Mikä on antimateria?
Universumin esineet - galaksit, tähdet, kvasaarit, planeetat, supernovat, eläimet ja ihmiset
Tähän mennessä käytettävissä olevien tietojen perusteella eisiellä on antigalaksioita, tähtien vastaisia esineitä tai muita suuria antiaineita. Ja tämä on hyvin outoa: Suuren räjähdyksen teorian mukaan maailmankaikkeuden syntymishetkellä ilmestyi sama määrä ainetta ja antimateriaa, ja minne jälkimmäinen meni, ei ole selvää. Tällä hetkellä tätä ilmiötä voidaan selittää kahdella tavalla: joko antiaine katosi heti räjähdyksen jälkeen, tai se esiintyy joissakin maailmankaikkeuden kaukaisissa osissa, emmekä yksinkertaisesti ole vielä löytäneet sitä. Tämä epäsymmetria on yksi tärkeimmistä nykyaikaisen fysiikan ratkaisemattomista ongelmista.
Antiaine - aine, joka koostuu antihiukkasista -Useiden alkeishiukkasten "peiliheijastukset", joilla on sama spin ja massa, mutta jotka eroavat toisistaan kaikkien muiden vuorovaikutuksen ominaisuuksien merkkien suhteen: sähkö- ja värivaraus, baryonin ja leptonin kvanttiluvut. Joillakin hiukkasilla, esimerkiksi fotonilla, ei ole hiukkasia tai, mikä on sama asia, ne ovat hiukkasia itseensä nähden.
Nykyään uskotaan, että antihiukkaset reagoivataineen rakenteen määrittävät perusvoimat (vahva vuorovaikutus, muodostavat ytimiä ja sähkömagneettiset, muodostavat atomeja ja molekyylejä), ovat täsmälleen samat, joten antiaineen rakenteen tulisi olla sama kuin "normaalin" aineen rakenteen.
Mitä etuliite "anti" tarkoittaa?
Käytämme yleensä tätä etuliitettänimetä päinvastainen ilmiö. Mitä tulee antimateriaan - se sisältää alkupartikkelien analogeja, joilla on vastakkainen varaus, magneettinen momentti ja joitain muita ominaisuuksia. Tietysti kaikkia hiukkasen ominaisuuksia ei voida kääntää. Esimerkiksi massan ja käyttöiän tulisi aina olla positiivisia keskittyen niihin, hiukkaset voidaan katsoa yhdeksi luokaksi (esimerkiksi protonit tai neutronit).
Jos verrataan protonia ja antiprotonia, niin joitainniiden ominaisuudet ovat samat: molempien massa on 938,2719 (98) megaelektronivolttia, spin ½. Mutta protonin sähkövaraus on 1 ja antiprotonilla on miinus 1, barioniluku (joka määrittää voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevien, kolmesta kvarkista koostuvien hiukkasten lukumäärän) on vastaavasti 1 ja miinus 1.
Joillakin hiukkasilla, kuten Higgsin bosonilla ja fotonilla, ei ole antianalogeja, ja niitä kutsutaan todellisiksi neutraaleiksi.
Useimmat antihiukkaset yhdessä hiukkasten kanssaesiintyvät prosessissa, jota kutsutaan "parisyntymäksi". Tällaisen parin muodostamiseen tarvitaan suurta energiaa, toisin sanoen valtavaa nopeutta. Luonnossa antihiukkasia syntyy, kun kosmiset säteet törmäävät Maan ilmakehään, massiivisten tähtien sisällä, pulsareiden ja aktiivisten galaktisten ytimien lähellä. Tiedemiehet käyttävät tähän myös kiihdyttimiä.
Missä antiaine "louhitaan" ja varastoidaan?
Antimateria louhitaan Suuressa Hadronissatörmäyskone, joka kerää antiprotonipilviä protoninsäteen törmättyä metallikohteeseen ja hidastaa varovasti lentäviä hiukkasia, jotta niitä voidaan käyttää myöhemmissä kokeissa.
Kirjoittaja: Maximilien Brice, CERN — CERN Document Server, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Varautuneet antiaineen hiukkaset, kuten positronitja antiprotonit voidaan varastoida ns. Penning-ansoihin. Ne ovat kuin pieniä hiukkaskiihdyttimiä. Niiden sisällä hiukkaset liikkuvat spiraalissa, kun taas magneettiset ja sähköiset kentät estävät niitä törmäämästä ansan seinämiin.
Penningin ansat eivät kuitenkaan toimineutraalit hiukkaset, kuten vedynesto. Koska niillä ei ole varausta, näitä hiukkasia ei voida rajoittaa sähkökenttiin. Ne ovat loukussa Ioffen loukkuissa, jotka toimivat luomalla avaruusalueen, jossa magneettikenttä kasvaa kaikkiin suuntiin. Antiaineen hiukkaset juuttuvat alueelle, jolla on heikoin magneettikenttä.
Maan magneettikenttä voi toimia ansana antiaineelle. Antiprotoneja löydettiin tietyiltä maapallon alueilta - Van Allenin säteilyhihnoilta.
Miksi antimateriaa on niin vaikea saada?
Kävi myös selväksi, että tutkimalla tätä salaperäistäaineen rekisteröinti on paljon vaikeampaa. Stabiilitilassa olevia antihiukkasia ei ole vielä tavattu luonnossa. Ongelmana on, että aine ja antimateriaali tuhoutuvat (tuhoavat toisiaan) "kosketuksen yhteydessä". On täysin mahdollista saada antimateriaa laboratorioissa, vaikka sen hillitseminen on melko vaikeaa. Toistaiseksi tiedemiehet ovat pystyneet tekemään tämän vain muutamassa minuutissa.
Antiaineen varastointi on todellinen päänsärkykipu fyysikoille, koska antiprotonit ja positronit tuhoutuvat välittömästi tavattaessa tavallisen aineen hiukkasia. Jotta ne säilyisivät, tutkijoiden oli keksittävä ovelaita laitteita, jotka voisivat estää katastrofin. Varautuneita hiukkasia varastoidaan ns. Penning-ansaan, joka muistuttaa miniatyyrikiihdytintä. Sen voimakas magneetti- ja sähkökenttä estää positroneja ja antiprotoneja törmäämästä laitteen seiniin. Tällainen laite ei kuitenkaan toimi neutraalien esineiden, kuten vetyatomin, kanssa. Tätä tapausta varten kehitettiin Ioffe-ansa. Antiatomien pidättyminen siinä tapahtuu magneettikentän vuoksi.
Mihin antimateria pystyy?
Vain kourallinen antiaine voi tuottaavaltava määrä energiaa. Tämä tekee siitä suositun polttoaineen futuristisille tieteiskirjallisuusajoneuvoille. Yleensä antiaineen rakettimoottori on hypoteettisesti mahdollista; tärkein rajoitus on riittävän antiaineen kerääntyminen sen käyttöä varten.
Muuten, 1 milligramman antimateriaalia riittää lentääkseen Marsiin.
Tällä hetkellä ei ole käytettävissä tekniikkaaantimateriaalin massatuotanto tai kerääminen siinä määrin kuin tätä sovellusta tarvitaan. Pieni määrä tutkijoita on kuitenkin tehnyt tutkimusta liikkeen ja varastoinnin simuloinnista. Näihin kuuluvat Ronan Keen ja Wei-Ming Zhang, jotka työskentelivät Western Reserve Academy -yliopistossa ja Kent State University, sekä Mark Weber ja hänen kollegansa Washingtonin osavaltion yliopistossa. Jossain päivänä joskus löydetään tapa luoda tai kerätä suuria määriä antimateriaa, heidän tutkimuksensa voisi auttaa tekemään tähtienvälisestä matkasta antiaineita.
Miksi emme vieläkään käytä tätä energialähdettä?
Antiaineen ja aineen tuhoaminen voivapauttaa valtavan määrän energiaa. Gramma antimateriaa voi aiheuttaa ydinpommin kokoisen räjähdyksen. Ihmiset ovat kuitenkin tuottaneet hyvin vähän antimateriaa.
Antiaineen tuotannon tehottomuus on valtava.Ottaen huomioon antiaineen hankkimisen kustannukset voit saada takaisin vain kymmenesosan miljardista (10-10) investoidusta energiasta. Jos tutkijat voisivat kerätä kaiken antimateriaalin, jonka olemme koskaan tuottaneet CERN: ssä, ja tuhota sen aineella, niin energiaa riittäisi vain yhden lampun kytkemiseen päälle muutaman minuutin.
Kaikki antiprotonit, jotka on luotu hiukkaskiihdyttimessäFermilabin Tevatron on vain 15 nanogrammaa. CERNissä tuotetut ovat noin 1 nanogrammaa. Tähän mennessä DESY Saksassa on tuottanut noin 2 nanogrammaa positroneja.
Jos kaikki ihmisten koskaan tuottamat antiaineet tuhoutuisivat kerralla, tuotettu energia ei edes riitä keittämään kupillista teetä.
Ongelma on tehokkuus ja kustannuksetantiaineen tuotanto ja varastointi. Yhden gramman antimateriaalin tuottaminen vaatii noin 25 miljoonaa miljardia kilowattituntia energiaa ja yli miljoona miljardia dollaria.
Lue lisää
Nerokkuuden helikopteri lähtee onnistuneesti Marsista
Ensimmäinen tarkka maailmankartta luotiin. Mitä vikaa kaikilla muilla on?
NASA kertoi kuinka he toimittavat Marsin näytteitä maapallolle
Spin on alkeishiukkasten oikea kulmamomentti, jolla on kvanttinen luonne eikä se liity hiukkasen kokonaisliikkeeseen.