Vad är antimateria?
Universums objekt - galaxer, stjärnor, kvasarer, planeter, supernovor, djur och människor
Baserat på tillgängliga uppgifter hittills, nrdet finns antigalaxier, anti-stjärnor eller andra stora antimaterieföremål. Och detta är väldigt konstigt: enligt Big Bang-teorin, vid tidpunkten för vårt universums födelse, uppstod samma mängd materia och antimateria, och vart den senare gick är inte klart. För närvarande finns det två förklaringar till detta fenomen: antingen antimaterie försvann omedelbart efter explosionen, eller så finns det i några avlägsna delar av universum, och vi har helt enkelt ännu inte upptäckt det. Denna asymmetri är ett av de viktigaste olösta problemen i modern fysik.
Antimaterie - materia som består av antipartiklar -"Spegelreflektioner" av ett antal elementära partiklar som har samma snurrning och massa, men som skiljer sig från varandra i tecken på alla andra kännetecken för interaktion: el- och färgladdning, kvantnummer för baryon och lepton. Vissa partiklar, till exempel en foton, har inte antipartiklar eller, vilket är samma sak, är antipartiklar i förhållande till sig själva.
Man tror idag att antipartiklar reagerar påde grundläggande krafterna som bestämmer materiens struktur (stark interaktion, bildande kärnor och elektromagnetiska, bildande atomer och molekyler) är exakt samma, därför bör strukturen för antimateria vara densamma som strukturen för "normal" materia.
Vad betyder prefixet "anti"?
Vi använder vanligtvis detta prefix tillbetecknar det motsatta fenomenet. När det gäller antimateria - den innehåller analoger av elementära partiklar som har motsatt laddning, magnetiskt moment och några andra egenskaper. Naturligtvis kan alla egenskaper hos en partikel inte omvändas. Till exempel måste massa och livstid alltid förbli positiva, med fokus på dem, partiklar kan tillskrivas en kategori (till exempel protoner eller neutroner).
Om vi jämför ett proton och ett antiproton, då någraderas egenskaper är desamma: massan av båda är 938,2719 (98) megaelektronvolt, centrifugering ½. Men protonens elektriska laddning är 1 och antiprotonet har minus 1, baryontalet (som bestämmer antalet starkt interagerande partiklar som består av tre kvarkar) är 1 respektive minus 1.
Vissa partiklar, som Higgs-bosonen och fotonen, har inga antianaloger och kallas sanna neutraler.
De flesta antipartiklar tillsammans med partiklardyker upp i en process som kallas "parfödsel". För att bilda ett sådant par krävs hög energi, det vill säga enorm hastighet. I naturen uppstår antipartiklar när kosmiska strålar kolliderar med jordens atmosfär, inuti massiva stjärnor, nära pulsarer och aktiva galaktiska kärnor. Forskare använder också acceleratorkolliderar för detta.
Var "bryts" antimateria och lagras?
Antimateria bryts i Stora Hadronencollider, samlar moln av antiprotoner efter att en stråle av protoner kolliderar med ett metallmål och saktar försiktigt ner de flygande partiklarna så att de kan användas i efterföljande experiment.
Författare: Maximilien Brice, CERN — CERN Document Server, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Laddade antimateriepartiklar som positroneroch antiprotoner kan lagras i så kallade Penning-fällor. De är som små partikelacceleratorer. Inuti dem rör sig partiklar i en spiral medan magnetiska och elektriska fält hindrar dem från att kollidera med fällans väggar.
Men Pennings fällor fungerar inte förneutrala partiklar som antihydrogen. Eftersom de inte har någon laddning kan dessa partiklar inte begränsas till elektriska fält. De fångas i Ioffes fällor, som fungerar genom att skapa ett utrymme där magnetfältet blir större i alla riktningar. Partiklar av antimateria fastnar i området med det svagaste magnetfältet.
Jordens magnetfält kan fungera som fällor för antimateria. Antiprotoner hittades i vissa zoner runt jorden - Van Allen-strålningsbanden.
Varför är antimateria så svårt att få?
Det blev också klart att studera detta mystiskaämnet är mycket svårare att registrera. Antipartiklar i stabilt tillstånd har ännu inte påträffats i naturen. Problemet är att materia och antimateria vid "kontakt" utplånar (ömsesidigt förstör varandra). Det är fullt möjligt att få antimateria i laboratorier, även om det är ganska svårt att innehålla det. Hittills har forskare bara kunnat göra detta inom några minuter.
Antimatterlagringsproblemet är en riktig huvudvärksmärta för fysiker, eftersom antiprotoner och positroner omedelbart förintar när de möter partiklar av vanligt material. För att behålla dem var forskarna tvungna att komma med listiga enheter som kunde förhindra en katastrof. De laddade antipartiklarna lagras i den så kallade Penning-fällan, som liknar en miniatyraccelerator. Dess kraftfulla magnetiska och elektriska fält förhindrar positroner och antiprotoner från att kollidera med enhetens väggar. En sådan anordning fungerar emellertid inte med neutrala föremål som väteatomen. I det här fallet utvecklades Ioffe-fällan. Retentionen av antiatomer i den sker på grund av magnetfältet.
Vad kan antimateria?
Bara en handfull antimateria kan produceraen enorm mängd energi. Detta gör det till ett populärt bränsle för futuristiska science fiction-fordon. I allmänhet är antimateriell raketmotor hypotetiskt möjlig; huvudbegränsningen är ackumuleringen av tillräckligt med antimateria för att använda den.
Förresten, energin i 1 milligram antimateria räcker för att flyga till Mars.
Det finns för närvarande inga tekniker tillgängliga förmassproduktion eller insamling av antimateria i den utsträckning som krävs för denna applikation. Ett litet antal forskare har dock forskat om rörelse- och lagringssimulering. Dessa inkluderar Ronan Keen och Wei-Ming Zhang, som arbetade vid Western Reserve Academy respektive Kent State University, samt Mark Weber och hans kollegor vid Washington State University. En dag, om vi kan hitta ett sätt att skapa eller samla stora mängder antimateria, kan deras forskning hjälpa till att göra interstellära resor med antimateria till verklighet.
Varför använder vi fortfarande inte den här energikällan?
Förintelsen av antimateria och materia kansläpp en enorm mängd energi. Ett gram antimateria kan orsaka en explosion på storleken av en kärnbomb. Men människor har producerat mycket lite antimateria.
Ineffektiviteten i antimateriaproduktionen är enorm.Med hänsyn till kostnaden för att få antimateria kan du bara få tillbaka en tiondel av en miljard (10-10) av den investerade energin. Om forskare kunde samla all antimateria som vi någonsin har producerat på CERN och utplåna den med materia, skulle det bara finnas tillräckligt med energi för att tända en glödlampa i några minuter.
Alla antiprotoner skapade i en partikelacceleratorTevatronen vid Fermilab är bara 15 nanogram. De som produceras på CERN är cirka 1 nanogram. Hittills har DESY i Tyskland producerat cirka 2 nanogram positroner.
Om all antimateria som någonsin producerats av människor förstördes på en gång skulle den producerade energin inte ens vara tillräcklig för att koka en kopp te.
Problemet är effektivitet och kostnadproduktion och lagring av antimateria. Produktionen av 1 gram antimateria kräver cirka 25 miljoner miljarder kilowattimmar energi och mer än en miljon miljarder dollar.
Läs mer
Uppfinningshelikopter tar framgångsrikt på Mars
Den första exakta världskartan skapades. Vad är fel med alla andra?
NASA berättade hur de kommer att leverera prover av Mars till jorden
Spinn är det rätta vinkelmomentet hos elementära partiklar, som har kvantitet och inte är förknippat med partikelns rörelse som helhet.