Was ist Antimaterie?
Objekte des Universums – Galaxien, Sterne, Quasare, Planeten, Supernovae, Tiere und Menschen
Nach den bisher verfügbaren Daten NrEs gibt Antigalaxien, Antisterne oder andere große Antimaterieobjekte. Und das ist sehr seltsam: Nach der Urknalltheorie erschien zum Zeitpunkt der Geburt unseres Universums dieselbe Menge an Materie und Antimaterie, und wo diese hingegangen ist, ist nicht klar. Derzeit gibt es zwei Erklärungen für dieses Phänomen: Entweder ist die Antimaterie unmittelbar nach der Explosion verschwunden oder sie existiert in einigen entfernten Teilen des Universums, und wir haben sie einfach noch nicht entdeckt. Diese Asymmetrie ist eines der wichtigsten ungelösten Probleme der modernen Physik.
Antimaterie - Materie aus Antiteilchen -"Spiegelreflexionen" einer Reihe von Elementarteilchen, die den gleichen Spin und die gleiche Masse haben, sich jedoch in Anzeichen aller anderen Wechselwirkungseigenschaften voneinander unterscheiden: elektrische und Farbladung, Baryon- und Leptonquantenzahlen. Einige Teilchen, zum Beispiel ein Photon, haben keine Antiteilchen oder, was dasselbe ist, Antiteilchen in Bezug auf sich selbst.
Es wird heute angenommen, dass Antiteilchen darauf reagierenDie fundamentalen Kräfte, die die Struktur der Materie bestimmen (starke Wechselwirkung, Bildung von Kernen und elektromagnetische, Bildung von Atomen und Molekülen), sind genau gleich, daher sollte die Struktur der Antimaterie dieselbe sein wie die Struktur der "normalen" Materie.
Was bedeutet das Präfix „anti“?
Wir verwenden normalerweise dieses Präfix zubezeichnen das entgegengesetzte Phänomen. Antimaterie enthält Analoga von Elementarteilchen mit entgegengesetzter Ladung, magnetischem Moment und einigen anderen Eigenschaften. Natürlich können nicht alle Eigenschaften eines Partikels umgekehrt werden. Zum Beispiel sollten Masse und Lebensdauer immer positiv bleiben und sich auf sie konzentrieren. Partikel können einer Kategorie zugeordnet werden (z. B. Protonen oder Neutronen).
Wenn wir ein Proton und ein Antiproton vergleichen, dann einigeihre Eigenschaften sind die gleichen: die Masse von beiden ist 938.2719 (98) Megaelektronvolt, Spin ½. Die elektrische Ladung des Protons beträgt jedoch 1, und das Antiproton hat minus 1, die Baryonenzahl (die die Anzahl stark wechselwirkender Teilchen bestimmt, die aus drei Quarks bestehen) beträgt 1 bzw. minus 1.
Einige Teilchen, wie das Higgs-Boson und das Photon, haben keine Antianaloga und werden als echte Neutrale bezeichnet.
Die meisten Antiteilchen zusammen mit Teilchenerscheinen in einem Prozess namens „Paargeburt“. Um ein solches Paar zu bilden, ist eine hohe Energie, also eine enorme Geschwindigkeit, erforderlich. In der Natur entstehen Antiteilchen, wenn kosmische Strahlung mit der Erdatmosphäre in massereichen Sternen, in der Nähe von Pulsaren und aktiven Galaxienkernen kollidiert. Wissenschaftler nutzen hierfür auch Beschleunigerbeschleuniger.
Wo wird Antimaterie "abgebaut" und gelagert?
Antimaterie wird im Großen Hadron abgebautDer Collider sammelt Wolken aus Antiprotonen, nachdem ein Protonenstrahl mit einem Metallziel kollidiert, und bremst die fliegenden Teilchen vorsichtig ab, damit sie in nachfolgenden Experimenten verwendet werden können.
Autor: Maximilien Brice, CERN — CERN Document Server, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Geladene Antimaterieteilchen wie Positronenund Antiprotonen können in sogenannten Penning-Fallen aufbewahrt werden. Sie sind wie winzige Teilchenbeschleuniger. In ihnen bewegen sich Partikel spiralförmig, während magnetische und elektrische Felder verhindern, dass sie mit den Wänden der Falle kollidieren.
Pennings Fallen funktionieren jedoch nichtneutrale Partikel wie Antiwasserstoff. Da sie keine Ladung haben, können diese Teilchen nicht auf elektrische Felder beschränkt werden. Sie sind in Ioffe's Fallen gefangen, die einen Raum schaffen, in dem das Magnetfeld in alle Richtungen größer wird. Antimaterieteilchen bleiben in dem Bereich mit dem schwächsten Magnetfeld stecken.
Das Erdmagnetfeld kann als Falle für Antimaterie dienen. Antiprotonen wurden in bestimmten Zonen auf der Erde gefunden - den Van-Allen-Strahlungsgürteln.
Warum ist Antimaterie so schwer zu bekommen?
Es wurde auch klar, dass das Studium dieses MysteriumsDer Stoff ist viel schwieriger zu registrieren. Antiteilchen in einem stabilen Zustand wurden in der Natur bisher nicht gefunden. Das Problem besteht darin, dass Materie und Antimaterie bei „Kontakt“ vernichten (sich gegenseitig zerstören). Es ist durchaus möglich, in Laboren Antimaterie zu gewinnen, obwohl es ziemlich schwierig ist, sie einzudämmen. Dies gelang den Wissenschaftlern bisher nur innerhalb weniger Minuten.
Das Problem der Antimateriespeicherung ist ein echtes ProblemSchmerz für Physiker, weil Antiprotonen und Positronen sofort vernichten, wenn sie auf Partikel gewöhnlicher Materie treffen. Um sie zu behalten, mussten Wissenschaftler ausgeklügelte Geräte entwickeln, die eine Katastrophe verhindern konnten. Die geladenen Antiteilchen werden in der sogenannten Penning-Falle gespeichert, die einem Miniaturbeschleuniger ähnelt. Sein starkes magnetisches und elektrisches Feld verhindert, dass Positronen und Antiprotonen mit den Wänden des Geräts kollidieren. Ein solches Gerät funktioniert jedoch nicht mit neutralen Objekten wie dem Antiwasserstoffatom. Für diesen Fall wurde die Ioffe-Falle entwickelt. Die Retention von Antiatomen darin erfolgt aufgrund des Magnetfeldes.
Was kann Antimaterie?
Nur eine Handvoll Antimaterie kann produziereneine riesige Menge an Energie. Dies macht es zu einem beliebten Kraftstoff für futuristische Science-Fiction-Fahrzeuge. Im Allgemeinen ist ein Antimaterie-Raketentriebwerk hypothetisch möglich; Die Hauptbeschränkung ist die Ansammlung von genügend Antimaterie, um sie zu verwenden.
Die Energie von 1 Milligramm Antimaterie reicht übrigens aus, um zum Mars zu fliegen.
Derzeit sind keine Technologien für verfügbarMassenproduktion oder Sammlung von Antimaterie in dem für diese Anwendung erforderlichen Umfang. Eine kleine Anzahl von Wissenschaftlern hat jedoch Forschungen zur Bewegungs- und Speichersimulation durchgeführt. Dazu gehören Ronan Keen und Wei-Ming Zhang, die an der Western Reserve Academy bzw. der Kent State University gearbeitet haben, sowie Mark Weber und seine Kollegen an der Washington State University. Wenn wir eines Tages einen Weg finden können, große Mengen an Antimaterie zu erzeugen oder zu sammeln, könnte ihre Forschung dazu beitragen, interstellare Reisen mit Antimaterie Wirklichkeit werden zu lassen.
Warum nutzen wir diese Energiequelle immer noch nicht?
Die Vernichtung von Antimaterie und Materie kanneine große Menge Energie freisetzen. Ein Gramm Antimaterie kann eine Explosion von der Größe einer Atombombe verursachen. Der Mensch hat jedoch sehr wenig Antimaterie produziert.
Die Ineffizienz der Antimaterieproduktion ist enorm.Unter Berücksichtigung der Kosten für die Gewinnung von Antimaterie können Sie nur eine Zehntelmilliarde (10-10) der investierten Energie zurückerhalten. Wenn Wissenschaftler all die Antimaterie, die wir jemals am CERN produziert haben, sammeln und mit Materie vernichten könnten, gäbe es nur genug Energie, um eine Glühbirne für ein paar Minuten einzuschalten.
Alle Antiprotonen, die in einem Teilchenbeschleuniger erzeugt werdenDas Tevatron bei Fermilab ist nur 15 Nanogramm. Die am CERN produzierten sind etwa 1 Nanogramm. Bis heute hat DESY in Deutschland ungefähr 2 Nanogramm Positronen produziert.
Wenn alle jemals vom Menschen produzierten Antimaterien auf einmal zerstört würden, würde die erzeugte Energie nicht einmal ausreichen, um eine Tasse Tee zu kochen.
Das Problem ist Effizienz und KostenHerstellung und Lagerung von Antimaterie. Die Produktion von 1 Gramm Antimaterie erfordert ungefähr 25 Millionen Milliarden Kilowattstunden Energie und mehr als eine Million Milliarden Dollar.
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Spin ist der richtige Drehimpuls von Elementarteilchen, der eine Quantennatur hat und nicht mit der Bewegung des Teilchens als Ganzes verbunden ist.