Co to jest antymateria?
Obiekty Wszechświata - galaktyki, gwiazdy, kwazary, planety, supernowe, zwierzęta i ludzie
Na podstawie dotychczas dostępnych danych, nieistnieją antygalaktyki, antygwiazdy lub inne duże obiekty z antymaterii. I to jest bardzo dziwne: zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu w momencie narodzin naszego Wszechświata pojawiła się taka sama ilość materii i antymaterii, a nie jest jasne, dokąd poszły. Obecnie istnieją dwa wyjaśnienia tego zjawiska: albo antymateria zniknęła natychmiast po eksplozji, albo istnieje w niektórych odległych częściach wszechświata, a my po prostu jeszcze jej nie odkryliśmy. Ta asymetria jest jednym z najważniejszych nierozwiązanych problemów współczesnej fizyki.
Antymateria - materia zbudowana z antycząstek -„Odbicia lustrzane” szeregu cząstek elementarnych, które mają ten sam spin i masę, ale różnią się od siebie znakami wszystkich innych cech interakcji: ładunku elektrycznego i barwnego, liczb kwantowych barionowych i leptonowych. Niektóre cząstki, na przykład foton, nie mają antycząstek lub, co jest tym samym, są antycząstkami w stosunku do siebie.
Obecnie uważa się, że antycząstki reagująpodstawowe siły, które decydują o budowie materii (oddziaływanie silne, formujące jądra i elektromagnetyczne, tworzące atomy i cząsteczki) są dokładnie takie same, dlatego budowa antymaterii powinna być taka sama, jak budowa „normalnej” materii.
Co oznacza przedrostek „anty”?
Zwykle używamy tego przedrostka dowyznacz przeciwne zjawisko. Jeśli chodzi o antymaterię - obejmuje analogi cząstek elementarnych, które mają przeciwny ładunek, moment magnetyczny i kilka innych cech. Oczywiście wszystkie właściwości cząstki nie mogą zostać odwrócone. Na przykład masa i czas życia powinny zawsze pozostawać dodatnie, skupiając się na nich, cząstki można przypisać do jednej kategorii (na przykład protony lub neutrony).
Jeśli porównamy proton i antyproton, to niektóreich charakterystyka jest taka sama: masa obu wynosi 938,2719 (98) megaelektronowoltów, spin ½. Ale ładunek elektryczny protonu wynosi 1, a antyproton ma minus 1, liczba barionowa (która określa liczbę silnie oddziałujących cząstek składających się z trzech kwarków) wynosi odpowiednio 1 i minus 1.
Niektóre cząstki, takie jak bozon Higgsa i foton, nie mają antyanalogów i nazywane są cząstkami prawdziwie neutralnymi.
Większość antycząstek razem z cząstkamipojawiają się w procesie zwanym „narodzinami pary”. Aby utworzyć taką parę, potrzebna jest duża energia, czyli ogromna prędkość. W naturze antycząstki powstają, gdy promienie kosmiczne zderzają się z ziemską atmosferą, wewnątrz masywnych gwiazd, w pobliżu pulsarów i aktywnych jąder galaktycznych. Naukowcy wykorzystują do tego także zderzacze akceleratorów.
Gdzie jest „wydobywana” i przechowywana antymateria?
W Wielkim Hadronie wydobywana jest antymateriazderzacz, zbierający chmury antyprotonów po zderzeniu się wiązki protonów z metalową tarczą i ostrożnie spowalniający lecące cząstki, aby można je było wykorzystać w kolejnych eksperymentach.
Autor: Maximilien Brice, CERN ‚8212; Serwer dokumentów CERN, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Naładowane cząsteczki antymaterii, takie jak pozytonya antyprotony można przechowywać w tak zwanych pułapkach Penninga. Są jak małe akceleratory cząstek. Wewnątrz nich cząsteczki poruszają się spiralnie, podczas gdy pola magnetyczne i elektryczne zapobiegają zderzaniu się ze ścianami pułapki.
Jednak pułapki Penninga nie działająneutralne cząsteczki, takie jak przeciwwodór. Ponieważ nie mają ładunku, cząstki te nie mogą być ograniczone do pól elektrycznych. Są uwięzieni w pułapkach Ioffe, które działają, tworząc obszar przestrzeni, w którym pole magnetyczne zwiększa się we wszystkich kierunkach. Cząsteczki antymaterii utknęły w obszarze o najsłabszym polu magnetycznym.
Ziemskie pole magnetyczne może działać jak pułapka na antymaterię. Antyprotony znaleziono w pewnych strefach wokół Ziemi - pasach promieniowania Van Allena.
Dlaczego antymateria jest tak trudna do zdobycia?
Stało się również jasne, że studiowanie tego jest tajemniczesubstancja jest znacznie trudniejsza do zarejestrowania. W przyrodzie nie spotkano jeszcze antycząstek w stanie stabilnym. Problem polega na tym, że materia i antymateria w wyniku „kontaktu” unicestwiają (wzajemnie niszczą). Uzyskanie antymaterii w laboratoriach jest całkiem możliwe, choć dość trudno ją powstrzymać. Do tej pory naukowcom udało się tego dokonać w ciągu kilku minut.
Problem przechowywania antymaterii to prawdziwy ból głowyból dla fizyków, ponieważ antyprotony i pozytony natychmiast ulegają anihilacji, gdy spotykają się z cząstkami zwykłej materii. Aby je zatrzymać, naukowcy musieli wymyślić przebiegłe urządzenia, które mogłyby zapobiec katastrofie. Naładowane antycząstki są przechowywane w tzw. Pułapce Penninga, która przypomina miniaturowy akcelerator. Jego silne pole magnetyczne i elektryczne zapobiega zderzaniu się pozytonów i antyprotonów ze ściankami urządzenia. Jednak takie urządzenie nie działa z obojętnymi obiektami, takimi jak atom przeciwwodoru. W tym przypadku opracowano pułapkę Ioffe. Zatrzymanie w nim antyatomów następuje z powodu pola magnetycznego.
Do czego zdolna jest antymateria?
Wystarczy garść antymateriiogromna ilość energii. To sprawia, że jest popularnym paliwem do futurystycznych pojazdów science fiction. Ogólnie rzecz biorąc, silnik rakietowy na antymaterię jest hipotetycznie możliwy; głównym ograniczeniem jest nagromadzenie wystarczającej ilości antymaterii, aby ją wykorzystać.
Nawiasem mówiąc, energia 1 miligrama antymaterii wystarczy, aby polecieć na Marsa.
Obecnie nie ma dostępnych technologii dlamasowa produkcja lub gromadzenie antymaterii w zakresie wymaganym dla tego zastosowania. Jednak niewielka liczba naukowców przeprowadziła badania nad symulacją ruchu i przechowywania. Należą do nich Ronan Keen i Wei-Ming Zhang, którzy pracowali odpowiednio w Western Reserve Academy i Kent State University, a także Mark Weber i jego współpracownicy z Washington State University. Jeśli pewnego dnia uda nam się znaleźć sposób na tworzenie lub gromadzenie dużych ilości antymaterii, ich badania mogą pomóc w urzeczywistnieniu podróży międzygwiezdnych przy użyciu antymaterii.
Dlaczego nadal nie korzystamy z tego źródła energii?
Anihilacja antymaterii i materii możeuwolnić ogromną ilość energii. Gram antymaterii może spowodować wybuch wielkości bomby atomowej. Jednak ludzie wyprodukowali bardzo mało antymaterii.
Nieskuteczność produkcji antymaterii jest ogromna.Biorąc pod uwagę koszt pozyskania antymaterii, można odzyskać zaledwie jedną dziesiątą miliarda (10-10) zainwestowanej energii. Gdyby naukowcy mogli zebrać całą antymaterię, jaką kiedykolwiek wyprodukowaliśmy w CERN, i unicestwić ją za pomocą materii, wystarczyłoby energii tylko na zapalenie jednej żarówki na kilka minut.
Wszystkie antyprotony powstałe w akceleratorze cząstekTevatron w Fermilab ma tylko 15 nanogramów. Te produkowane w CERN mają około 1 nanograma. Do tej pory DESY w Niemczech wyprodukowało około 2 nanogramów pozytonów.
Gdyby cała antymateria kiedykolwiek wyprodukowana przez ludzi została zniszczona na raz, wytworzona energia nie wystarczyłaby nawet do ugotowania filiżanki herbaty.
Problem polega na wydajności i kosztachprodukcja i przechowywanie antymaterii. Produkcja 1 grama antymaterii będzie wymagała około 25 milionów miliardów kilowatogodzin energii i ponad milion miliardów dolarów.
Czytaj więcej
Helikopter Ingenuity z powodzeniem startuje na Marsie
Powstała pierwsza dokładna mapa świata. Co jest nie tak ze wszystkimi innymi?
NASA poinformowała, w jaki sposób dostarczą próbki Marsa na Ziemię
Spin to właściwy moment pędu cząstek elementarnych, który ma charakter kwantowy i nie jest związany z ruchem cząstki jako całości.