Какво е антиматерия?
Обекти във Вселената – галактики, звезди, квазари, планети, свръхнови, животни и хора
Въз основа на наличните към момента данни, неима антигалаксии, анти-звезди или други големи антиматериални обекти. И това е много странно: според теорията за Големия взрив в момента на раждането на нашата Вселена се е появило същото количество материя и антиматерия и къде е отишло последното не е ясно. В момента има две обяснения за това явление: или антиматерията е изчезнала веднага след експлозията, или тя съществува в някои отдалечени части на Вселената и ние просто все още не сме я открили. Тази асиметрия е един от най-важните нерешени проблеми в съвременната физика.
Антиматерия - материя, съставена от античастици -„Огледални отражения“ на редица елементарни частици, които имат еднакви въртене и маса, но се различават помежду си по признаци на всички други характеристики на взаимодействие: електрически и цветен заряд, барионни и лептонови квантови числа. Някои частици, например фотон, нямат античастици или, което е същото нещо, са античастици по отношение на себе си.
Днес се смята, че античастиците реагират наосновните сили, които определят структурата на материята (силно взаимодействие, образуващи ядра и електромагнитни, образуващи атоми и молекули), са абсолютно еднакви, следователно структурата на антиматерията трябва да бъде същата като структурата на "нормалната" материя.
И какво означава префиксът "анти"?
Обикновено използваме този префикс заобозначават обратното явление. Що се отнася до антиматерията - тя включва аналози на елементарни частици, които имат противоположен заряд, магнитен момент и някои други характеристики. Разбира се, всички свойства на частицата не могат да бъдат обърнати. Например, масата и животът винаги трябва да останат положителни, като се фокусира върху тях, частиците могат да бъдат отнесени към една категория (например протони или неутрони).
Ако сравним протон и антипротон, тогава някоихарактеристиките им са еднакви: масата и на двете е 938,2719 (98) мегаелектронволта, спин ½. Но електрическият заряд на протона е 1, а антипротонът има минус 1, барионното число (което определя броя на силно взаимодействащите частици, състоящи се от три кварка) е съответно 1 и минус 1.
Някои частици, като Хигс бозона и фотона, нямат аналози и се наричат истински неутрални.
Повечето античастици, заедно с частиците, се появяват в процес, наречен "производство на пари", който изисква висока енергия или огромна скорост, за да се образува такава двойка.В природата античастиците възникват, когато космическите лъчи се сблъскат със земната атмосфера, вътре в масивни звезди, близо до пулсари и активни галактически ядра.Учените използват колайдери-ускорители за това.
Къде се „добива“ и съхранява антиматерията?
Антиматерията се добива в Големия адронен колайдер чрез събиране на облаци от антипротони, след като протонен лъч се сблъска с метална мишена и леко забавя летящите частици, така че те да могат да бъдат използвани в последващи експерименти.
Автор: Максимилиан Брис, CERN — CERN Document Server, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Заредени антиматериални частици като позитронии антипротоните могат да се съхраняват в така наречените капани на Пенинг. Те са като малки ускорители на частици. Вътре в тях частиците се движат по спирала, докато магнитните и електрическите полета им пречат да се сблъскат със стените на капана.
Капаните на Пенинг обаче не работятнеутрални частици като антиводород. Тъй като нямат заряд, тези частици не могат да бъдат ограничени до електрически полета. Те са попаднали в капаните на Йоффе, които работят, като създават пространство в пространството, където магнитното поле става по-голямо във всички посоки. Частици от антиматерия се забиват в района с най-слабото магнитно поле.
Магнитното поле на Земята може да действа като капани за антиматерията. Антипротони са открити в определени зони около Земята - радиационните пояси на Ван Алън.
Защо е толкова трудно да се получи антиматерия?
Също така стана ясно, че изучаването на това мистериозно вещество е много по-трудно, отколкото регистрирането му.Проблемът е , че материята и антиматерията се унищожават, когато се "докоснат"В лабораториите е напълно възможно да се произведе антиматерия, въпреки че е доста трудно да се задържи.Досега учените са успели да направят това само за броени минути.
Проблемът със съхранението на антиматерията е истинско главоболиеболка за физиците, тъй като антипротоните и позитроните незабавно унищожават при среща с частици обикновена материя. За да ги запазят, учените трябваше да измислят хитри устройства, които могат да предотвратят катастрофа. Заредените античастици се съхраняват в така наречения капан на Пенинг, който прилича на миниатюрен ускорител. Мощното му магнитно и електрическо поле предотвратява сблъсъка на позитрони и антипротони със стените на устройството. Такова устройство обаче не работи с неутрални обекти като антиводородния атом. За този случай е разработен капанът на Йоффе. Задържането на антиатоми в него се дължи на магнитното поле.
На какво е способна антиматерията?
Може да произведе само шепа антиматерияогромно количество енергия. Това го прави популярно гориво за футуристични превозни средства с научна фантастика. Като цяло ракетният двигател с антиматерия е хипотетично възможен; основното ограничение е натрупването на достатъчно антиматерия, за да се използва.
Между другото, енергията от 1 милиграм антиматерия е достатъчна за полет до Марс.
Понастоящем няма налични технологии замасово производство или събиране на антиматерия до степента, необходима за това приложение. Малък брой учени обаче са направили изследвания върху симулацията на движение и съхранение. Те включват Ронан Кийн и Уей-Минг Джанг, които са работили съответно в Академията на Западен резерв и Държавния университет в Кент, както и Марк Уебър и колегите му от Вашингтонския държавен университет. Някой ден, ако успеем да намерим начин да създадем или съберем големи количества антиматерия, техните изследвания биха могли да помогнат за осъществяването на междузвездното пътуване, използващо антиматерия.
Защо все още не използваме този енергиен източник?
Унищожаването на антиматерията и материята можеосвобождават огромно количество енергия. Грам антиматерия може да предизвика експлозия с размерите на ядрена бомба. Въпреки това, хората са произвели много малко антиматерия.
Неефективността на производството на антиматерия е огромна.Като се вземат предвид разходите за получаване на антиматерия, можете да си върнете само една десета от милиарда (10-10) от инвестираната енергия. Ако учените биха могли да съберат цялата антиматерия, която някога сме произвеждали в ЦЕРН, и да я унищожим с материя, тогава би имало достатъчно енергия, за да включим една крушка за няколко минути.
Всички антипротони, създадени в ускорител на частициTevatron в Fermilab е само 15 нанограма. Тези, произведени в CERN, са около 1 нанограм. Към днешна дата DESY в Германия е произвела приблизително 2 нанограма позитрони.
Ако всички антиматерии, произведени някога от хората, бъдат унищожени наведнъж, произведената енергия дори не би била достатъчна, за да сварите чаша чай.
Проблемът е в ефективността и разходитепроизводство и съхранение на антиматерия. Производството на 1 грам антиматерия ще изисква приблизително 25 милиона милиарда киловатчаса енергия и повече от милион милиарда долара.
Прочетете още
Изобретателност хеликоптер успешно излита на Марс
Създадена е първата точна карта на света. Какво не е наред с всички останали?
НАСА разказа как ще доставят проби от Марс на Земята
Спинът е правилният ъглов момент на елементарните частици, който има квантова природа и не е свързан с движението на частицата като цяло.