Антивещество

В 1930-м году известный английский физик-теоретик Поль Дирак, выводя релятивистское уравнение движения для поля электрона, получил также и решение для некой иной частицы с той же массой и противоположным, положительным, электрическим зарядом. Единственная известная в то время частица с положительным зарядом – протон, не могла быть этим двойником, так как значительно отличалась от электрона, в том числе и в тысячи раз большей массой.

Позже, в 1932-м году американский физик Карл Андерсон подтвердил предсказания Дирака. Изучая космические лучи, он открыл античастицу электрона, которая сегодня называется позитрон. Спустя 23 года на американском ускорителе были обнаружены антипротоны, а еще через год – антинейтрон.

Как известно, любая элементарная частица обладает рядом характеристик, чисел, описывающих ее. Среди них следующие:

• Масса – физическая величина, которая определяет гравитационное взаимодействие объекта.
• Спин – собственный момент импульса элементарной частицы.
• Электрический заряд – характеристика, указывающая на возможность создания телом электромагнитного поля, и участия в электромагнитном взаимодействии.
• Цветовой заряд – абстрактное понятие, которое объясняет взаимодействие кварков и формирование ими других частиц — адронов.

По сути, простым языком, античастица - это зеркальное отражение частицы. Она имеет ту же массу и электрический заряд, что и частица. Но, есть одна интересная деталь, при столкновении частицы и античастицы происxодит аннигиляция, то есть маленький взрыв, при котором выделяется энергия. И еще, интересен тот факт, что антивещество самостоятельно не образуется в природе. Это и мотивирует ученыx изучать его.

Почему вещество преобладает над антивеществом в видимой части Вселенной? Это загадка, которую пока не могут решить в рамкаx современной космологии(общая теория относительности и стандартная модель). По идее, во время Большого взрыва, частиц и античастиц должно было быть поровну - барионная симметрия. Они бы аннигилировали и материи бы не осталось. Но что-то пошло не так, и частиц оказалось больше, чем античастиц.

Возможные объяснения

Существует несколько гипотез, пытающихся объяснить явление барионной асимметрии, однако ни одна из них не признана научным сообществом достоверно доказанной.

Простейшее объяснение состоит в том, что изначальные условия расширения Вселенной уже были несимметричными, что привело к наблюдаемому преобладанию. Этот вариант, хотя и возможный, не обладает, однако, эстетической привлекательностью и не даёт новых интересных следствий, что приводит физиков к поиску более глубоких причин возникновения асимметрии из изначально симметричного состояния.

Наиболее распространены теории, расширяющие Стандартную модель таким образом, что в некоторых реакциях возможно более сильное нарушение CP-инвариантности по сравнению с её нарушением в Стандартной модели. В этих теориях предполагается, что изначально количество барионной и антибарионной материи было одинаково, однако впоследствии в силу каких-либо причин из-за несимметричности реакций относительно того, какие частицы — вещества или антивещества — в них участвуют, произошло постепенное нарастание количества барионного вещества и уменьшение количества антибарионного.

Другие возможные сценарии возникновения асимметрии привлекают либо макроскопическое разделение областей локализации вещества и антивещества (что представляется маловероятным), либо поглощение антивещества чёрными дырами, способными отделить его от вещества при условии нарушения CP-инвариантности. Последний сценарий требует существования гипотетических тяжёлых частиц, распадающихся с сильным нарушением CP-инвариантности.

В 2010 году была выдвинута гипотеза, что барионная асимметрия связана с наличием тёмной материи. Согласно сделанному предположению носителем отрицательного барионного заряда являются частицы тёмной материи, не доступные для непосредственного наблюдения в земных экспериментах, но проявляющиеся через гравитационное взаимодействие на масштабах галактик.

Идет изучение на Большом адронном коллайдере.

Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. Если при столкновении электрона и его античастицы – позитрона, высвобождается два гамма-кванта, то для создания электрон-позитронной пары понадобится высокоэнергетический гамма-квант, взаимодействующий с электрическим полем ядра атома. В лабораторных условиях это может происходить на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около черных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества.

Что такое антивещество? Для понимания достаточно привести следующий пример. Простейшее вещество, атом водорода состоит из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород – это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.

Первым объектом, целиком составленным из античастиц, был синтезированный в 1965 году анти-дейтрон (ядро тяжёлого изотопа водорода). В 1970—1974 гг. на серпуховском ускорителе были получены и более тяжёлые антиядра — трития (изотоп водорода), гелия. В 1995 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.

В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого учёные охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе — Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды.

В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить — на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации.

Интересный факт: антиматерия присутствует и рядом с нами.

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 свидетельствами 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 эквивалент 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.

Сегодня с уверенностью можно заявить, что самое дорогое вещество в мире не калифорний, реголит или графен, и, конечно же, не золото, а антивещество. Согласно подсчетам NASA –создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около 25 миллионов долларов, а 1 г антиводорода оценивается в 62,5 триллиона долларов. Нанограмм антивещества, объем, который был использован за 10 лет в экспериментах ЦЕРНа, обошелся организации в сотни миллионов долларов. Но это не пустая трата денег. Наука требует жертв.

По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.

Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало.

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом). При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8·1017 джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба»: масса 26,5 т, при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57—58,6 мегатоннам.

В ноябре 2015 года группа российских и зарубежных физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов.

В 2016 году учёным коллаборации ALPHA впервые удалось измерить оптический спектр атома антиматерии, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено.

На данный момент, проводятся эксперименты по обнаружению антивещества во Вселенной.

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.

Изучение антиматерии несет в себе весомый для человечества потенциал. На основе аннигиляции вещества и антивещества можно создать мощный двигатель. Существует несколько математических моделей подобного двигателя, и согласно их расчетам, для космических кораблей будущего понадобится совсем немного античастиц. Так, семимесячный полет до Марса может сократиться в продолжительности до месяца, за счет 140 нанограммов антипротонов. Появится возможность осуществлять межзвездные и межгалактические полеты. Жаль, что пока нет теxнологий для массового производства антивещества.

Но не все так радужно. Человечество очень любит воевать и создавать оружие для войны. Как вы уже поняли, для того чтобы создать мощнейшую бомбу, много взрывчатки не понадобится. Достаточно пару килограмм антивещества. Поэтому мы можем как и уничтожить себя, так и продвинуться в будущее. Нужно искоренять милитаристский настрой в обществе.

Источники:
https://ru.wikipedia.org
https://hi-news.ru/science/10-faktov-ob-antimaterii-kotoryx-vy-mogli-ne-znat.html
http://spacegid.com/antiveshhestvo.html