Hva er antimateriale?
Objekter i universet - galakser, stjerner, kvasarer, planeter, supernovaer, dyr og mennesker
Basert på de tilgjengelige dataene til dags dato, nrdet er antigalaksier, anti-stjerner eller andre store antimateriagjenstander. Og dette er veldig rart: ifølge Big Bang-teorien, i øyeblikket av vårt universs fødsel, dukket den samme mengden materie og antimateriale opp, og hvor sistnevnte gikk, er ikke klart. Foreløpig er det to forklaringer på dette fenomenet: enten antimateriale forsvant umiddelbart etter eksplosjonen, eller det eksisterer i noen fjerne deler av universet, og vi har rett og slett ikke oppdaget det ennå. Denne asymmetrien er et av de viktigste uløste problemene i moderne fysikk.
Antimateriale - materiale bestående av antipartikler -"Speilrefleksjoner" av et antall elementære partikler som har samme spinn og masse, men som skiller seg fra hverandre i tegn til alle andre karakteristika for interaksjon: elektrisk og fargeladning, baryon og lepton kvantetall. Noen partikler, for eksempel et foton, har ikke antipartikler, eller, som er det samme, er antipartikler i forhold til seg selv.
Det antas i dag at antipartikler reagerer påde grunnleggende kreftene som bestemmer materiens struktur (sterk interaksjon, dannende kjerner og elektromagnetiske, som danner atomer og molekyler), er nøyaktig den samme, derfor bør strukturen til antimateriale være den samme som strukturen til "normal" materie.
Hva betyr prefikset "anti"?
Vi bruker vanligvis dette prefikset tilbetegne det motsatte fenomenet. Når det gjelder antimateriale - det inkluderer analoger av elementære partikler som har motsatt ladning, magnetisk moment og noen andre egenskaper. Selvfølgelig kan ikke alle egenskapene til en partikkel reverseres. For eksempel skal masse og levetid alltid være positiv, med fokus på dem, partikler kan tilskrives en kategori (for eksempel protoner eller nøytroner).
Hvis vi sammenligner et proton og et antiproton, så noenderes egenskaper er de samme: massen til begge er 938,2719 (98) megaelektronvolt, spinn ½. Men den elektriske ladningen til protonen er 1, og antiprotonet har minus 1, baryontallet (som bestemmer antall sterkt samhandlende partikler som består av tre kvarker) er henholdsvis 1 og minus 1.
Noen partikler, som Higgs-bosonet og fotonet, har ingen antianaloger og kalles ekte nøytrale.
De fleste antipartikler sammen med partiklervises i en prosess som kalles «parfødsel». For å danne et slikt par kreves det høy energi, det vil si enorm hastighet. I naturen oppstår antipartikler når kosmiske stråler kolliderer med jordens atmosfære, inne i massive stjerner, nær pulsarer og aktive galaktiske kjerner. Forskere bruker også akseleratorkollidere for dette.
Hvor "utvinnes" antimateriale og lagres?
Antimaterie utvinnes i Large Hadronkolliderer, samler skyer av antiprotoner etter at en stråle av protoner kolliderer med et metallmål og bremser forsiktig de flygende partiklene slik at de kan brukes i etterfølgende eksperimenter.
Forfatter: Maximilien Brice, CERN — CERN Document Server, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Ladede antimateriellpartikler som positronerog antiprotons kan lagres i såkalte Penning feller. De er som små partikkelakseleratorer. Inne i dem beveger partikler seg i en spiral mens magnetiske og elektriske felt hindrer dem i å kollidere med fellenes vegger.
Pennings feller fungerer imidlertid ikke fornøytrale partikler som antihydrogen. Siden de ikke har noen ladning, kan disse partiklene ikke begrenses til elektriske felt. De er fanget i Ioffes feller, som fungerer ved å skape et område av rommet der magnetfeltet blir større i alle retninger. Partikler av antimateriale setter seg fast i området med det svakeste magnetfeltet.
Jordens magnetfelt kan fungere som feller for antimateriale. Antiprotoner ble funnet i visse soner rundt jorden - Van Allen-strålingsbeltene.
Hvorfor er antimateriale så vanskelig å få?
Det ble også klart at studere dette mystiskestoffet er mye vanskeligere å registrere. Antipartikler i stabil tilstand har ennå ikke blitt påtruffet i naturen. Problemet er at materie og antimaterie ved "kontakt" tilintetgjør (gjensidig ødelegger hverandre). Det er fullt mulig å få tak i antistoff i laboratorier, selv om det er ganske vanskelig å inneholde det. Så langt har forskere bare vært i stand til å gjøre dette i løpet av få minutter.
Antimatter-lagringsproblemet er en virkelig hodepinesmerte for fysikere, fordi antiprotoner og positroner umiddelbart utslettes når de møter partikler av vanlig materie. For å beholde dem måtte forskere komme med listige innretninger som kunne forhindre en katastrofe. De ladede antipartiklene er lagret i den såkalte Penning-fellen, som ligner en miniatyrakselerator. Det kraftige magnetiske og elektriske feltet forhindrer positroner og antiprotoner i å kollidere med enhetens vegger. Imidlertid fungerer en slik enhet ikke med nøytrale gjenstander som antihydrogenatomet. For denne saken ble Ioffe-fellen utviklet. Retensjonen av antiatomer i den oppstår på grunn av magnetfeltet.
Hva er antimateriale i stand til?
Bare en håndfull antimateriale kan produsereen enorm mengde energi. Dette gjør det til et populært drivstoff for futuristiske science fiction-kjøretøy. Generelt er en antimateriell rakettmotor hypotetisk mulig; hovedbegrensningen er akkumulering av nok antimateriale til å bruke den.
Forresten, energien til 1 milligram antimaterie er nok til å fly til Mars.
Det er for tiden ingen teknologier tilgjengelig formasseproduksjon eller innsamling av antimateriale i den grad det kreves for denne applikasjonen. Imidlertid har et lite antall forskere forsket på bevegelse og lagringssimulering. Disse inkluderer Ronan Keen og Wei-Ming Zhang, som jobbet på henholdsvis Western Reserve Academy og Kent State University, samt Mark Weber og hans kolleger ved Washington State University. En dag, hvis vi finner en måte å lage eller samle store mengder antimateriale på, kan deres forskning bidra til å gjøre interstellare reiser ved hjelp av antimaterie til virkelighet.
Hvorfor bruker vi fortsatt ikke denne energikilden?
Tilintetgjørelsen av antimateriale og materie kanfrigjøre en enorm mengde energi. Et gram antimateriale kan forårsake en eksplosjon på størrelse med en atombombe. Imidlertid har mennesker produsert veldig lite antimateriale.
Ineffektiviteten av antimateriaproduksjonen er enorm.Når du tar hensyn til kostnadene for å skaffe antimateriale, kan du bare få tilbake en tiendedel av en milliard (10-10) av den investerte energien. Hvis forskere kunne samle alt antimateriale som vi noen gang har produsert på CERN og tilintetgjøre det med materie, ville det bare være nok energi til å slå på en lyspære i noen minutter.
Alle antiprotoner opprettet i en partikkelakseleratorTevatron på Fermilab er bare 15 nanogram. De produsert på CERN er omtrent 1 nanogram. Hittil har DESY i Tyskland produsert omtrent 2 nanogram positroner.
Hvis alt antimateriale som noen gang ble produsert av mennesker ble ødelagt på en gang, ville ikke den produserte energien engang være nok til å koke en kopp te.
Problemet er effektivitet og kostnadproduksjon og lagring av antimateriale. Produksjonen av 1 gram antimateriale vil kreve omtrent 25 millioner milliarder kilowatt-timer energi og mer enn en million milliarder dollar.
Les mer
Oppfinnsomhetshelikopter tar vellykket avgang på Mars
Det første nøyaktige kartet over verden ble opprettet. Hva er galt med alle andre?
NASA fortalte hvordan de vil levere prøver av Mars til jorden
Spinn er riktig vinkelmoment for elementære partikler, som har en kvantekarakter og ikke er forbundet med bevegelsen til partikkelen som helhet.