Mi az antianyag?
Az Univerzum objektumai - galaxisok, csillagok, kvazárok, bolygók, szupernóvák, állatok és emberek
Az eddigi adatok alapján nemvannak antigalaxiák, csillagellenesek vagy más nagy antianyag-tárgyak. És ez nagyon furcsa: az ősrobbanás elmélete szerint Univerzumunk születésének pillanatában ugyanannyi anyag és antianyag jelent meg, és hová került ez utóbbi, nem világos. Jelenleg két magyarázat létezik erre a jelenségre: vagy az antianyag azonnal eltűnt a robbanás után, vagy az univerzum néhány távoli részén létezik, és egyszerűen még nem fedeztük fel. Ez az aszimmetria az egyik legfontosabb megoldatlan probléma a modern fizikában.
Antianyag - antirészecskékből álló anyag -Számos elemi részecske "tükörreflexiója", amelyeknek ugyanolyan a spin és a tömege, de különböznek egymástól a kölcsönhatás minden egyéb jellemzőjének jeleiben: elektromos és színtöltés, barion és lepton kvantumszám. Egyes részecskék, például egy foton, nem rendelkeznek antirészecskékkel, vagy ami ugyanaz, önmagukhoz képest antirészecskék.
Ma úgy gondolják, hogy az antirészecskék reagálnakaz anyag szerkezetét meghatározó alapvető erők (erős kölcsönhatás, magokat alkotó és elektromágneses, atomokat és molekulákat alkotó) pontosan megegyeznek, ezért az antianyag szerkezetének meg kell egyeznie a "normális" anyag szerkezetével.
Mit jelent az „anti” előtag?
Általában ezt az előtagot használjukjelölje meg az ellenkező jelenséget. Ami az antianyagot illeti - magában foglalja az elemi részecskék analógjait, amelyek ellentétes töltéssel, mágneses momentummal és néhány más tulajdonsággal rendelkeznek. Természetesen a részecske összes tulajdonságát nem lehet megfordítani. Például a tömegnek és az élettartamnak mindig pozitívnak kell maradnia, összpontosítva rájuk, a részecskék egy kategóriának tulajdoníthatók (például protonok vagy neutronok).
Ha összehasonlítunk egy protont és egy antiprotont, akkor néhányatjellemzőik azonosak: mindkettő tömege 938,2719 (98) megaelektronvolt, spin ½. De a proton elektromos töltése 1, az antiprotonnak pedig mínusz 1, a barionszám (amely meghatározza a három kvarkból álló erősen kölcsönhatásban lévő részecskék számát) 1, illetve mínusz 1.
Egyes részecskék, mint például a Higgs-bozon és a foton, nem rendelkeznek antianalógokkal, és valódi semlegesnek nevezik.
A legtöbb antirészecske részecskékkel együtt„párban születésnek” nevezett folyamatban jelennek meg. Egy ilyen pár kialakításához nagy energia, azaz óriási sebesség szükséges. A természetben antirészecskék keletkeznek, amikor kozmikus sugarak ütköznek a Föld légkörével, hatalmas csillagok belsejében, pulzárok és aktív galaktikus atommagok közelében. A tudósok ehhez gyorsítóütközőket is használnak.
Hol "bányásszák" és tárolják az antianyagot?
Az antianyagot a Nagy Hadronban bányászjákütköztető, antiprotonfelhőket gyűjt össze, miután egy protonsugár fém célponttal ütközik, és óvatosan lelassítja a repülő részecskéket, hogy felhasználhassák azokat a későbbi kísérletekben.
Szerző: Maximilien Brice, CERN — CERN dokumentumszerver, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Töltött antianyag-részecskék, mint a positronokaz antiprotonok pedig úgynevezett Penning-csapdákban tárolhatók. Olyanok, mint apró részecskegyorsítók. Bennük a részecskék spirálban mozognak, miközben a mágneses és elektromos mezők megakadályozzák, hogy ütközzenek a csapda falával.
Penning csapdái azonban nem működneksemleges részecskék, például antihidrogén. Mivel nincs töltésük, ezek a részecskék nem korlátozódhatnak elektromos mezőkre. Csapdába esnek Ioffe csapdáiban, amelyek úgy működnek, hogy olyan térterületet hoznak létre, ahol a mágneses tér minden irányban nagyobb lesz. Az antianyag részecskéi megakadnak a leggyengébb mágneses térrel rendelkező területen.
A Föld mágneses tere csapdákként működhet az antianyag számára. A Föld körüli zónákban antiprotonokat találtak - a Van Allen sugárzási öveket.
Miért olyan nehéz megszerezni az antianyagot?
Az is világossá vált, hogy tanulmányozva ezt a titokzatosaz anyagot sokkal nehezebb regisztrálni. Stabil állapotú antirészecskékkel még nem találkoztak a természetben. A probléma az, hogy az anyag és az antianyag „érintkezéskor” megsemmisül (kölcsönösen elpusztítja egymást). Laboratóriumban nagyon is lehet antianyagot szerezni, bár meglehetősen nehéz visszatartani. Eddig a tudósok ezt csak néhány percen belül tudták megtenni.
Az antianyag-tárolási kérdés igazi fejfájást okozfájdalom a fizikusok számára, mert az antiprotonok és a pozitronok azonnal megsemmisülnek, amikor a hétköznapi anyag bármely részecskéjével találkoznak. Megtartásukhoz a tudósoknak ravasz eszközökkel kellett előállniuk, amelyek megakadályozhatják a katasztrófát. A töltött antirészecskéket az úgynevezett Penning-csapdában tárolják, amely egy miniatűr gyorsítóra emlékeztet. Erőteljes mágneses és elektromos tere megakadályozza, hogy a pozitronok és az antiprotonok ütközzenek a készülék falával. Egy ilyen eszköz azonban nem működik semleges tárgyakkal, mint például az antihidrogénatom. Erre az esetre kifejlesztették az Ioffe csapdát. Az antiatomák megtartása benne a mágneses mező miatt következik be.
Mire képes az antianyag?
Csak egy maroknyi antianyag képes előállítanihatalmas mennyiségű energia. Ez a futurisztikus sci-fi járművek népszerű üzemanyagává teszi. Általában hipotetikailag lehetséges az antianyag-rakétamotor; a fő korlát az elegendő antianyag felhalmozódása a használatához.
Egyébként 1 milligramm antianyag energiája elegendő a Marsra való repüléshez.
Jelenleg nem állnak rendelkezésre technológiáktömegtermelés vagy antianyag-gyűjtés az alkalmazáshoz szükséges mértékben. Néhány tudós azonban kutatást végzett a mozgás és a tárolás szimulációjával kapcsolatban. Ide tartozik Ronan Keen és Wei-Ming Zhang, akik a Western Reserve Academy-nél, illetve a Kenti Állami Egyetemen dolgoztak, valamint Mark Weber és munkatársai a Washingtoni Állami Egyetemen. Egyszer, ha találunk módot nagy mennyiségű antianyag létrehozására vagy összegyűjtésére, kutatásuk elősegítheti a csillagközi utazást az antianyag használatával.
Miért nem használjuk még mindig ezt az energiaforrást?
Az antianyag és az anyag megsemmisítése igenhatalmas mennyiségű energiát szabadítson fel. Egy gramm antianyag akkora robbanást okozhat, mint egy atombomba. Az emberek azonban nagyon kevés antianyagot termeltek.
Óriási az antianyag-termelés hatékonysága.Figyelembe véve az antianyag megszerzésének költségeit, a befektetett energiának csak a tizedmilliárdját (10-10) lehet visszakapni. Ha a tudósok össze tudnák gyűjteni az összes antianyagot, amelyet valaha a CERN-ben előállítottunk, és anyaggal megsemmisíteni, akkor csak annyi energia lenne elegendő, hogy egy villanykörtét néhány percig bekapcsoljunk.
Minden antiproton egy részecskegyorsítóban jött létreA Tevatron a Fermilabban csak 15 nanogramm. A CERN-ben előállított mennyiség körülbelül 1 nanogramm. A mai napig a DESY Németországban körülbelül 2 nanogramm positront termelt.
Ha az emberek által valaha termelt összes antiaanyag egyszerre megsemmisül, akkor a megtermelt energia még egy csésze tea elforgatásához sem lenne elegendő.
A probléma a hatékonyság és a költségantianyag előállítása és tárolása. 1 gramm antianyag előállításához hozzávetőlegesen 25 millió milliárd kilowattóra energia és több mint egymilliárd dollár szükséges.
Olvass tovább
A találékonyság helikopter sikeresen felszáll a Marson
Létrehozták az első pontos világtérképet. Mi a baj mindenki mással?
A NASA elmondta, hogyan szállítják a Mars mintáit a Földre
A spin az elemi részecskék megfelelő szögmomentuma, amelynek kvantum jellege van, és nem kapcsolódik a részecske egészének mozgásához.