Ce este antimateria?
Obiecte ale Universului - galaxii, stele, quasari, planete, supernove, animale și oameni
Pe baza datelor disponibile până în prezent, nrexistă antigalaxii, anti-stele sau alte obiecte mari de antimaterie. Și acest lucru este foarte ciudat: conform teoriei Big Bang-ului, în momentul nașterii Universului nostru, a apărut aceeași cantitate de materie și antimaterie, iar unde s-a dus acesta nu este clar. În prezent, există două explicații pentru acest fenomen: fie antimateria a dispărut imediat după explozie, fie există în unele părți îndepărtate ale universului și pur și simplu nu l-am descoperit încă. Această asimetrie este una dintre cele mai importante probleme nerezolvate din fizica modernă.
Antimaterie - materie formată din antiparticule -„Reflecții în oglindă” ale unui număr de particule elementare care au aceeași rotire și masă, dar diferă între ele prin semne ale tuturor celorlalte caracteristici ale interacțiunii: sarcină electrică și de culoare, barion și numere cuantice de lepton. Unele particule, de exemplu un foton, nu au antiparticule sau, ceea ce este același lucru, sunt antiparticule în raport cu ele însele.
Astăzi se crede că antiparticulele reacționează laforțele fundamentale care determină structura materiei (interacțiune puternică, formând nuclei și electromagnetice, formând atomi și molecule), sunt exact aceleași, prin urmare structura antimateriei ar trebui să fie aceeași cu structura materiei „normale”.
Ce înseamnă prefixul „anti”?
De obicei folosim acest prefix ladesemnați fenomenul opus. În ceea ce privește antimateria - include analogi de particule elementare care au sarcină opusă, moment magnetic și alte caracteristici. Desigur, toate proprietățile unei particule nu pot fi inversate. De exemplu, masa și durata de viață trebuie să rămână întotdeauna pozitive, concentrându-se asupra lor, particulele pot fi atribuite unei categorii (de exemplu, protoni sau neutroni).
Dacă comparăm un proton și un antiproton, atunci uniicaracteristicile lor sunt aceleași: masa ambelor este de 938,2719 (98) megaelectronvolt, centrifugă ½. Dar sarcina electrică a protonului este 1, iar antiprotonul are minus 1, numărul barionului (care determină numărul de particule puternic interacționante constând din trei quark) este 1 și respectiv 1 minus.
Unele particule, cum ar fi bosonul Higgs și fotonul, nu au antianalogi și sunt numite neutre adevărate.
Majoritatea antiparticulelor împreună cu particuleleapar într-un proces numit „naștere în pereche”. Pentru a forma o astfel de pereche, este necesară o energie mare, adică o viteză enormă. În natură, antiparticulele apar atunci când razele cosmice se ciocnesc cu atmosfera Pământului, în interiorul stelelor masive, în apropierea pulsarilor și a nucleelor galactice active. Oamenii de știință folosesc, de asemenea, ciocnidere cu accelerație pentru aceasta.
Unde este „exploatată” și stocată antimateria?
Antimateria este extrasă în Hadronul Mareciocnizor, care colectează nori de antiprotoni după ce un fascicul de protoni se ciocnește de o țintă metalică și încetinește cu grijă particulele zburătoare, astfel încât acestea să poată fi utilizate în experimentele ulterioare.
Autor: Maximilien Brice, CERN — Server de documente CERN, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Particule de antimaterie încărcate precum pozitroniiar antiprotonii pot fi depozitați în așa-numitele capcane Penning. Sunt ca niște acceleratoare de particule minuscule. În interiorul lor, particulele se mișcă în spirală, în timp ce câmpurile magnetice și electrice le împiedică să se ciocnească de pereții capcanei.
Cu toate acestea, capcanele lui Penning nu funcționeazăparticule neutre precum antihidrogenul. Deoarece nu au încărcare, aceste particule nu pot fi limitate la câmpuri electrice. Sunt prinși în capcanele lui Ioffe, care funcționează prin crearea unei zone de spațiu în care câmpul magnetic devine mai mare în toate direcțiile. Particulele de antimaterie se blochează în zona cu cel mai slab câmp magnetic.
Câmpul magnetic al Pământului poate acționa ca capcane pentru antimaterie. Antiprotonii au fost găsiți în anumite zone din jurul Pământului - centurile de radiații Van Allen.
De ce este atât de greu de obținut antimateria?
De asemenea, a devenit clar că studierea acestui misteriossubstanța este mult mai greu de înregistrat. Antiparticulele în stare stabilă nu au fost încă întâlnite în natură. Problema este că materia și antimateria la „contact” se anihilează (se distrug reciproc). Este destul de posibil să se obțină antimaterie în laboratoare, deși este destul de dificil să o rețin. Până acum, oamenii de știință au reușit să facă acest lucru în doar câteva minute.
Problema stocării antimateriei este o adevărată durere de capdurere pentru fizicieni, deoarece antiprotonii și pozitronii anihilează instantaneu când se întâlnesc cu orice particule de materie obișnuită. Pentru a-i păstra, oamenii de știință au trebuit să vină cu dispozitive viclene care să poată preveni o catastrofă. Antiparticulele încărcate sunt stocate în așa-numita capcană Penning, care seamănă cu un accelerator miniatural. Câmpul său magnetic și electric puternic previne coliziunea pozitronilor și antiprotonilor cu pereții dispozitivului. Cu toate acestea, un astfel de dispozitiv nu funcționează cu obiecte neutre, cum ar fi atomul antihidrogen. Pentru acest caz, a fost dezvoltată capcana Ioffe. Reținerea antiatomeelor în ea apare datorită câmpului magnetic.
De ce este capabilă antimateria?
Doar o mână de antimaterie poate produceo cantitate uriașă de energie. Acest lucru îl face un combustibil popular pentru vehiculele futuriste de science fiction. În general, un motor rachetă antimaterie este posibil din punct de vedere ipotetic; principala limitare este acumularea de suficientă antimaterie pentru ao folosi.
Apropo, energia a 1 miligram de antimaterie este suficientă pentru a zbura pe Marte.
În prezent nu există tehnologii disponibile pentruproducția în masă sau colectarea de antimaterie în măsura necesară pentru această aplicație. Cu toate acestea, un număr mic de oameni de știință au făcut cercetări privind simularea mișcării și stocării. Acestea includ Ronan Keen și Wei-Ming Zhang, care au lucrat la Western Reserve Academy și, respectiv, la Kent State University, precum și Mark Weber și colegii săi de la Washington State University. Într-o zi, dacă putem găsi o modalitate de a crea sau de a colecta cantități mari de antimaterie, cercetările lor ar putea face ca călătoriile interstelare folosind antimateria să devină realitate.
De ce încă nu folosim această sursă de energie?
Distrugerea antimateriei și a materiei poateelibereaza o cantitate uriasa de energie. Un gram de antimaterie poate provoca o explozie de mărimea unei bombe nucleare. Cu toate acestea, oamenii au produs foarte puțină antimaterie.
Ineficiența producției de antimaterie este enormă.Ținând cont de costul obținerii antimateriei, puteți obține înapoi doar o zecime de miliard (10-10) din energia investită. Dacă oamenii de știință ar putea colecta toată antimateria pe care am produs-o vreodată la CERN și a o anihila cu materie, atunci ar exista doar suficientă energie pentru a aprinde un bec timp de câteva minute.
Toți antiprotonii creați într-un accelerator de particuleTevatron la Fermilab are doar 15 nanograme. Cele produse la CERN sunt de aproximativ 1 nanogramă. Până în prezent, DESY din Germania a produs aproximativ 2 nanograme de pozitroni.
Dacă toată antimateria produsă vreodată de oameni ar fi distrusă odată, energia produsă nu ar fi nici măcar suficientă pentru a fierbe o ceașcă de ceai.
Problema este eficiența și costulproducerea și depozitarea antimateriei. Producția de 1 gram de antimaterie va necesita aproximativ 25 de milioane de miliarde de kilowați-oră de energie și mai mult de un milion de miliarde de dolari.
Citeste mai mult
Elicopterul ingenios decolează cu succes pe Marte
A fost creată prima hartă exactă a lumii. Ce este în neregulă cu toți ceilalți?
NASA a spus cum vor livra mostre de Marte pe Pământ
Spinul este impulsul unghiular adecvat al particulelor elementare, care are o natură cuantică și nu este asociat cu mișcarea particulei în ansamblu.