comportamentul particulelor nerelativiste care se supun mecanicii cuantice - o ecuație diferențială ale cărei soluții determină stările particulei. Ecuația Schrödinger a descris o particulă care nu are propriul moment unghiular - spin (cu alte cuvinte, nu se comportă ca un vârf). Cu toate acestea, în 1926 se știa deja că electronii au un spin, care poate avea două semnificații diferite: aproximativ vorbind, axa vârfului electronului este orientată în spațiu doar în două direcții opuse (un an mai târziu, s-a obținut o dovadă similară pentru protoni). În același timp, teoreticianul elvețian Wolfgang Pauli a generalizat ecuația Schrödinger pentru electron, astfel încât să țină cont de spin. Astfel, spinul a fost mai întâi descoperit experimental, iar apoi impus artificial ecuației Schrödinger.

În mecanica relativistă a lui Einstein, formula pentru energia unei particule libere pare mai complicată decât în ​​cea newtoniană. Nu este dificil să traduci formula lui Einstein într-o ecuație cuantică; atât Schrödinger, cât și trei dintre contemporanii săi au făcut-o. Dar soluțiile unei astfel de ecuații arată că probabilitatea de a găsi o particulă la un anumit punct se poate dovedi a fi negativă, ceea ce nu are sens fizic. Alte necazuri apar din cauza faptului că structura matematică a noii ecuații (se numește ecuația Klein-Gordon) este în contradicție cu teoria relativității (în limbajul formal, nu este relativistic invariantă).

La această problemă s-a gândit Dirac în 1927. Pentru a păstra invarianța, el a inclus în ecuație nu pătratele operatorilor de energie și impuls, ci gradul întâi al acestora. Pentru a scrie ecuația în această formă, a fost necesar să se introducă inițial în ea matrici 4x4 mai complexe decât cele ale lui Pauli. Pentru această ecuație s-au găsit patru soluții egale, iar în două cazuri energia electronului este pozitivă, iar în două cazuri este negativă.

Aici a apărut captura. Prima pereche de soluții a fost interpretată simplu - este un electron obișnuit în fiecare dintre posibilele stări de spin. Dacă adăugăm un câmp electromagnetic la ecuația lui Dirac, atunci se dovedește cu ușurință că electronul are momentul magnetic corect. Acesta a fost un succes gigantic al teoriei lui Dirac, care, fără presupuneri suplimentare, a înzestrat electronul atât cu un spin, cât și cu un moment magnetic. Cu toate acestea, la început, nimeni nu a putut decide ce să facă cu restul deciziilor. Atât în ​​mecanica newtoniană, cât și în cea a lui Einstein, energia unei particule libere nu este niciodată negativă, iar particulele cu o energie mai mică de zero au provocat nedumerire. În plus, nu era clar de ce electronii obișnuiți nu trec în stările prezise de teoria lui Dirac cu o energie deliberat mai mică, în timp ce electronii din învelișul atomilor nu ratează o astfel de ocazie.

Căutarea sensului

Doi ani mai târziu, Dirac a găsit o interpretare foarte frumoasă a soluțiilor paradoxale. În conformitate cu principiul lui Pauli, doi electroni (ca orice particule cu spin semiîntreg) nu pot fi simultan în aceeași stare cuantică. Potrivit lui Dirac, toate stările cu energie negativă sunt în mod normal deja umplute, iar trecerea la aceste stări din zona energiilor pozitive este interzisă de principiul Pauli. Prin urmare, marea de electroni Dirac cu energie negativă este, în principiu, neobservabilă, dar numai atâta timp cât nu există locuri libere libere în ea. Un astfel de loc vacant poate fi creat prin eliminarea unui electron de la un nivel de energie negativ la unul pozitiv (de exemplu, printr-un cuantum suficient de puternic de radiație electromagnetică). Deoarece marea de electroni va pierde o unitate de sarcină negativă, locul vacant emergent (Dirac a numit-o gaură) se va comporta într-un câmp electric ca o particulă cu sarcină pozitivă. După aceeași logică, căderea unui electron din starea normală într-o astfel de gaură duce la dispariția atât a electronului, cât și a gaurii, însoțită de emisia unui foton.

Cum se manifestă găurile de Dirac în lumea reală? La început, Dirac i-a identificat cu protoni, despre care a scris în 1930 în Nature. A fost cel puțin ciudat - un proton este de 2000 de ori mai greu decât un electron. Viitorul academician și laureat al Nobel Igor Tamm și viitorul tată al bombei atomice Robert Oppenheimer au prezentat o obiecție mai serioasă, menționând că atunci fiecare atom de hidrogen se confruntă cu amenințarea dispariției, iar acest lucru nu se întâmplă în natură. Dirac a abandonat curând această ipoteză și în septembrie 1931 a venit cu un articol în care a prezis că găurile, dacă ar putea fi detectate, s-ar dovedi a fi particule complet noi, necunoscute fizicii experimentale. El a sugerat să le numească anti-electroni.

Modelul Dirac a intrat în istorie după crearea electrodinamicii cuantice și a teoriei câmpului cuantic, care atribuie aceeași realitate particulelor și antiparticulelor. Din electrodinamica cuantică rezultă, de asemenea, că ciocnirea unui electron liber cu un antielectron implică crearea a cel puțin o pereche de cuante, așa că în această parte modelul este pur și simplu incorect. După cum se întâmplă adesea, ecuația lui Dirac s-a dovedit a fi mult mai inteligentă decât interpretarea propusă de creatorul ei.

Descoperirea anti-electronului

După cum sa menționat deja, pozitronii au fost de fapt observați de Dmitry Skobeltsin. În 1930, Chung-Yao Chao, un student absolvent la Institutul de Tehnologie din California, i-a întâlnit, studiind trecerea cuantelor gamma prin folie de plumb. În acest experiment, au apărut perechi electron-pozitron, după care pozitronii nou-născuți s-au anihilat cu electronii învelișurilor atomice și au generat radiații gamma secundare, pe care Chao le-a înregistrat. Cu toate acestea, mulți fizicieni s-au îndoit de rezultate, iar această lucrare nu a primit recunoaștere.

Liderul lui Chao era președintele Caltech, laureatul Nobel Robert Milliken, care la acea vreme lucra la razele cosmice (el a inventat termenul). Millikan le considera a fi un flux de cuante gamma și, prin urmare, se aștepta ca ei să împartă atomii în electroni și protoni (neutronul a fost descoperit mai târziu, în 1932). Millikan i-a propus lui Karl Anderson, celălalt student absolvent al său și, de asemenea, prietenul Chao, să testeze această ipoteză. El, ca și Skobeltsin, a decis să folosească camera lui Wilson, conectată la un electromagnet foarte puternic. Anderson a primit, de asemenea, urme de particule încărcate, care în exterior nu diferă de urmele electronilor, dar erau îndoite în direcția opusă. În primul rând, le-a atribuit electronilor, care nu se mișcă de sus în jos, ci de jos în sus. Pentru control, a instalat o placă de plumb de 6 mm grosime în centrul camerei. S-a dovedit că deasupra plăcii, mărimile momentului particulelor cu urme de tip electron sunt de peste două ori mai mari decât cele din partea inferioară a camerei - de aici rezultă că toate particulele se deplasează de sus în jos. Aceeași tehnică a demonstrat că particulele cu vârtej anormal nu pot fi protoni - ar rămâne blocate într-un ecran de plumb.

În cele din urmă, Anderson a ajuns la concluzia că aproape toate pistele anormale aparțin unui fel de particule luminoase cu sarcină pozitivă. Totuși, Millikan nu a crezut, iar Anderson, fără aprobarea șefului său, nu a vrut să fie publicat în presa științifică. Prin urmare, s-a limitat la o scurtă scrisoare către revista populară Science News Letter și i-a atașat o fotografie a piesei anormale. Editorul, care a fost de acord cu interpretarea lui Anderson, a sugerat numirea noii particule un pozitron. Această fotografie a fost publicată în decembrie 1931.

Acum să ne amintim că Dirac a publicat ipoteza existenței anti-electronului în septembrie. Cu toate acestea, atât Anderson, cât și Millikan nu știau aproape nimic despre teoria lui și cu greu i-au înțeles esența. Prin urmare, lui Anderson nu i-a trecut prin cap să identifice pozitronul cu antielectronul Dirac. Multă vreme a încercat să-l convingă pe Millikan de propria sa dreptate, dar fără a reuși, în septembrie 1932 a publicat o notă despre observațiile sale în revista Science. Cu toate acestea, în această lucrare, încă vorbim nu despre geamănul electronului, ci doar despre o particulă încărcată pozitiv de tip necunoscut, a cărei masă este mult mai mică decât masa protonului.

Următorul pas spre identificarea antielectronului a fost făcut la locul predicției sale - la Cambridge. Fizicianul englez Patrick Blackett și colegul său italian Giuseppe Occhialini au studiat razele cosmice în celebrul Laborator Cavendish, condus de marele Rutherford. Occhialini a propus să echipeze camera lui Wilson cu un circuit electronic (inventat de compatriotul său Bruno Rossi), care să pornească camera în cazul activării simultane a contoarelor Geiger, dintre care unul era instalat deasupra camerei, iar celălalt sub aceasta. Până în toamna anului 1932, partenerii au primit aproximativ 700 de fotografii ale urmei, care ar putea fi atribuite particulelor încărcate de origine cosmică. Printre acestea au existat și perechi de piste în formă de V generate de electroni și pozitroni divergenți într-un câmp magnetic.

Blackett știa despre anti-electronul prezis de Dirac, dar nu și-a luat teoria în serios. Nici Dirac însuși nu și-a văzut particula ipotetică în fotografiile lui Blackett. Drept urmare, Blackett și Occhialini și-au interpretat corect fotografiile abia mai târziu, când s-au familiarizat cu publicația lui Anderson din septembrie. Ei și-au prezentat concluziile într-un articol cu ​​titlul modest „Photos of Tracks of Penetrating Radiation”, care a ajuns la redacția Proceedings of the Royal Society la 7 februarie 1933. Până atunci, Anderson aflase despre concurenții de la Cavendish și și-a prezentat în mod adecvat rezultatele în lucrarea de patru pagini „Positive Electron”, care a fost trimisă la Physical Review pe 28 februarie. Întrucât prioritatea lui Anderson a fost stabilită de publicațiile anterioare, el singur a primit Premiul Nobel pentru descoperirea pozitronului (în 1936, împreună cu descoperitorul razelor cosmice, Viktor Hess). Blackett a primit acest premiu 12 ani mai târziu (cu formularea „Pentru îmbunătățirea metodelor de observare pe camera Wilson și pentru descoperiri în domeniul fizicii nucleare și al radiațiilor spațiale”), dar Occhialini a ocolit premiul - se crede că pentru politici motive.

În curând, cercetarea asupra pozitronilor a progresat vertiginos. Fizicianul parizian Jean Thibault a observat perechi electron-pozitron de origine terestră, generate de decelerația cuantelor gamma din plumb dintr-o sursă radioactivă. El a demonstrat că pentru ambele particule raportul dintre sarcină și masă în valoare absolută coincide cu o precizie foarte mare. În 1934, Frederic Joliot și Irene Curie au descoperit că pozitronii apar și din dezintegrarea radioactivă. Deci, la mijlocul anilor 1930, existența antielectronilor prezisă de Dirac devenise un fapt stabilit.

Antinuclone

Mecanismul de generare a pozitronilor de către razele cosmice a fost stabilit cu mult timp în urmă. Practic, radiația cosmică primară este formată din protoni cu energii mai mari de 1 GeV, care, atunci când se ciocnesc cu nucleele atomice din atmosfera superioară, generează pioni și alte particule instabile. Bujorii dau naștere la noi descompunere, în timpul cărora apar cuante gamma, care, atunci când sunt decelerate în materie, produc perechi electron-pozitron.

Protonii suficient de rapizi, atunci când se ciocnesc cu nucleele atomice, sunt capabili să genereze direct antiprotoni și antineutroni. La mijlocul secolului al XX-lea, fizicienii nu se mai îndoiau de posibilitatea unor astfel de transformări și căutau urmele lor în razele cosmice secundare. Rezultatele unor observații, se pare, ar putea fi interpretate ca anihilarea antiprotonilor, dar fără o certitudine deplină. Prin urmare, fizicienii americani au propus un proiect pentru construirea unui accelerator de protoni de 6 GeV, pe care, conform teoriei, a fost posibilă obținerea ambelor tipuri de antinucleoni. Această mașină, numită Bevatron, a fost lansată la Laboratorul Lawrence Berkeley în 1954. Un an mai târziu, Owen Chamberlain, Emilio Segre și colegii lor au obținut antiprotoni trăgând protoni pe o țintă de cupru. Un an mai târziu, un alt grup de fizicieni de la aceeași unitate a înregistrat antineutroni. În 1965, la CERN și la Brookhaven National Laboratory au fost sintetizate nuclee de antideuteriu compuse dintr-un antiproton și un antineutron. Și la începutul anilor 1970, din URSS a venit un mesaj că nucleele de antiheliu-3 (doi antiprotoni și un antineutron) și antitritiu (un antiproton și doi antineutroni) au fost sintetizate la acceleratorul de protoni de 70 GeV al Institutului pentru Energie Înaltă. Fizică; în 2002, la CERN au fost obținute mai multe nuclee de antiheliu ușor. Problema nu s-a deplasat mai departe, așa că sinteza a cel puțin unui nucleu antiaur este o chestiune de viitor îndepărtat.

Antimaterie făcută de om

Nucleele sunt nuclee, dar antimateria reală necesită atomi cu drepturi depline. Cel mai simplu dintre acestea este atomul de antihidrogen, antiprotonul plus pozitronul. Astfel de atomi au fost creați pentru prima dată la CERN în 1995 - la 40 de ani după descoperirea antiprotonului. Este foarte posibil ca aceștia să fi fost primii atomi de antihidrogen din timpul existenței Universului nostru după Big Bang - în condiții naturale, probabilitatea nașterii lor este practic nulă, iar existența civilizațiilor tehnologice extraterestre este încă în discuție.

Acest experiment a fost realizat sub îndrumarea fizicianului german Walter Ohlert. La acea vreme, CERN opera inelul de stocare LEAR, în care erau stocați antiprotoni cu energie scăzută (doar 5,9 MeV) (a funcționat din 1984 până în 1996). În experimentul grupului lui Ohlert, antiprotonii au fost direcționați către un jet de xenon. După ciocnirea antiprotonilor cu nucleele acestui gaz, au apărut perechi electron-pozitron, iar unii pozitroni foarte rar (cu o frecvență de 10−17%!) s-au combinat cu antiprotoni pentru a forma atomi de antihidrogen care se mișcă aproape cu viteza luminii. Antiatomii neîncărcați nu se mai puteau roti în interiorul inelului și au zburat spre cele două detectoare. În primul dispozitiv, fiecare antiatom a fost ionizat, iar pozitronul eliberat a fost anihilat cu un electron, producând o pereche de cuante gamma. Antiprotonul a intrat în cel de-al doilea detector, care, înainte de dispariția acestei particule, a avut timp să-și determine sarcina și viteza. Compararea datelor de la ambii detectoare a arătat că cel puțin 9 atomi de antihidrogen au fost sintetizați în experiment. Curând, la Fermilab au fost creați atomi de antihidrogen relativiști.

Din vara anului 2000, la CERN funcționează un nou inel AD (Decelerator antiproton). Primește antiprotoni cu o energie cinetică de 3,5 GeV, care sunt încetiniți la o energie de 100 MeV și apoi sunt utilizați în diverse experimente. Acolo, grupurile ATHENA și ATRAP au preluat antimateria, care în 2002 a început să primească zeci de mii de atomi de antihidrogen la un moment dat. Acești atomi apar în sticle electromagnetice speciale (așa-numitele capcane Penning), unde sunt amestecați antiprotonii proveniți din AD și pozitronii creați în timpul dezintegrarii sodiului-22. Adevărat, viața antiatomilor neutri dintr-o astfel de capcană este măsurată în doar microsecunde (dar pozitronii și antiprotonii pot fi stocați acolo luni de zile!). În prezent, sunt dezvoltate tehnologii de stocare mai lungă a antihidrogenului.

Într-un interviu cu PM, șeful grupului ATRAP (proiectul ATHENA a fost deja finalizat), profesorul de la Universitatea Harvard, Gerald Gabriels, a subliniat că, spre deosebire de LEAR, instalația AD permite sinteza antihidrogenului relativ lentă (așa cum spun fizicienii, rece) atomi, cu care se lucrează mult mai ușor. Oamenii de știință încearcă acum să răcească și mai mult antiatomii și să-și transfere pozitronii la niveluri mai scăzute de energie. Dacă acest lucru va reuși, va fi posibil să se mențină antiatomii în capcane de forță mai mult timp și să se determine proprietățile fizice ale acestora (de exemplu, caracteristicile spectrale). Acești indicatori pot fi comparați cu proprietățile hidrogenului obișnuit și, în cele din urmă, pot înțelege cum diferă antimateria de materie. Mai este mult de lucru.

Conform conceptelor moderne, forțele care determină structura materiei (interacțiune puternică, formând nuclee și interacțiune electromagnetică, formând atomi și molecule), sunt exact aceleași (simetrice) atât pentru particule, cât și pentru antiparticule. Aceasta înseamnă că structura antimateriei trebuie să fie identică cu structura materiei obișnuite.

Proprietățile antimateriei coincid complet cu proprietățile materiei obișnuite privite printr-o oglindă (specularitatea apare din cauza neconservării parității în interacțiunile slabe).

În noiembrie 2015, un grup de fizicieni ruși și străini de la coliderul american RHIC a dovedit experimental identitatea structurii materiei și a antimateriei prin măsurarea precisă a forțelor de interacțiune dintre antiprotoni, care în acest sens s-au dovedit a fi imposibil de distins de protonii obișnuiți.

În timpul interacțiunii dintre materie și antimaterie are loc anihilarea lor, cu formarea de fotoni de mare energie sau de perechi de particule-antiparticule. Când 1 kg de antimaterie și 1 kg de materie interacționează, se vor elibera aproximativ 1,8 · 10 17 jouli de energie, ceea ce este echivalent cu energia eliberată într-o explozie de 42,96 megatone de TNT. Cel mai puternic dispozitiv nuclear a explodat vreodată pe planetă, Tsar Bomba: o masă de 26,5 tone, când a explodat, a eliberat energie echivalentă cu ~ 57-58,6 megatone. Limita Teller pentru armele termonucleare implică faptul că cel mai eficient randament energetic nu va depăși 6 kt/kg masa dispozitivului. Trebuie remarcat faptul că aproximativ 50% din energia în timpul anihilării unei perechi nucleon-antinucleon este eliberată sub formă de neutrini, care practic nu interacționează cu materia.

Există destul de multe raționamente cu privire la motivul pentru care partea observabilă a Universului constă aproape exclusiv din materie și dacă există alte locuri pline, dimpotrivă, aproape complet cu antimaterie; dar astăzi asimetria observată a materiei și antimateriei în Univers este una dintre cele mai mari probleme nerezolvate din fizică (vezi asimetria barionică a Universului). Se presupune că o asimetrie atât de puternică a apărut în primele fracțiuni de secundă după Big Bang.

Primirea

Primul obiect compus în întregime din antiparticule a fost anti-deuteronul sintetizat în 1965; apoi s-au obţinut antinuclee mai grele. În 1995, la CERN a fost sintetizat un atom de antihidrogen, format dintr-un pozitron și un antiproton. În ultimii ani, antihidrogenul a fost obținut în cantități semnificative și a început un studiu detaliat al proprietăților acestuia.

În 2013, au fost efectuate experimente pe o instalație pilot construită pe baza unei capcane cu vid ALPHA. Oamenii de știință au măsurat mișcarea moleculelor de antimaterie sub influența câmpului gravitațional al Pământului. Și deși rezultatele s-au dovedit a fi inexacte, iar măsurătorile au o semnificație statistică scăzută, fizicienii sunt mulțumiți de primele experimente privind măsurarea directă a gravitației antimateriei.

Preț

Antimateria este cunoscută drept cea mai scumpă substanță de pe Pământ – NASA a estimat în 2006 că produce un miligram de pozitroni la un cost estimat la 25 de milioane de dolari. Conform unei estimări din 1999, un gram de antihidrogen ar valora 62,5 trilioane de dolari. CERN din 2001 estimează că producția de o miliardime dintr-un gram de antimaterie (volumul folosit de CERN în ciocnirile particule-antiparticule pe parcursul a zece ani) era în valoare de câteva sute de milioane de franci elvețieni.

Vezi si

Scrieți o recenzie la articolul „Antimaterie”

Note (editare)

Legături

• - 2011
• Pakhlov, Pavel.... postnauka.ru (23.05.2014).
• Pakhlov, Pavel.... postnauka.ru (6.03.2014).

Literatură

• Vlasov N.A. Antimaterie. - M .: Atomizdat, 1966 .-- 184 p.
• Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Fizica nucleara. - M .: Nauka, 1972 .-- 670 p.

Extras din Antimaterie

În aceeași noapte, înclinându-se în fața ministrului de război, Bolkonsky s-a dus la armată, neștiind unde o va găsi și temându-se să nu fie interceptat de francezi în drum spre Krems.
În Brunn, întreaga populație a curții era înghesuită, iar poverile erau deja trimise la Olmütz. Lângă Etzelsdorf, prințul Andrei a mers cu mașina pe drumul pe care armata rusă se mișca cu cea mai mare grabă și în cea mai mare dezordine. Drumul era atât de aglomerat de căruțe, încât era imposibil să mergi într-o trăsură. Luând de la comandantul cazac un cal și un cazac, prințul Andrei, flămând și obosit, depășind căruțele, s-a dus să-l găsească pe comandantul șef și căruța lui. Cele mai de rău augur zvonuri despre poziția armatei au ajuns la el pe drum, iar vederea armatei dezorganizate alergătoare a confirmat aceste zvonuri.
"Cette armee russe que l" or de l "Angleterre a transporte, des extremites de l" univers, nous allons lui faire eprouver le meme sort (le sort de l "armee d" Ulm) ", [" This Russian army, which Aurul englez adus aici de la sfârșitul lumii, va avea aceeași soartă (soarta armatei din Ulm). ”] și-a amintit cuvintele ordinului lui Bonaparte către armată înainte de începerea campaniei, iar aceste cuvinte au stârnit în egală măsură și în i-a surprins eroul de geniu, un sentiment de mândrie ofensată și speranță de glorie. „Și dacă nu mai rămâne decât să moară? Se gândi. Ei bine, dacă este necesar! Nu o voi face mai rău decât alții”.
Prințul Andrei se uita cu dispreț la aceste echipe nesfârșite, amestecate, căruțe, parcuri, artilerie și iar căruțe, căruțe și căruțe de tot felul, depășindu-se unele pe altele și în trei, în patru rânduri îndiguiau drumul noroios. Din toate părțile, înainte și înapoi, atâta timp cât se auzea urechea, se auzeau zgomote de roți, zgomot de cadavre, căruțe și trăsuri cu arme, călcarea în picioare, lovituri cu biciul, strigăte de împingere, blesteme de soldați, de ordine. și ofițeri. De-a lungul marginilor drumului, erau necontenit jupuiți și neîngrijiți cai căzuți, acum căruțe sparte cu soldați singuri care așteptau ceva, uneori soldați care se despărțiseră din echipe, care în cete se duceau în satele vecine sau târau găini, berbeci, fân sau fân de la sate.saci plini cu ceva.
Pe urcări și coborâri, mulțimile s-au îngroșat și s-a auzit un geamăt continuu de țipete. Soldații, scufundați până la genunchi în noroi, au apucat pistoale și vagoane în brațe; biciul se batea, copitele alunecau, sforile izbucneau și țipetele le smulgeau din sâni. Ofițerii care se ocupau de mișcare, când înainte, când înapoi, mergeau între căruțe. Vocile lor erau ușor audibile în mijlocul zumzetului general și era evident din fețele lor că erau disperați de posibilitatea de a opri această tulburare. „Voila le cher [‘Iată o dragă] armată ortodoxă”, a gândit Bolkonsky, amintindu-și cuvintele lui Bilibin.
Vrând să-l întrebe pe unul dintre acești oameni unde era comandantul șef, a mers până la vagonul. Direct vizavi de el mergea o trăsură ciudată cu un singur cal, aparent aranjată cu mijloacele casnice ale soldaților, reprezentând mijlocul dintre o căruță, un decapotabil și un sidecar. Un soldat conducea în trăsură, iar o femeie stătea sub un blat de piele în spatele unui șorț, toate legate cu eșarfe. Prințul Andrew a condus și se îndreptase deja spre soldat cu o întrebare, când atenția i-a fost atrasă de strigătele disperate ale unei femei care stătea într-un căruță. Ofițerul care se ocupa de vagonul l-a bătut pe soldat, care stătea coșer în această vagonă, pentru că voia să-i ocolească pe ceilalți, iar biciul a căzut pe șorțul vagonului. Femeia țipă strident. Văzându-l pe prințul Andrei, s-a aplecat de sub șorț și, făcându-și mâinile subțiri care săriseră de sub șalul covorului, a strigat:
- Adjutant! Domnule adjutant!... Pentru numele lui Dumnezeu... ocrotiți... Ce va fi?... Eu sunt soția leac a celui de-al 7-lea Jaeger... nu au voie; am rămas în urmă, ne-am pierdut pe al nostru...
- O voi rupe într-o prăjitură, o împachetez! - a strigat ofițerul furios la soldat, - întoarce-te cu curva ta.
- Domnule adjutant, protejează-mă. Ce este asta? – a strigat medicul.
„Dacă vă rog să lăsați trăsura să treacă. Nu vezi că aceasta este o femeie? – spuse prințul Andrey, conducând până la ofițer.
Ofițerul i-a aruncat o privire și, fără să răspundă, s-a întors spre soldat: - O să-i ocolesc... Înapoi!...
„Dă-l mai departe, îți spun”, a repetat prințul Andrey, strângându-și buzele.
- Si cine esti tu? Ofițerul s-a întors brusc spre el cu o furie beată. - Cine ești tu? Tu (a apăsat mai ales pe tine) șeful, nu? Aici sunt eu șeful, nu tu. Tu, înapoi, - repetă el, - o voi sparge într-o prăjitură.
Se pare că ofițerului i-a plăcut această expresie.
- I-ai bărbierit important pe adjutant, - a auzit o voce din spate.
Prințul Andrew a văzut că ofițerul era în acea criză de beție de furie gratuită, în care oamenii nu-și aminteau ce spuneau. A văzut că mijlocirea lui pentru soția de leac în căruță era plină de ceea ce se temea cel mai mult în lume, ceea ce se numește ridicol [ridicol], dar instinctul lui spunea altfel. Înainte ca ofițerul să aibă timp să-și termine ultimele cuvinte, prințul Andrei, cu chipul desfigurat de furie, se apropie de el și ridică biciul:
- Din testamentele despre lasa-l!
Ofițerul a făcut semn cu mâna și a plecat în grabă.

Recent, membrii colaborării ALICE de la CERN au măsurat masele de nuclee de antimaterie cu o acuratețe record și chiar au estimat energia care leagă antiprotonii de antineutronii din acestea. Până acum, nu s-a găsit nicio diferență semnificativă între acești parametri în materie și antimaterie, dar acesta nu este principalul lucru. Este important ca chiar acum, in ultimii ani, nu doar antiparticulele, ci si antinucleii si chiar antiatomi devin disponibili pentru masuratori si observatii. Așadar, este timpul să ne dăm seama ce este antimateria și ce loc ocupă cercetările sale în fizica modernă.

Să încercăm să ghicim câteva dintre primele tale întrebări despre antimaterie.

Este adevărat că o bombă super-puternică poate fi făcută pe baza antimateriei? Acumulează CERN de fapt antimaterie, așa cum se arată în filmul Îngeri și demoni și că acest lucru este foarte periculos? Este adevărat că antimateria va fi un combustibil extrem de eficient pentru călătoriile în spațiu? Există măcar un sâmbure de adevăr în ideea unui creier pozitronic cu care Isaac Asimov a înzestrat roboții în lucrările sale?...

Nu este un secret pentru nimeni că, pentru majoritatea, antimateria este asociată cu ceva extrem de (exploziv) periculos, cu ceva suspect, cu ceva care excită imaginația cu promisiuni fantastice și riscuri uriașe - de unde și astfel de întrebări. Trebuie să recunoaștem: legile fizicii nu interzic direct toate acestea. Cu toate acestea, implementarea acestor idei este atât de departe de realitate, de tehnologiile moderne și de tehnologiile deceniilor următoare, încât răspunsul pragmatic este simplu: nu, pentru lumea modernă acest lucru nu este adevărat. O conversație pe aceste subiecte este doar o fantezie, bazată nu pe realizări științifice și tehnice reale, ci pe extrapolarea lor mult dincolo de limitele posibilităților moderne. Dacă doriți să vorbiți serios despre aceste subiecte, apropiați-vă de 2100. Deocamdată, să vorbim despre cercetarea științifică actuală asupra antimateriei.

Ce este antimateria?

Lumea noastră este aranjată în așa fel încât pentru fiecare tip de particule - electroni, protoni, neutroni etc. - există antiparticule (pozitroni, antiprotoni, antineutroni). Au aceeași masă și, dacă sunt instabile, același timp de înjumătățire, dar opuse ca sarcini de semn și numere diferite care caracterizează interacțiunea. Pozitronii au aceeași masă ca și electronii, dar doar o sarcină pozitivă. Antiprotonii au o sarcină negativă. Antineutronii sunt neutri din punct de vedere electric, ca și neutronii, dar au numărul barionului opus și sunt alcătuiți din antiquarci. Antiprotonii și antineutronii pot fi utilizați pentru a asambla un antinucleu. Prin adăugarea de pozitroni, vom crea antiatomi, iar prin acumularea acestora, vom obține antimaterie. Toate acestea sunt antimaterie.

Și aici deodată există câteva subtilități curioase despre care merită să vorbim. În primul rând, însăși existența antiparticulelor este un uriaș triumf al fizicii teoretice. Această idee neevidentă, și pentru unii chiar șocantă a fost dedusă teoretic de Paul Dirac și la început a fost percepută cu ostilitate. Mai mult, chiar și după descoperirea pozitronilor, mulți se îndoiau încă de existența antiprotonilor. În primul rând, au spus ei, Dirac a venit cu propria sa teorie pentru a descrie electronul și nu este un fapt că va funcționa pentru proton. De exemplu, momentul magnetic al unui proton este de câteva ori diferit de predicția teoriei lui Dirac. În al doilea rând, ei caută de multă vreme urme de antiprotoni în razele cosmice și nu s-a găsit nimic. În al treilea rând, ei au susținut - repetând literalmente cuvintele noastre - că, dacă există antiprotoni, atunci trebuie să existe și antiatomi, anti-stele și antigalaxii și cu siguranță le-am observa în explozii cosmice grandioase. Din moment ce nu vedem acest lucru, probabil că nu există antimaterie. Prin urmare, descoperirea experimentală a antiprotonului în 1955 la noul accelerator Bevatron a devenit un rezultat destul de netrivial, distins cu Premiul Nobel pentru fizică în 1959. În 1956, la același accelerator a fost descoperit un antineutron. Povestea acestor căutări, îndoieli și realizări poate fi găsită în numeroase eseuri istorice, de exemplu, în acest raport sau în cartea recentă Antimatter a lui Frank Close.

Cu toate acestea, trebuie spus separat că o îndoială solidă în afirmațiile pur teoretice este întotdeauna utilă. De exemplu, afirmația că antiparticulele au aceeași masă ca și particulele este de asemenea un rezultat obținut teoretic, rezultă dintr-o teoremă CPT foarte importantă. Da, fizica modernă a microlumii, care a fost testată în mod repetat de experiență, se bazează pe această afirmație. Dar totuși aceasta este egalitate: cine știe, poate așa simțim limitele aplicabilității teoriei.

O altă particularitate: nu toate forțele microlumii se referă la particule și antiparticule în același mod. Pentru interacțiunile electromagnetice și puternice nu există nicio diferență între ele, pentru cele slabe - există. Din această cauză, unele detalii subtile ale interacțiunilor dintre particule și antiparticule diferă, de exemplu, probabilitățile de descompunere a particulei A într-un set de particule B și anti-A într-un set de anti-B (pentru câteva detalii despre diferențele, vezi colecția lui Pavel Pakhov). Această caracteristică apare deoarece interacțiunile slabe rup simetria CP a lumii noastre. Dar de ce se întâmplă acest lucru - acesta este unul dintre misterele particulelor elementare și necesită depășirea celor cunoscute.

Și iată o altă subtilitate: unele particule au atât de puține caracteristici încât antiparticulele și particulele nu diferă deloc unele de altele. Astfel de particule sunt numite neutre adevărate. Acesta este un foton, bosonul Higgs, mezoni neutri, constând din quarci și antiquarci de același fel. Dar situația cu neutrini este încă neclară: poate că sunt cu adevărat neutri (Majorana), sau poate nu. Acest lucru este esențial pentru o teorie care descrie masele și interacțiunile neutrinilor. Răspunsul la această întrebare va fi într-adevăr un pas major înainte, deoarece va ajuta la rezolvarea structurii lumii noastre. Experimentul nu a spus încă nimic clar în acest sens. Dar programul experimental pentru cercetarea neutrinilor este atât de puternic, încât există atât de multe experimente încât fizicienii se apropie treptat de o soluție.

Unde este această antimaterie?

Când o antiparticulă se întâlnește cu propria sa particulă, se anihilează: ambele particule dispar și se transformă într-un set de fotoni sau particule mai ușoare. Toată energia de repaus este transformată în energia acestei microexplozii. Aceasta este cea mai eficientă conversie a masei în energie termică, eficiență de sute de ori superioară unei explozii nucleare. Dar nu vedem în jurul nostru nicio explozie naturală grandioasă; nu există antimaterie în cantități vizibile în natură. Cu toate acestea, antiparticulele individuale se pot naște într-o varietate de procese naturale.

Cea mai ușoară cale este să dai naștere la pozitroni. Cea mai simplă opțiune este radioactivitatea, degradarea unor nuclee datorită radioactivității beta pozitive. De exemplu, izotopul sodiu-22 cu un timp de înjumătățire de doi ani și jumătate este adesea folosit în experimente ca sursă de pozitroni. O altă sursă naturală, destul de neașteptată, este, în timpul căreia sunt detectate uneori explozii de radiații gamma de la anihilarea pozitronilor, ceea ce înseamnă că pozitronii s-au născut cumva acolo.

Este mai dificil să se producă antiprotoni și alte antiparticule: energia dezintegrarii radioactive nu este suficientă pentru aceasta. În natură, ele se nasc sub acțiunea razelor cosmice de înaltă energie: un proton cosmic, ciocnind cu o moleculă din straturile superioare ale atmosferei, generează fluxuri de particule și antiparticule. Totuși, asta se întâmplă acolo sus, antiprotonii ajung cu greu pe pământ (ceea ce cei care prin anii 40 căutau antiprotoni în raze cosmice nu știau), și nici nu poți aduce această sursă de antiprotoni în laborator.

În toate experimentele fizice, antiprotonii sunt produși prin „forță brută”: aceștia preiau un fascicul de protoni de înaltă energie, îl direcționează către țintă și sortează „resturile hadronice” care sunt generate în cantități mari în această coliziune. Antiprotonii sortați sunt extrași sub formă de fascicul și apoi fie sunt accelerați la energii înalte pentru a se ciocni cu protonii (așa a funcționat, de exemplu, civizorul american Tevatron), fie, dimpotrivă, sunt încetiniți și folosit pentru măsurători mai fine.

La CERN, care se poate mândri pe bună dreptate cu istoria sa îndelungată de cercetare a antimateriei, există un „accelerator” special AD, „moderator antiproton”, care este exact angajat în această sarcină. Este nevoie de un fascicul de antiprotoni, îi răcește (adică încetinește) și apoi distribuie fluxul de antiprotoni lenți în mai multe experimente speciale. Apropo, dacă vrei să te uiți la starea AD în timp real, atunci monitoarele online ale lui Cernov o permit.

Este deja destul de dificil să sintetizezi antiatomi, chiar și cei mai simpli, atomi de antihidrogen. În natură, ele nu apar deloc - nu există condiții adecvate. Chiar și într-un laborator, multe dificultăți tehnice trebuie depășite înainte ca antiprotonii să se dezvolte să se combine cu pozitronii. Problema este că antiprotonii și pozitronii emiși din surse sunt încă prea fierbinți; pur și simplu se vor ciocni între ele și se vor împrăștia, mai degrabă decât să fie formate de un antiatom. Fizicienii depășesc totuși aceste dificultăți, ci prin metode destul de viclene (cum se face într-unul dintre experimentele ASACUSA ale CERN).

Ce se știe despre antinuclei?

Toate realizările antiatomice ale omenirii se referă numai la antihidrogen. Antiatomii altor elemente nu au fost încă sintetizați în laborator și nu au fost observați în natură. Motivul este simplu: antinucleii sunt chiar mai greu de creat decât antiprotonii.

Singurul mod pe care îl știm pentru a crea anti-nuclee este să ciocnim nuclee grele de energii înalte și să vedem ce se întâmplă acolo. Dacă energia de coliziune este mare, mii de particule, inclusiv antiprotoni și antineutroni, se vor naște și se vor împrăștia în toate direcțiile. Antiprotonii și antineutronii, care zboară accidental în aceeași direcție, se pot combina între ei - obțineți un anti-nucleu.

Detectorul ALICE este capabil să facă distincția între diferitele nuclee și antinuclei în ceea ce privește eliberarea de energie și direcția de învolburare într-un câmp magnetic.

Imagine: CERN

Metoda este simplă, dar nu prea ineficientă: probabilitatea de a sintetiza un nucleu în acest fel scade brusc odată cu creșterea numărului de nucleoni. Cei mai ușori antinuclei, antideuteronii, au fost observați pentru prima dată în urmă cu exact jumătate de secol. Antihelium-3 a fost observat în 1971. Sunt cunoscute și antitriton și antiheliu-4, acesta din urmă fiind descoperit destul de recent, în 2011. Antinucleii mai grei nu au fost încă observați.

Doi parametri care descriu interacțiunile nucleon-nucleon (lungimea de împrăștiere f0 și raza efectivă d0) pentru diferite perechi de particule. Asteriscul roșu este rezultatul pentru o pereche de antiprotoni obținuți prin colaborarea STAR.

Din păcate, nu poți face antiatomi în acest fel. Antinucleele nu numai că se nasc rar, dar au și prea multă energie și zboară în toate direcțiile. Este nerealist să încerci să-i prinzi la ciocnitor și apoi să le scoți printr-un canal special și să le răcești.

Cu toate acestea, uneori este suficient să urmăriți cu atenție antinucleii din mers pentru a obține informații interesante despre forțele antinucleare care acționează între antinucleoni. Cel mai simplu lucru este să măsurați cu precizie masa anti-nucleelor, să o comparați cu suma maselor de antiprotoni și antineutroni și să calculați defectul de masă, adică. energia de legare a nucleului. Recent lucrează la Large Hadron Collider; energia de legare pentru antideuteron și antiheliu-3 a coincis în cadrul erorii cu nucleele obișnuite.

Un alt efect, mai subtil, a fost studiat de experimentul STAR la ciocnitorul american de ioni grei RHIC. El a măsurat distribuția unghiulară a antiprotonilor produși și a descoperit cum se schimbă atunci când doi antiprotoni sunt emiși într-o direcție foarte apropiată. Corelațiile dintre antiprotoni au făcut posibilă pentru prima dată măsurarea proprietăților forțelor „antinucleare” care acționează între ei (lungimea de împrăștiere și raza efectivă de interacțiune); au coincis cu ceea ce se știe despre interacțiunea protonilor.

Există antimaterie în spațiu?

Când Paul Dirac a dedus existența pozitronilor din teoria sa, a admis pe deplin că antilumile reale ar putea exista undeva în spațiu. Acum știm că nu există stele, planete, galaxii din antimaterie în partea vizibilă a Universului. Ideea nu este nici măcar că exploziile de anihilare nu sunt vizibile; pur și simplu este complet de neconceput cum s-ar fi putut forma și să supraviețuiască până în prezent într-un univers în continuă evoluție.

Dar întrebarea „cum s-a întâmplat” este un alt mister extraordinar al fizicii moderne; în limbajul științific, se numește problema bariogenezei. Conform tabloului cosmologic al lumii, în universul cel mai vechi, particulele și antiparticulele erau împărțite în mod egal. Apoi, din cauza încălcării simetriei CP și a numărului barion, ar fi trebuit să apară în universul în curs de dezvoltare dinamic un mic exces de materie față de antimaterie, la nivelul unei miliardime. Când universul s-a răcit, toate antiparticulele au fost recoapte cu particule, doar acest exces de materie a supraviețuit, ceea ce a dat naștere universului pe care îl observăm. Din cauza lui a rămas măcar ceva interesant în ea, datorită lui existăm în general. Nu se știe exact cum a apărut această asimetrie. Există multe teorii, dar care dintre ele este corectă nu se știe. Este clar doar că trebuie să fie cu siguranță un fel de Nouă fizică, o teorie care depășește Modelul Standard, dincolo de granițele verificate experimental.

Trei variante ale de unde pot proveni antiparticulele în razele cosmice de înaltă energie: 1 - pot apărea și accelera pur și simplu într-un „accelerator cosmic”, de exemplu, într-un pulsar; 2 - se pot naste in ciocniri ale razelor cosmice obisnuite cu atomii mediului interstelar; 3 - pot apărea în timpul descompunerii particulelor grele de materie întunecată.

Deși nu există planete și stele din antimaterie, există încă antimaterie în spațiu. Fluxurile de pozitroni și antiprotoni de diferite energii sunt înregistrate de observatoarele satelitare de raze cosmice precum PAMELA, Fermi, AMS-02. Faptul că pozitronii și antiprotonii vin la noi din spațiu înseamnă că se nasc undeva acolo. Procesele de înaltă energie care le pot genera sunt cunoscute în principiu: este vorba de vecinătăți puternic magnetizate de stele neutronice, diverse explozii, accelerarea razelor cosmice pe fronturile undelor de șoc în mediul interstelar etc. Întrebarea este dacă pot explica toate proprietățile observate ale fluxului de antiparticule cosmice. Dacă se dovedește că nu, aceasta va fi o dovadă în favoarea faptului că o parte din fracția lor provine din degradarea sau anihilarea particulelor de materie întunecată.

Și aici este un mister. În 2008, observatorul PAMELA a detectat un număr suspect de mare de pozitroni de înaltă energie în comparație cu ceea ce au prezis simulările teoretice. Aceste rezultate au fost confirmate cu mult timp în urmă de instalația AMS-02 - unul dintre modulele Stației Spațiale Internaționale și, în general, cel mai mare detector de particule lansat în spațiu (și asamblat, ghici unde? - nu, la CERN). Acest exces de pozitroni excită mintea teoreticienilor - la urma urmei, nu obiectele astrofizice „plictisitoare” ar putea fi responsabile pentru el, ci particulele grele de materie întunecată, care se descompun sau se anihilează în electroni și pozitroni. Nu există încă claritate aici, dar configurația AMS-02, precum și mulți fizicieni critici, studiază acest fenomen cu mare atenție.

Raportul dintre antiprotoni și protoni din razele cosmice de diferite energii. Punctele sunt date experimentale, curbele multicolore sunt așteptări astrofizice cu diverse erori.

Imagine: Biblioteca Universității Cornell

Situația cu antiprotonii este, de asemenea, neclară. În luna aprilie a acestui an, AMS-02 a prezentat rezultatele preliminare ale unui nou ciclu de cercetare la o conferință științifică specială. Principalul punct culminant al raportului a fost afirmația că AMS-02 vede prea mulți antiprotoni de înaltă energie - și acesta poate fi, de asemenea, un indiciu de degradare a particulelor de materie întunecată. Cu toate acestea, alți fizicieni nu sunt de acord cu o concluzie atât de veselă. Acum se crede că datele antiprotoni ale AMS-02, cu o oarecare întindere, pot fi explicate prin surse astrofizice obișnuite. Într-un fel sau altul, toată lumea așteaptă cu nerăbdare noile date despre pozitroni și antiprotoni de la AMS-02.

AMS-02 a înregistrat deja milioane de pozitroni și un sfert de milion de antiprotoni. Dar creatorii acestei configurații au un vis strălucitor - să prindă cel puțin un anti-nucleu. Aceasta va fi o adevărată senzație - este absolut incredibil că antinucleele s-au născut undeva în spațiu și ar zbura către noi. Până acum, nu a fost găsit un astfel de caz, dar setul de date continuă și cine știe ce surprize ne rezervă natura.

Antimaterie - antigravitație? Cum simte ea gravitația?

Dacă te bazezi doar pe fizica dovedită experimental și nu intri în teorii exotice, neconfirmate încă, atunci gravitația ar trebui să acționeze asupra antimateriei în același mod ca și asupra materiei. Nu este de așteptat antigravitație pentru antimaterie. Dacă ne permitem să privim puțin mai departe, dincolo de limitele cunoscutului, atunci sunt posibile variante pur teoretic posibile atunci când există ceva suplimentar la încărcare față de forța gravitațională universală obișnuită, care acționează diferit asupra materiei și antimateriei. Indiferent cât de fantomatică ar părea această posibilitate, ea trebuie testată experimental și pentru aceasta este necesar să se înființeze experimente care să testeze modul în care antimateria simte gravitația.

Pentru o lungă perioadă de timp, într-adevăr nu a fost posibil să se facă acest lucru din simplul motiv că pentru aceasta este necesar să se creeze atomi individuali de antimaterie, să-i prindă în capcană și să se efectueze experimente cu ei. Acum au învățat cum să facă asta, așa că testul mult așteptat este chiar după colț.

Furnizorul principal al rezultatelor este același CERN cu programul său extins pentru studiul antimateriei. Unele dintre aceste experimente au verificat deja indirect că gravitația este în regulă cu antimaterie. De exemplu, a constatat că masa (inertă) a unui antiproton coincide cu masa unui proton cu o precizie foarte mare. Dacă gravitația ar acționa asupra antiprotonilor într-un fel diferit, fizicienii ar observa diferența - la urma urmei, comparația a fost făcută în aceeași configurație și în aceleași condiții. Rezultatul acestui experiment: efectul gravitației asupra antiprotonilor coincide cu efectul asupra protonilor cu o precizie mai bună de o milioneme.

Cu toate acestea, această măsurătoare este indirectă. Pentru a fi mai convingător, aș dori să efectuez un experiment direct: luați mai mulți atomi de antimaterie, aruncați-i și vedeți cum vor cădea în câmpul gravitațional. Astfel de experimente se desfășoară sau se pregătesc și la CERN. Prima încercare nu a fost foarte impresionantă. În 2013, experimentul ALPHA - care până atunci învățase deja să păstreze un nor de antihidrogen în capcana sa - a încercat să determine unde ar cădea antiatomii dacă capcana ar fi oprită. Din păcate, din cauza sensibilității scăzute a experimentului, nu a fost posibil să obținem un răspuns fără ambiguitate: trecuse prea puțin timp, antiatomii se repezi într-o capcană și izbucniri de anihilare au avut loc ici și colo.

Se promite că situația va îmbunătăți radical alte două experimente CERN: GBAR și AEGIS. Ambele experimente vor testa în moduri diferite modul în care un nor de antihidrogen superrece cade în câmpul gravitațional. Precizia lor așteptată în măsurarea accelerației gravitației pentru antimaterie este de aproximativ 1%. Ambele instalații sunt în prezent în curs de asamblare și depanare, iar cercetările principale vor începe în 2017, când moderatorul antiproton AD va fi suplimentat cu un nou inel de stocare ELENA.

Variante ale comportamentului unui pozitron într-un solid.

Imagine: nature.com

Ce se întâmplă dacă un pozitron intră într-o substanță?

Formarea pozitroniului molecular pe o suprafață de cuarț.

Imagine: Clifford M. Surko / Fizica atomică: o miros de supă de antimaterie

Dacă ați citit până aici, știți deja foarte bine că, de îndată ce o particulă de antimaterie intră în materia obișnuită, are loc anihilarea: particulele și antiparticula dispar și se transformă în radiație. Dar cât de repede se întâmplă asta? Imaginează-ți un pozitron care a zburat dintr-un vid și a intrat într-un solid. Se anihilează la contactul cu primul atom? Deloc necesar! Aniligarea unui electron și a unui pozitron nu este un proces instantaneu; necesită un timp atomic lung. Prin urmare, pozitronul reușește să trăiască în materie o viață strălucitoare și plină de evenimente non-triviale.

În primul rând, un pozitron poate prelua un electron nesupravegheat și poate forma o stare legată - pozitroniu (Ps). Cu o orientare de spin adecvată, pozitroniul poate trăi zeci de nanosecunde înainte de anihilare. Fiind în materie solidă, va avea timp să se ciocnească cu atomii de milioane de ori în acest timp, deoarece viteza termică a pozitroniului la temperatura camerei este de aproximativ 25 km/sec.

În al doilea rând, în timp ce derivă în materie, pozitroniul poate ieși la suprafață și rămâne acolo - acesta este un analog de pozitroni (sau mai degrabă, pozitroniu) al adsorbției atomilor. La temperatura camerei, el nu stă într-un singur loc, ci călătorește activ de-a lungul suprafeței. Și dacă aceasta nu este o suprafață externă, ci un por de dimensiuni nanometrice, atunci pozitroniul este prins în ea pentru o lungă perioadă de timp.

Mai departe mai mult. În materialul standard pentru astfel de experimente, cuarțul poros, porii nu sunt izolați, ci sunt uniți prin nanocanale într-o rețea comună. Pozitroniul cald, târându-se de-a lungul suprafeței, va avea timp să examineze sute de pori. Și deoarece în astfel de experimente se formează o mulțime de pozitroniuri și aproape toți se târăsc în pori, mai devreme sau mai târziu se ciocnesc unul de celălalt și, interacționând, uneori formează cele mai reale molecule - pozitroniul molecular, Ps 2. În plus, este deja posibil să se studieze cum se comportă gazul de pozitroniu, ce stări excitate are pozitroniul etc. Și să nu credeți că acesta este un raționament pur teoretic; toate efectele enumerate au fost deja verificate și studiate experimental.

Are antimateria utilizări practice?

Desigur. În general, orice proces fizic, dacă deschide în fața noastră o anumită fațetă nouă a lumii noastre și nu necesită niciun super-cost, va găsi cu siguranță aplicații practice. Mai mult, astfel de aplicații, pe care noi înșine nu le-am fi ghicit, dacă nu ar fi fost descoperirea și studiul laturii științifice a acestui fenomen.

Cea mai cunoscută aplicație aplicată a antiparticulelor este PET, tomografia cu emisie de pozitroni. În general, fizica nucleară are un istoric impresionant de aplicații medicale, iar antiparticulele nu au fost lăsate inactiv nici aici. Cu PET, o doză mică de medicament care conține un izotop instabil cu o durată de viață scurtă (minute și ore) și care se degradează din cauza degradarii beta pozitive este injectată în corpul pacientului. Medicamentul se acumulează în țesuturile necesare, nucleii se dezintegrează și emit pozitroni, care se anihilează în apropiere și eliberează două cuante gamma de o anumită energie. Detectorul le înregistrează, determină direcția și ora sosirii lor și restabilește locul în care s-a produs dezintegrarea. Astfel, este posibilă construirea unei hărți tridimensionale a distribuției materiei cu o rezoluție spațială mare și cu o doză minimă de radiație.

Pozitronii pot fi folosiți și în știința materialelor, de exemplu, pentru a măsura porozitatea unei substanțe. Dacă substanța este solidă, atunci pozitronii, prinși în substanță la o adâncime suficientă, se anihilează destul de repede și emit cuante gamma. Dacă există nanopori în interiorul substanței, anihilarea este întârziată, deoarece pozitroniul se lipește de suprafața porului. Măsurând această întârziere, se poate afla gradul de nanoporozitate al unei substanțe printr-o metodă fără contact și nedistructivă. Ca o ilustrare a acestei tehnici, există o lucrare recentă privind modul în care nanoporii apar și se strâng în cel mai subțire strat de gheață în timpul depunerii de vapori la suprafață. O abordare similară funcționează și în studiul defectelor structurale ale cristalelor semiconductoare, de exemplu, locurile libere și dislocațiile, și face posibilă măsurarea oboselii structurale a unui material.

Aplicații medicale pot fi găsite și pentru antiprotoni. Acum, la același CERN, se desfășoară experimentul ACE, care studiază efectul unui fascicul de antiprotoni asupra celulelor vii. Scopul său este de a studia perspectivele de utilizare a antiprotonilor pentru tratamentul tumorilor canceroase.

Eliberarea de energie a unui fascicul de ioni și a raze X la trecerea printr-o substanță.

Imagine: Johannes Gutleber / CERN

Această idee poate îngrozi cititorul din obișnuință: cum așa, cu un fascicul de antiprotoni - și pentru o persoană vie?! Da, și este mult mai sigură decât iradierea cu raze X a unei tumori profunde! Un fascicul de antiprotoni de energie special selectată devine un instrument eficient în mâinile chirurgului, cu ajutorul căruia este posibilă arderea tumorilor adânci în interiorul corpului și minimizarea impactului asupra țesuturilor din jur. Spre deosebire de razele X, care ard tot ce cade sub fascicul, particulele grele încărcate pe drumul lor prin materie eliberează cea mai mare parte a energiei lor în ultimii centimetri înainte de a se opri. Prin ajustarea energiei particulelor, puteți varia adâncimea la care particulele se opresc; tocmai pe această zonă cu o dimensiune de milimetri va trebui să fie principalul efect de radiație.

O astfel de radioterapie cu fascicul de protoni a fost folosită de mult timp în multe clinici bine echipate din întreaga lume. Recent, unii dintre ei trec la terapia cu ioni, care folosește un fascicul de ioni de carbon mai degrabă decât protoni. Pentru ei, profilul de eliberare a energiei este și mai contrastant, ceea ce înseamnă că eficiența perechii „terapeutice împotriva efectelor secundare” crește. Dar s-a propus de mult să se încerce antiprotoni în acest scop. La urma urmei, atunci când intră în substanță, nu numai că renunță la energia lor cinetică, dar se anihilează și după oprire - iar acest lucru crește eliberarea de energie de mai multe ori. Acolo unde se depune această depunere suplimentară de energie este o problemă complexă și trebuie examinată cu atenție înainte de a începe studiile clinice.

Aceasta este ceea ce face experimentul ACE. În timpul acesteia, cercetătorii trec un fascicul de antiprotoni printr-o cuvă cu o cultură bacteriană și măsoară supraviețuirea acestora în funcție de locație, de parametrii fasciculului și de caracteristicile fizice ale mediului. Această colectare metodică și, poate, plictisitoare de date tehnice este un punct de plecare important pentru orice tehnologie nouă.

Igor Ivanov