Що таке антиматерія?
Об'єкти Всесвіту — галактики, зірки, квазари, планети, наднові, тварини та люди
Судячи з наявних на сьогодні даних, неіснує антігалактік, антізвезд або інших великих об'єктів з антиречовини. І це дуже дивно: згідно теорії Великого вибуху, в момент зародження нашого Всесвіту з'явилося однакову кількість речовини і антиречовини, і куди поділося останнє - незрозуміло. В даний час є два пояснення цього феномена: або антиречовину зникло відразу після вибуху, або воно існує в якихось віддалених частинах світобудови, і ми його просто його ще не виявили. Така асиметрія - одна з найважливіших нерозгаданих завдань сучасної фізики.
Антиматерія - матерія, що складається з античастинок -«Дзеркальних відображень» ряду елементарних частинок, які мають однакові спіном і масою, але відрізняються один від одного знаками всіх інших характеристик взаємодії: електричного і колірного заряду, баріонів і лептонного квантових чисел. Деякі частинки, наприклад, фотон, не мають античастинок або, що те ж саме, є античастинками по відношенню до самих себе.
Як сьогодні вважається, античастинки реагують нафундаментальні сили, що визначають структуру матерії (сильна взаємодія, що утворить ядра, і електромагнітне, який утворює атоми і молекули), абсолютно однаково, тому структура антиречовини повинна бути такою ж, як структура «нормального» речовини.
А що означає приставка «анти»?
Зазвичай ми використовуємо цю приставку, щобпозначити протилежне явище. Що стосується антиматерії - до неї можна віднести аналоги елементарних частинок, що мають протилежні заряд, магнітний момент і деякі інші характеристики. Звичайно, все властивості частинки не можуть змінитися на протилежні. Наприклад, маса і час життя завжди повинні залишатися позитивними, орієнтуючись на них, можна віднести частки до однієї категорії (наприклад, протонів або нейтронів).
Якщо порівняти протон і антипротон, то деякіхарактеристики у них однакові: маса в обох 938.2719 (98) мегаелектронвольт, спін ½. Але електричний заряд протона дорівнює 1, а у антипротона - мінус 1, баріонна число (воно визначає кількість сильно взаємодіючих частинок, що складаються з трьох кварків) 1 і мінус 1 відповідно.
Деякі частинки, наприклад, бозон Хіггса і фотон, не мають антианалогів і називаються істинно нейтральними.
Більшість античасток разом з частинкамиз'являються в процесі, званому «народження пар». Для формування такої пари потрібна висока енергія, тобто величезна швидкість. В природі античастинки виникають при зіткненні космічних променів з атмосферою Землі, всередині масивних зірок, поряд з пульсарами і активними ядрами галактик. Вчені використовують для цього колайдери-прискорювачі.
Де «добувають» і зберігають антиматерію?
Антиматерію добувають у Великому адронномуколайдері, збираючи хмари антипротонів після зіткнення пучка протонів з металевою мішенню і акуратного уповільнення частинок, що розлітаються, щоб їх можна було використовувати в наступних експериментах.
Автор: Maximilien Brice, CERN & # 8212; CERN Document Server, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932
Заряджені частинки антиречовини, начебто позитроніві антипротонів, можна зберігати в так званих пастках Пеннінга. Вони схожі на крихітні прискорювачі часток. Усередині них частинки рухаються по спіралі, поки магнітні та електричні поля утримують їх від зіткнення зі стінками пастки.
Однак пастки Пеннінга не працюють длянейтральних частинок на зразок антиводню. Оскільки у них немає заряду, ці частинки не можна обмежити електричними полями. Вони утримуються в пастках Іоффе, які працюють, створюючи область простору, де магнітне поле стає більше в усіх напрямках. Частинки антиречовини застряють в області з найслабшим магнітним полем.
Магнітне поле Землі може виступати в якості пасток антиречовини. Антипротони знаходили в певних зонах навколо Землі - радіаційних поясах Ван Аллена.
Чому антиречовину так складно отримати?
Стало також зрозуміло, що вивчити цю загадковусубстанцію набагато важче, ніж зареєструвати. В природі античастинки в стабільному стані поки не зустрічалися. Можливо — правда, досить складно втримати.
Питання зберігання антиматерії - справжній головнийбіль для фізиків, адже антипротона і позитрони миттєво анігілюють при зустрічі з будь-якими частками звичайної речовини. Для їх утримання вченим довелося придумувати хитрі пристосування, здатні запобігати катастрофу. Заряджені античастинки зберігаються в так званій пастці Пеннінга, яка нагадує мініатюрний прискорювач. Її потужне магнітне і електричне поле не дає позитрон і антипротонів зіткнутися зі стінками приладу. Однак подібний пристрій не працює з нейтральними об'єктами на зразок атома антиводню. Для цього випадку була розроблена пастка Іоффе. Утримання антиатомів в ній відбувається за рахунок магнітного поля.
На що здатна антиматерія?
Всього жменька антиматерії може призвестивеличезну кількість енергії. Це робить її популярним паливом для футуристичних транспортних засобів в науковій фантастиці. Взагалі ракетний двигун на антивеществе гіпотетично можливий; головне обмеження - це накопичення достатньої кількості антиречовини, щоб використовувати його.
До речі, енергії 1 міліграма антиречовини вистачить для польоту на Марс.
В даний час немає доступних технологій длямасового виробництва або збору антиречовини в обсязі, необхідному для цього додатка. Однак невелика кількість вчених провели дослідження з моделювання руху і зберігання. До них відносяться Ронан Кін і Вей-Мін Чжан, які працювали в Західній резервної академії і Кентском державному університеті відповідно, а також Марк Вебер і його колеги з Вашингтонського державного університету. Коли-небудь, якщо ми зможемо знайти спосіб створити або зібрати велику кількість антиречовини, їх дослідження можуть допомогти втілити в реальність міжзоряні подорожі з використанням антиречовини.
Чому ми досі не використовуємо це джерело енергії?
Анігіляція антиречовини і матерії можевивільнити величезну кількість енергії. Грам антиречовини може викликати вибух розміром з ядерну бомбу. Однак люди справили дуже незначна кількість антиречовини.
Неефективність виробництва антиречовини величезна.З огляду на витрати на отримання антиматерії, тому можна отримати лише десяту частину мільярда (10-10) вкладеної енергії. Якби вчені могли зібрати всі антиречовину, яке ми коли-небудь робили в ЦЕРНі, і аннигилировать його матерією, то енергії вистачило б лише щоб включити одну електричну лампочку на кілька хвилин.
Все антипротона, створені на прискорювачі частокТеватрон в Фермилабе, складають всього 15 нанограмм. Ті, які виробляються в ЦЕРНі, складають близько 1 нанограмма. На сьогоднішній день в DESY в Німеччині вироблено приблизно 2 нанограмма позитронів.
Якби все антиречовину, коли-небудь вироблене людьми, було знищено відразу, виробленої енергії не вистачило б навіть для кип'ятіння чашки чаю.
Проблема полягає в ефективності і вартостівиробництва і зберігання антиречовини. Для виробництва 1 грама антиречовини буде потрібно приблизно 25 мільйонів мільярдів кіловат-годин енергії і понад мільйон мільярдів доларів.
Читати далі
Вертоліт Ingenuity успішно злетів на Марсі
Створено першу точна карта світу. Що не так з усіма іншими?
У НАСА розповіли, як вони доставлять зразки Марса на Землю
Спін - власний момент імпульсу елементарних частинок, має квантову природу і не пов'язаний з рухом частинки як цілого.