Как можно найти антиматерию

Что такое антиматерия

Антиматерия (или антивещество) — это вещество, состоящее из античастиц. Как и любое другое вещество, антивещество состоит из атомов, которые состоят в свою очередь из протонов и нейтронов (ядро атома) и электронов (внешняя оболочка атома). За тем лишь уточнением, что это антипротоны, антинейтроны и антиэлектроны. Последние, кстати, называются позитроны.

Все вышеперечисленные античастицы обладают теми же характеристиками, что и обычные частицы, но у них противоположный электрический заряд. То есть антипротоны заряжены отрицательно, в отличие от их «обыкновенных» близнецов, а позитроны заряжены положительно, что и отличает их от отрицательно заряженных электронов. Получается, что нейтрон — античастица сама себе, поскольку не имеет заряда? Нет, антинейтроны тоже есть. Дело в том, что нейтроны состоят из кварков (как и протоны), а у кварков тоже есть свои античастицы — антикварки, которые и составляют антинейтрон. Вдобавок, при встрече нейтрона и антинейтрона оба аннигилируют (превращаются), как и должна поступать пара из частицы и античастицы.

Где найти антиматерию

Античастицы образуются в ядрах активных галактик как и на ускорителях — вместе с частицами. Но сразу после этого частицы и античастицы при встрече аннигилируют. Насколько известно, антиматерия, а точнее античастицы, встречаются на Земле в трех обстоятельствах. Во-первых, они образуются в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей, которые обладают (в масштабах элементарных частиц) высокой энергией и при их встрече с земными частицами происходят процессы, схожие с процессами в ускорителях заряженных частиц.

Во-вторых, античастицы образуются при разряде молнии. Грозовой разряд — это тоже своеобразный природный реактор. Образующиеся при разряде молнии гамма-кванты обладают достаточно мощной энергией для того чтобы выбить один нейтрон из атмосферного азота. Так образуется нестабильный изотоп азота 13N.

Период его полураспада составляет чуть меньше 10 минут, то есть самый активный период испускания позитрона при распаде азота-13 до углерода-13 приходится на довольно короткий срок. Именно такой, достаточно короткий по человеческим меркам, но слишком длинный по меркам элементарных частиц, период низкоэнергетического гамма-излучения наблюдали ученые из Японии. Они зафиксировали три всплеска гамма-излучения от разряда молнии, и последний, длившийся примерно минуту, показался им подозрительным — это и был сигнал аннигиляции электрон-позитронных пар.

Наконец, античастицы образуются в ускорителях, причем чаще всего как побочный продукт других экспериментов. Сейчас в научном мире наблюдение античастиц в коллайдерах уже ни у кого не вызывает ажиотаж. Загадки связаны не с тем, что античастицы есть, а с тем, почему их так мало во Вселенной, если учесть, что в ускорителях они образуются в равном с частицами соотношении?

Антиматерия и материя

Предположительно, на ранних этапах существования Вселенной симметрия между частицами и античастицами была нарушена. Преобладание частиц оценивается как 1 частица на 1 млрд пар частица-античастица. Почти все античастицы аннигилировали при встрече с частицами, поэтому мы наблюдаем их такое ничтожно малое количество.

Возможно, нарушение симметрии в ранней Вселенной как-то связано с различиями свойств таких короткоживущих частиц как К-мезоны и различиями свойств материи и антиматерии за счет существования трех поколений кварков. Возможно, это как-то связано и с очарованными мезонами — это короткоживущие частицы, которые могут переключаться между двумя состояниями: частицы и античастицы. В июне 2021 года это выяснили ученые из Оксфорда.

Как бы то ни было, весь видимый мир в теории состоит из частиц. По крайней мере, доступный нам мир — это материя. Причем из всего огромного сонма частиц, весь мир состоит всего из трех: две — это нуклоны: протон и нейтрон (нуклонами называются потому что они составляют ядро атома) и во внешней оболочке атома — электроны. Этот феномен — перекос в сторону частиц — получил название Барионная асимметрия Вселенной. Барионы — это тяжелые частицы, к которым относятся также протоны и нейтроны. Кроме того, к барионам относятся и другие тяжелые частицы, состоящие из кварков. И у каждого бариона есть антибарион, который состоит из соответствующих антикварков. Но все эти частицы обладают крайне малым сроком жизни, так что их следует оставить в стороне.

Барионная асимметрия — вопрос исключительно космологии и физики частиц. Если бы барионов и антибарионов было поровну и не было бы никакого различия свойств между материей и антиматерией, то как показал академик Андрей Сахаров в 1967 году, вся Вселенная превратилась бы в излучение — очевидно, этого не произошло. Но может быть материя и антиматерия не были «смешаны» в ранней Вселенной однородно и просто разлетелись в разные стороны — в нашем уголке преобладает материя, а где-то есть области, где антизвезды составляют антигалактики?

Теоретически это возможно, но очень маловероятно, потому что плотность ранней Вселенной была слишком велика, чтобы большие сгустки могли просто так разлететься в разные стороны предварительно не проконтактировав.

И все же антизвезды ищут. Для их обнаружения нужно зарегистрировать ядра антигелия, поскольку только антигелий может гарантировать, что образовался не под воздействием космических лучей — антипротоны и антидейтероны (ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия, состоит из антипротона и антинейтрона) такого гарантировать не могут. А вот ядро антигелия «собраться» случайно практически не может, так что если его зарегистрируют, значит оно прилетело к нам как продукт термоядерных реакций антизвезды.

В 2021 году была опубликована статья, авторы которой создали каталог из 14 кандидатов в антизвезды, проанализировав данные космического телескопа Fermi. Телескоп зарегистрировал именно ядра антигелия.

Дмитрий Казаков, доктор физико-математических наук, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна:

«Проблема антисимметрии Вселенной по отношению материи и антиматерии действительно серьезна и давно уже обсуждается в физике высоких энергий, но ясного понимания пока нет. Это связано со свойствами взаимодействия элементарных частиц и, возможно, с новыми частицами.

При изучении спектра космических лучей как раз регистрируют позитроны и антипротоны, их гораздо меньше на общем фоне и их можно регистрировать по сигналу аннигиляции. Так, например, пытаются зарегистрировать сигнал от темной материи. Но специально античастицы не изучают, в этом нет специального интереса. Мы знаем, что все частицы имеют античастицы и у них те же самые свойства. Тут нет загадки кроме того как во Вселенной образовался перекос в сторону частиц».

Антиматерия и темная материя

Важно не путать антиматерию и темную материю. Несмотря на похожий флер таинственности вокруг обоих явлений и в определенном смысле аналогичные эпитеты, добавляющиеся к слову «материя» в названии каждого из них, это совершенно разные явления.

Темная материя получила свое название в силу того, что не вступает в электромагнитные взаимодействия, то есть не испускает свет. Но и не перекрывает его как в случае газо-пылевых туманностей. Темная материя регистрируется как присутствующая масса, которая оказывает гравитационное воздействие и влияет на движение звезд в нашей и других галактиках. То есть звезды вращаются вокруг центра галактики не так, как должны были бы исходя из видимой массы. Иными словами — либо законы Ньютона не верны в отношении макрообъектов, либо присутствует скрытая масса, которую ученые пока не в силах зарегистрировать.

Темной материи теоретически отводят около 82–85% всего вещества во Вселенной (энергия веществом не является, так что другое загадочное явление — темную энергию — мы исключаем), Оставшиеся 15–18% — это доля знакомого нам обычного вещества, то есть материи. Доля антиматерии в этой совокупности ничтожно мала — она оценивается как 10-10 (то есть одна десятимиллиардная) по отношению к материи.

Изучение антиматерии

В очень свободной и интуитивной форме антивещество предсказал Артур Шустер, он же и ввел этот термин в 1898 году. После открытия электрона Джозефом Томсоном годом ранее, Шустер посчитал, что у электрона обязательно должна быть парная частица. В своих письмах в журнал Nature он пытался убедить ученую публику в своей правоте. Но у него не было доказательств, только голая интуиция и небезупречная во многих отношениях логика, поэтому идеи Шустера никто не рассматривал всерьез, а его самого считали чудаком.

Открытие антиматерии

Более точно существование антивещества было предсказано английским физиком теоретиком швейцарского происхождения Полем Дираком — в 1928 году он вывел уравнение для описания электрона, за что получил в 1933 году Нобелевскую премию по физике (разделил ее с Эрвином Шредингером с официальной формулировкой «За открытие новых продуктивных форм атомной энергии»). Уравнение Дирака может быть решено и для частицы с отрицательным значением энергии, а значит и отрицательной массой. С математической точки зрения это возможно, но создавало бы массу проблем с соблюдением физических законов.

Значит, должна быть частица с массой электрона, но противоположным электрическим зарядом. Эта частица и была открыта в 1932 году Карлом Дэвидом Андерсоном, американским физиком-экспериментатором, за что он и был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году.

Как получают антиматерию

Нередко про антиматерию говорят как о «самом дорогом веществе в мире». Якобы 1 грамм антиматерии стоит $63,5 трлн. Но это утверждение вводит в заблуждение. Дело в том, что антиматерию не продают и не покупают, да и вся произведенная при экспериментах антиматерия едва ли составит одну миллионную долю грамма. И важно заметить, что получение античастиц и составление из них атомов антивещества — две разные задачи и вторая гораздо сложнее первой.

Вероятно, ажиотаж вокруг антивещества и его поразительных энергетических свойств вызван романом Дэна Брауна «Ангелы и демоны», сюжет которого развивается вокруг похищения контейнера с антиматерией, вероятного ее взрыва, который бы уничтожил Ватикан, и приключений, связанных с попытками остановить это фатальное событие. Но не стоит путать художественный вымысел с реальностью. Количество антиматерии, созданное экспериментальным путем, ничтожно мало — счет идет даже не на микро (одна миллионная) или нано- (одна миллиардная) граммы, а на атомы. Антиатомы, если их удалось собрать из античастиц, захватываются с помощью магнитных ловушек — ведь им нельзя вступать во взаимодействие с атомами материи. С ними проводят эксперименты, изучают их свойства. Но время жизни антиатомов весьма невелико по бытовым меркам — счет идет на секунды, в редких случаях — минуты.

Так откуда взялась вполне конкретная цена на антиматерию? Если это не чистая фантазия, то цену можно вычислить следующим образом, который, вероятно и был использован. Финансирование ученым выделяется на совершенно конкретные цели, например, на изучение свойств антиводорода. За полученные результаты (которые могут быть как положительными, так и отрицательными) руководитель исследования отчитывается перед организацией, которая предоставила деньги. То есть синтез антиводорода был не сиюминутной прихотью или случайностью — это была цель работы научной группы.

Теперь, если знать сумму гранта (которая не является секретом) и количество атомов антиводорода, которое получилось в результате эксперимента, то, зная массу молекулы водорода (одна молекула водорода состоит из двух атомов), можно посчитать, сколько будет стоить 1 грамм антиводорода.

Какие бывают античастицы

Но антиводород — не единственное антивещество, которое было экспериментально получено: также наблюдались антидейтерий (изотоп антиводорода в ядре которого есть антинейтрон), антитритий (имеет два антинейтрона), антигелий-3 и антигелий-4.

Поскольку цена рождается на стыке спроса и предложения, а в случае антиматерии нет ни того, ни другого, а есть только производство с целью научного изучения, то вести разговор о цене — профанация.

Применение антиматерии

Антиматерия в медицине

Метод исследования внутренних органов человека или животного под названием позитронно-эмиссионная томография или ПЭТ основан на испускании античастиц электронов — позитронов.

В организм пациента вводится специальное вещество, которое называется радиофармпрепарат. В нем содержится радионуклид, то есть вещество, ядро атома которого нестабильно (от лат. nucleus — ядро), обычно для этого применяются более легкие изотопы четырех элементов — углерода, азота, кислорода и фтора. У этих изотопов на один нейтрон меньше, чем у стабильного атома, и со временем — весьма непродолжительным по бытовым меркам — этот атом распадается с испусканием: протон превращается в нейтрон и испускает позитрон и электронное нейтрино. Оставим в стороне всех, кроме позитрона. Он довольно быстро «остывает» до низкоэнергетического состояния и встречается с электроном в организме пациента. Пара аннигилирует с испусканием двух гамма-квантов, которые летят в противоположных направлениях. Расположенные вокруг пациента детекторы регистрируют эти кванты, и поскольку те летят по одной прямой, оказывается очень нетрудно вычислить то место, откуда они отправились.

При ПЭТ-сканировании предпочитают использовать радиоактивный изотоп Фтор-18, потому что у него довольно продолжительный период полураспада (то есть время за которое половина атомов фтора-18 превратятся в кислород) — 109,8 минут и сравнительно низкая дозовая нагрузка на пациента: образующиеся при аннигиляции гамма-кванты отнюдь не безвредны.

Например, при диагностировании рака пациенту дают небольшое количество глюкозы (фтордезоксиглюкозы — FDG), в которой содержится радионуклид. Поскольку раковые клетки бесконтрольно делятся и нуждаются для этого в энергии, они поглощают глюкозу в больших количествах. Концентрирование глюкозы в раковых клетках приводит к повышенному испусканию позитронов в злокачественной опухоли. То есть делает возможной визуализацию ее с помощью ПЭТ-сканеров.

Позитронно-эмиссионная томография не безвредна — доза облучения при стандартном ПЭТ-сканировании с использованием FDG равна 14 миллизиверт (мЗв). Для сравнения, это суммарное облучение более 4500 часов полета в пассажирском лайнере на стандартной высоте или же 70% безопасной годовой дозы облучения по российским стандартам (или 28% безопасной годовой дозы по стандартам МАГАТЭ). Но аннигиляция позитрон-электронной пары не может нанести увечья или убить.

Антиматерия в энергетике

Использование энергии аннигиляции в военных целях или для энергетики выглядит очень привлекательно, но только при беглом взгляде. Причина все та же — производство антивещества из античастиц — дело не только очень затратное, но и с очень кратким «сроком годности». Для того чтобы вырабатывать энергию для космических полетов или освещения городов, антивещество должно быть не только произведено, но и каким-то образом сохранено и доставлено туда, где оно могло бы быть целенаправлено использованным. Но сейчас не ведутся исследования о возможности промышленного производства, хранения и использования антиматерии.

Дмитрий Казаков:

«Антиатомы по своим свойствам неотличимы от атомов: тот же вес, тот же спектр излучения, те же химические свойства. Получить античастицы нетрудно, мы получаем антиэлектроны или антипротоны для ускорителей, мы рождаем античастицы на коллайдерах, они прилетают к нам из космоса. Но их очень мало по сравнению с обычными частицами и они аннигилируют при встрече с обычными частицами. Получить связанные состояния в виде антиатомов трудно, поскольку нужно одновременно создать антипротон, антинейтрон и антиэлектрон. В ЦЕРНе создали несколько атомов антигелия, но именно несколько, а не несколько граммов как в романе Дэна Брауна. Их трудно создать, трудно и удержать, чтобы они не аннигилировали. Поэтому речи о том, чтобы накопить антиматерию и использовать ее в качестве источника энергии или оружия не идет».

Фантасты же давно о таком мечтают: благодаря Джону Кэмпбеллу и Джеку Уильямсону антиматерия сделалась одним из обязательных атрибутов фантастики о космическом будущем человечества. Например, варп-двигатель, использующий аннигиляцию антивещества, позволял летать звездолету Enterprise из саги Star Trek.

Писатели-фантасты часто рассказывают об аннигиляции антиматерии как об одном из самых мощных и практически бесконечных источников энергии: ведь для мощного взрыва нужно совсем небольшое количество антивещества. Рассказываем, что это такое и почему ученые до сих пор не используют этот уникальный источник энергии.

Что такое антиматерия?

Объекты Вселенной — галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди — состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы — кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами «оригиналов», а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название «антиматерия».

Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.

Антиматерия — материя, состоящая из античастиц — «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковыми спином и массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия: электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Некоторые частицы, например, фотон, не имеют античастиц или, что то же самое, являются античастицами по отношению к самим себе.

Как сегодня считается, античастицы реагируют на фундаментальные силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаково, поэтому структура антивещества должна быть такой же, как структура «нормального» вещества.

А что значит приставка «анти»?

Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии — к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).

Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719(98) мегаэлектронвольт, спин ½. Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона — минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно.

Некоторые частицы, например, бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.

Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом «рождение пар». Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители.

Где «добывают» и хранят антиматерию?

Антиматерию добывают в Большом адронном коллайдере, собирая облака антипротонов после столкновения пучка протонов с металлической мишенью и аккуратного замедления разлетающихся частиц, чтобы их можно было использовать в последующих экспериментах. 

Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

Почему антивещество так сложно получить?

Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при «соприкосновении» аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно — правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считанных минут.

Вопрос хранения антиматерии — настоящая головная боль для физиков, ведь антипротоны и позитроны мгновенно аннигилируют при встрече с любыми частицами обычного вещества. Для их удержания ученым пришлось придумывать хитрые приспособления, способные предотвращать катастрофу. Заряженные античастицы хранятся в так называемой ловушке Пеннинга, которая напоминает миниатюрный ускоритель. Ее мощное магнитное и электрическое поле не дает позитронам и антипротонам столкнуться со стенками прибора. Однако подобное устройство не работает с нейтральными объектами вроде атома антиводорода. Для этого случая была разработана ловушка Иоффе. Удержание антиатомов в ней происходит за счет магнитного поля.

На что способна антиматерия?

Всего горстка антиматерии может произвести огромное количество энергии. Это делает ее популярным топливом для футуристических транспортных средств в научной фантастике. Вообще ракетный двигатель на антивеществе гипотетически возможен; главное ограничение — это накопление достаточного количества антивещества, чтобы использовать его.

Кстати, энергии 1 миллиграмма антивещества хватит для полета на Марс. 

В настоящее время нет доступных технологий для массового производства или сбора антивещества в объеме, необходимом для этого приложения. Однако небольшое количество ученых провели исследования по моделированию движения и хранения. К ним относятся Ронан Кин и Вэй-Мин Чжан, которые работали в Западной резервной академии и Кентском государственном университете соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создать или собрать большое количество антивещества, их исследования могут помочь воплотить в реальность межзвездные путешествия с использованием антивещества.

Почему мы до сих пор не используем этот источник энергии?

Аннигиляция антивещества и материи может высвободить огромное количество энергии. Грамм антивещества может вызвать взрыв размером с ядерную бомбу. Однако люди произвели очень незначительное количество антивещества.

Неэффективность производства антивещества огромна. Учитывая затраты на получение антиматерии, назад можно получить лишь десятую часть миллиарда (10^-10) вложенной энергии. Если бы ученые могли собрать все антивещество, которое мы когда-либо производили в ЦЕРНе, и аннигилировать его материей, то энергии хватило бы лишь чтобы включить одну электрическую лампочку на несколько минут.

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватрон в Фермилабе, составляют всего 15 нанограмм. Те, которые производятся в ЦЕРНе, составляют около 1 нанограмма. На сегодняшний день в DESY в Германии произведено примерно 2 нанограмма позитронов.

Если бы все антивещество, когда-либо производимое людьми, было уничтожено сразу, произведенной энергии не хватило бы даже для кипячения чашки чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Для производства 1 грамма антивещества потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более миллиона миллиардов долларов.

Читать далее

Вертолет Ingenuity успешно взлетел на Марсе

Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?

В НАСА рассказали, как они доставят образцы Марса на Землю

Уровень сложности
Средний

Время на прочтение
6 мин

Количество просмотров 7.2K

Антиматерия — предмет из научной фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии. Звездолёт «Энтерпрайз» из «Звёздного пути» использует аннигиляционную движущую силу материи-антиматерии для путешествий быстрее света.

Но антиматерия — это ещё и вещество из реальности. Частицы антиматерии практически идентичны своим собратьям из материи, за исключением того, что они несут противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречается с материей, они немедленно аннигилируют, превращаясь в энергию.

Хотя бомбы из антивещества и космические корабли, работающие на антивеществе, выдуманы, есть много фактов об антивеществе, способных пощекотать ваши мозговые клетки.

1. Антиматерия должна была аннигилировать со всей материей во Вселенной после Большого взрыва

Согласно существующей теории, в результате Большого взрыва материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах. Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют, не оставляя после себя ничего, кроме энергии. Таким образом, в принципе, никто из нас не должен существовать.

Но мы существуем. И, насколько могут судить физики, только потому, что в конце концов на каждый миллиард пар материя-антиматерия приходится одна лишняя частица материи. Физики упорно пытаются объяснить эту асимметрию.

2. Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете

Небольшое количество антивещества постоянно выпадает на Землю в виде космических лучей — энергичных частиц из космоса. Эти частицы антивещества попадают в нашу атмосферу в количестве от менее чем одной частицы на квадратный метр до более 100 на квадратный метр. Учёные также видели свидетельства появления антиматерии в атмосфере над грозами.

Но другие источники антиматерии находятся ещё ближе к нам. Например, бананы производят антивещество, высвобождая один позитрон — эквивалент электрона — примерно каждые 75 минут. Это происходит потому, что в бананах содержится небольшое количество калия-40 — изотопа калия, встречающегося в природе. Когда калий-40 распадается, он периодически выбрасывает позитрон.

Наши тела также содержат калий-40, что означает, что позитроны испускаются и вами. Антивещество аннигилирует немедленно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества очень недолговечны.

3. Люди создали лишь небольшое количество антиматерии

Аннигиляция антиматерии с веществом способна высвободить огромное количество энергии. Один грамм антиматерии может произвести взрыв размером с ядерную бомбу. Однако люди пока произвели мизерное количество антиматерии.

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Теватрон в Фермилабе, в сумме составят всего 15 нанограммов. Те, что были созданы в ЦЕРНе, составят около 1 нанограмма. В DESY в Германии на сегодняшний день произведено около 2 нанограммов позитронов.

Если бы вся антиматерия, когда-либо созданная людьми, аннигилировала одновременно, полученной энергии не хватило бы даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антиматерии. Для создания 1 грамма антиматерии потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии, а стоимость её составит более миллиона миллиардов долларов.

4. Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии

Чтобы изучать антиматерию, необходимо предотвратить её аннигиляцию с материей. Учёные придумали способы, позволяющие сделать именно это.

Заряженные частицы антиматерии, такие как позитроны и антипротоны, можно удерживать в устройствах, называемых ловушками Пеннинга. Их можно сравнить с крошечными ускорителями. Внутри них частицы вращаются по спирали, поскольку магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Но ловушки Пеннинга не работают на нейтральных частицах – таких, как антиводород. Поскольку у них нет заряда, эти частицы не получится ограничить электрическими полями. Вместо этого они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают путём создания области пространства, где магнитное поле увеличивается при движении в любом направлении. Частица застревает в области с самым слабым магнитным полем, подобно тому, как шарик катится внутри широкой чаши, постепенно приближаясь к её дну.

Магнитное поле Земли также может действовать как своего рода ловушка для антиматерии. Антипротоны были обнаружены в зонах вокруг Земли, называемых радиационными поясами.

5. Антиматерия может упасть вверх

Частицы антиматерии и материи имеют одинаковую массу, но отличаются такими свойствами, как электрический заряд и спин. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна оказывать одинаковое воздействие на материю и антиматерию; однако это ещё предстоит увидеть. Эксперименты AEGIS, ALPHA и GBAR прилагают все усилия, чтобы выяснить это.

Наблюдать влияние гравитации на антиматерию не так просто, как наблюдать, как яблоко падает с дерева. В этих экспериментах антивещество нужно удерживать в ловушке или замедлять его, охлаждая до температуры чуть выше абсолютного нуля. А поскольку гравитация является самой слабой из фундаментальных сил, физики должны использовать в этих экспериментах нейтральные частицы антиматерии, чтобы предотвратить вмешательство более мощной электрической силы.

6. Антивещество изучается в замедлителях частиц

Вы слышали об ускорителях частиц, но знаете ли вы, что существуют также замедлители частиц? В ЦЕРНе есть машина под названием «Антипротонный замедлитель» — накопительное кольцо, которое может захватывать и замедлять антипротоны для изучения их свойств и поведения.

В круговых ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, частицы получают дополнительную энергию каждый раз, когда совершают оборот. Замедлители работают в обратном направлении: вместо разгоняющего толчка частицы получают обратный толчок, уменьшающий их скорость.

7. Нейтрино могут быть античастицами сами себе

Частица материи и её антиматериальный партнёр несут противоположные заряды, поэтому их легко различить. Нейтрино, почти безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с веществом, не имеют заряда.Учёные полагают, что они могут быть частицами Майораны – принадлежать к гипотетическому классу частиц, которые являются собственными античастицами.

Такие проекты, как «Демонстратор Майораны» и EXO-200 запущены специально для того, чтобы определить, являются ли нейтрино частицами Майораны. Для этого учёные ищут признаки наличия особого эффекта — безнейтринного двойного бета-распада.

Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, высвобождая два электрона
и два нейтрино. Если бы нейтрино были своими античастицами, то они аннигилировали бы друг с другом в результате двойного распада, и учёные наблюдали бы только электроны.

Обнаружение нейтрино Майораны может помочь объяснить, почему существует асимметрия антиматерии и материи. Физики предполагают, что нейтрино Майораны могут быть быть либо очень тяжёлыми, либо очень лёгкими. Лёгкие существуют сегодня, а тяжёлые должны были существовать только сразу после Большого взрыва. Эти тяжёлые нейтрино Майораны распались бы асимметрично, что привело бы к крошечному избытку материи.

8. Антивещество используется в медицине

ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) использует позитроны для получения изображений тела с высоким разрешением. Излучающие позитроны радиоактивные изотопы (например, те, что содержатся в бананах) присоединяются к химическим веществам, таким как глюкоза, которые естественным образом используются организмом. Их вводят в кровеносную систему, где они естественным образом расщепляются, высвобождая позитроны, которые встречаются с электронами в организме и аннигилируют. В результате аннигиляции образуются гамма-лучи, которые используются для построения изображений.

Учёные проекта ЦЕРН ACE изучают антиматерию как потенциального кандидата для лечения рака. Врачи уже обнаружили, что могут воздействовать на опухоли пучками частиц, которые высвобождают свою энергию только после безопасного прохождения через здоровые ткани. Использование антипротонов позволяет организовать выход дополнительной энергии. Эта техника оказалась эффективной для хомяков, но учёным ещё предстоит провести исследования с использованием клеток человека.

9. Антиматерия, которая должна была помешать нашему существованию, может всё ещё прятаться в космосе

Один из способов, с помощью которого учёные пытаются решить проблему асимметрии антиматерии и материи, — это поиск антиматерии, оставшейся после Большого взрыва.

Альфа-магнитный спектрометр — это детектор частиц, который находится на Международной космической станции и ищет эти частицы. Его магнитные поля изменяют траекторию космических частиц, отделяя материю от антиматерии. Детекторы оценивают и идентифицируют частицы по мере их прохождения.

При столкновениях космических лучей регулярно образуются позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия крайне мала из-за огромного количества энергии, которое для этого потребуется. Это означает, что наблюдение даже одного ядра антигелия будет убедительным доказательством существования большого количества антиматерии где-то ещё во Вселенной.

10. Люди на самом деле изучают возможность заправки космических кораблей антивеществом

Всего лишь горстка антивещества может произвести огромное количество энергии, что делает его популярным топливом для футуристических транспортных средств из научной фантастики.

Гипотетически ракетное движение на антиматерии возможно; главная проблема – необходимо собрать достаточное количество антиматерии, чтобы это произошло.

В настоящее время не существует технологии массового производства или сбора антивещества в объёме, необходимом для этого. Тем не менее, некоторые исследователи проводили имитационные исследования по двигателям на антиматерии и хранению антивещества. Если мы сможем придумать способ создания или сбора большого количества антиматерии, эти исследования могут помочь межзвёздным путешествиям на антиматерии стать реальностью.

Антиматерия давно была предметом научной фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии. Космический корабль «Энтерпрайз» из «Звездного пути» использует двигатель на основе аннигилирующей антиматерии для путешествий быстрее скорости света. Но антиматерия также предмет нашей с вами реальности. Частицы антиматерии практически идентичны своим материальным партнерам, за исключением того, что переносят противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречает материю, они мгновенно аннигилируют в энергию, и это уже не вымысел.

Хотя бомбы из антиматерии и корабли на основе этого же топлива пока не представляются возможными на практике, есть много фактов об антиматерии, которые вас удивят или позволят освежить в памяти то, что вы уже знали.

Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого Взрыва

Согласно теории, Большой Взрыв породил материю и антиматерию в равных количествах. Когда они встречаются, происходит взаимное уничтожение, аннигиляция, и остается только чистая энергия. Исходя из этого, мы не должны существовать.

Но мы существуем. И насколько знают физики, это потому, что на каждый миллиард пар материи-антиматерии была одна лишняя частица материи. Физики всеми силами пытаются объяснить эту асимметрию.

Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете

Небольшие количества антиматерии постоянно проливаются дождем на Землю в виде космических лучей, энергетических частиц из космоса. Эти частицы антивещества достигают нашей атмосферы с уровнем от одной до более сотни на квадратный метр. Ученые также располагают свидительствами того, что антивещество рождается во время грозы.

Есть и другие источники антивещества, которые находятся ближе к нам. Бананы, например, вырабатывают антивещество, испуская один позитрон — антивещественный экивалент электрона — примерно раз в 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. При распаде калия-40 иногда рождается позитрон.

Наши тела тоже содержат калий-40, а значит, и вы излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует мгновенно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества живут не очень долго.

Людям удалось создать совсем немного антиматерии

Аннигиляция антиматерии и материи обладает потенциалом высвобождения огромного количества энергии. Грамм антиматерии может произвести взрыв размером с ядерную бомбу. Впрочем, люди произвели не так много антиматерии, поэтому бояться нечего.

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии — не больше 2 нанограммов позитронов.

Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире.

Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии

Для изучения антиматерии вам нужно предотвратить ее аннигиляцию с материей. Ученые нашли несколько способов это осуществить.

Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

Антиматерия может падать (в прямом смысле слова)

Частицы материи и антиматерии обладают одной массой, но различаются в свойствах вроде электрического заряда и спина. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна одинаково воздействовать на материю и антиматерию, однако это еще предстоит выяснить наверняка. Эксперименты вроде AEGIS, ALPHA и GBAR работают над этим.

Наблюдать за гравитационным эффектом на примере антиматерии не так просто, как смотреть на падающее с дерева яблоко. Эти эксперименты требуют удержания антиматерии в ловушке или замедления ее путем охлаждения до температур чуть выше абсолютного нуля. И поскольку гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, физики должны использовать нейтральные частицы антиматерии в этих экспериментах, чтобы предотвратить взаимодействие с более мощной силой электричества.

Антиматерия изучается в замедлителях частиц

Вы слышали об ускорителях частиц, а о замедлителях частиц слышали? В CERN находится машина под названием Antiproton Decelerator, в кольце которого улавливаются и замедляются антипротоны для изучения их свойств и поведения.

В кольцевых ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера частицы получают энергетический толчок каждый раз, когда завершают круг. Замедлители работают противоположным образом: вместо того чтобы разгонять частицы, их толкают в обратную сторону.

Нейтрино могут быть своими собственными античастицами

Частица материи и ее антиматериальный партнер переносят противоположные заряды, что позволяет легко их различить. Нейтрино, почти безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с материей, не имеют заряда. Ученые считают, что они могут быть майорановскими частицами, гипотетическим классом частиц, которые являются своими собственными античастицами.

Проекты вроде Majorana Demonstrator и EXO-200 направлены на определение того, действительно ли нейтрино являются майорановскими частицами, наблюдая за поведением так называемого безнейтринного двойного бета-распада.

Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, испуская два электрона и два нейтрино. Если нейтрино были бы собственными античастицами, они бы аннигилировали после двойного распада, и ученым осталось бы наблюдать только электроны.

Поиск майорановских нейтрино может помочь объяснить, почем существует асимметрия материи-антиматерии. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть либо тяжелыми, либо легкими. Легкие существуют в наше время, а тяжелые существовали сразу после Большого Взрыва. Тяжелые майорановские нейтрино распались асимметрично, что привело к появлению крошечного количества вещества, которым наполнилась наша Вселенная.

Антиматерия используется в медицине

PET, ПЭТ (позитронно-эмиссионная топография) использует позитроны для получения изображений тела в высоком разрешении. Излучающие позитроны радиоактивные изотопы (вроде тех, что мы нашли в бананах) крепятся к химическим веществам вроде глюкозы, которая присутствует в теле. Они вводятся в кровоток, где распадаются естественным путем, испуская позитроны. Те, в свою очередь, встречаются с электронами тела и аннигилируют. Аннигиляция производит гамма-лучи, которые используются для построения изображения.

Ученые проекта ACE при CERN изучают антиматерию как потенциального кандидата для лечения рака. Врачи уже выяснили, что могут направлять на опухоли лучи частиц, испускающие свою энергию только после того, как безопасно пройдут через здоровую ткань. Использование антипротонов добавит дополнительный взрыв энергии. Эта техника была признана эффективной для лечения хомяков, только вот на людях пока не испытывалась.

Антиматерия может скрываться в космосе

Один из путей, которым ученые пытаются разрешить проблему асимметрии материи-антиматерии, является поиск антиматерии, оставшейся после Большого Взрыва.

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) — это детектор частиц, который располагается на Международной космической станции и ищет такие частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют путь космических частиц и отделяют материю от антиматерии. Его детекторы должны обнаруживать и идентифицировать такие частицы по мере прохождения.

Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия остается чрезвычайно малой из-за гигантского количества энергии, которое требуется для этого процесса. Это означает, что наблюдение хотя бы одного ядрышка антигелия будет мощным доказательством существования гигантского количества антиматерии где-либо еще во Вселенной.

Люди на самом деле изучают, как оснастить космический аппарат топливом на антивеществе

Совсем немного антиматерии может произвести огромное количество энергии, что делает ее популярным топливом для футуристических кораблей в научной фантастике.

Движение ракеты на антивеществе гипотетически возможно; основным ограничением является сбор достаточного количества антивещества, чтобы это могло осуществиться.

Пока не существует технологий для массового производства или сбора антивещества в объемах, необходимых для такого применения. Однако ученые ведут работы над имитацией такого движения и хранения этого самого антивещества. Однажды, если мы найдем способ произвести большое количество антивещества, их исследования могут помочь межзвездным путешествиям воплотиться в реальности.

По материалам symmetrymagazine.org