10 фактов об антиматерии, которых вы могли не знать
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
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
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
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
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)
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
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
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
Антиматерия может скрываться в космосе
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
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.
Антивещество (познавательный длиннопост)
Антиматерия (или антивещество) — материя, состоящая из античастиц. По современным представлениям, силы, определяющие структуры материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы) совершенно одинаковы как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.
Приставка «анти» в словах «античастицы», «антиматерия», «антивещество» подталкивает фантазеров к рассуждениям о некой Антивселенной, находящейся то ли далеко-далеко, то ли в «параллельном пространстве». Особо увлекающиеся личности приплетают сюда же «добро и зло», «инь и ян»… На самом деле мистики тут – не больше, чем во взаимном «уничтожении» воды и огня, которое так вдохновляло древних философов. «Вещество не из нашего мира» – вполне из нашего: оно рождается и гибнет здесь, а не в каких-то «иных измерениях». «Антиподы» есть у каждой из сотен известных частиц, кроме фотона и еще нескольких, истинно нейтральных (для них античастица точно совпадает с частицей).
Отличие вещества и антивещества возможно только за счёт слабого взаимодействия, однако при обычных температурах слабые эффекты пренебрежимо малы.
Ведется довольно много рассуждений на тему того, почему наблюдаемая часть вселенной состоит почти исключительно из вещества и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом; но на сегодняшний день наблюдаемая асимметрия вещества и антивещества во вселенной — одна из самых больших нерешенных задач физики. Предполагается, что столь сильная асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.
Первым объектом, целиком составленным из античастиц, был синтезированный в 1965 году анти-дейтрон; затем были получены и более тяжёлые антиядра. 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.
20 т), соответствовало 57 мегатоннам. Следует отметить, что порядка 50% энергии, выделившейся при аннигиляции (реакции пары нуклон-антинуклон), выделяется в форме нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом.
В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые 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.
В нормальных условиях частицы антиматерии практически мгновенно уничтожаются за счет контакта с обычной материей, превращаясь в гамма-лучи. Считается, что в первые мгновения после Большого Взрыва количество позитронов и электронов во Вселенной было примерно одинаково, однако при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, тепловые фотоны постоянно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём рождения электрон-позитронных пар (такие условия существуют и сейчас в недрах горячих звёзд). После охлаждения вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с избытком электронов.
В космосе позитроны рождаются при взаимодействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц космических лучей, а также при распаде некоторых типов этих частиц. Таким образом, часть первичных космических лучей составляют позитроны, так как в отсутствие электронов они стабильны. В некоторых областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии, доказывающие присутствие позитронов.
Антиматерия тесно связана с темой происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва около 14 миллиардов лет назад. Считается, что античастиц в нем образовалось столько же, сколько и частиц. Однако сейчас антивещества во Вселенной наблюдается намного меньше, чем вещества. Куда же оно делось? Если улетело в другую область пространства, почему такое количество антиматерии ничем не регистрируется? Масса-то у античастиц та же, что и у частиц. Если же антивещество исчезло после аннигиляции с веществом, то почему осталось столько «лишнего» вещества, из которого состоит мир? Может, «неравенство» возникло раньше, чем думают? Или античастицы все-таки не тождественны «своим» частицам по свойствам и более склонны к распаду? Решить эти загадки и может помочь антивещество — уже не просто предсказанное формулами, а вполне осязаемое детекторами.
Чем отличается антиматерия от материи по строению и свойствам
По современным представлениям — ничем. Но они не могут существовать в непосредственной близости друг от друга и должны аннигилировать.
Имеет ли антиматерия такой же цвет, как и противоположная ей материя
Цвет — это человеческая характеристика частоты электромагнитного излучения, которое попадает в глаз. Электромагнитное излучение «нейтрально» по отношению к частицам или античастицам. Антивещество глазами человека будет видно, как и вещество, но антивещество может быть обнаружено специальными детекторами, которые «видят» не только электромагнитное излучение.
Как будет выглядеть аннигиляция
При очень малых скоростях столкновения электрона и позитрона появятся только фотоны. Но при большой энергии столкновения рождается много самых разных частиц и античастиц — поровну. Они могут разлететься в разные стороны и только потом встретиться с антиподами. Если энергия столкновения мала — то, в основном, вспышка. Если велика — много новых частиц и античастиц. Уже более 20 лет работает в США ускоритель «Теватрон», в котором сталкивают протоны и антипротоны.
Нужен ли для аннигиляции, скажем, водорода именно антиводород. Или антигелий и любое другое «анти» тоже подойдет? Что будет, если потрогать рукой, ткани которой не содержат свинца, «антисвинец»?
Если столкнуть антиводород с атомом гелия, то аннигилируют только один протон и один электрон из гелия, остальные составляющие гелия будут жить и дальше. Только это уже не будет атом гелия. Если коснешься антисвинца — антипротоны, антинейтроны и позитроны из него проаннигилируют с любыми протонами, нейтронами и электронами из руки. В любом случае вы останетесь без руки, если вообще выживете.
Опасны ли опыты с антивеществом
Еще в 2003 году Европейский центр ядерных исследований опубликовал отчет независимых специалистов, которые оценивали вероятность разных рисков, связанных с работой коллайдера. Вероятность — в том числе с антиматерией — была признана ничтожно малой. А частицы из космоса, обладающие намного большей энергией, постоянно влетают в земную атмосферу, тоже приводят к появлению античастиц — но за миллионы лет ничего не случилось.
Есть ли во Вселенной объекты, состоящие из антиматерии
Если и есть, то очень мало. Убедительных доказательств существования больших объектов, состоящих из антиматерии, нет.
Фантасты рассматривают аннигиляцию как идеальный способ получения энергии. Сейчас на получение антиматерии уходит намного больше энергии, чем потом дает аннигиляция.
Есть проекты фотонных двигателей, можно представить электростанции, но это все пока из области фантастики. Принципиально все понятно, а реализовать на практике ученым пока не удалось.
Цифры
1 тонна антивещества в год покрыла бы энергетические нужды всей планеты
$62,5 триллиона стоит один грамм антиводорода, полученный сегодняшними способами.
Цена антиматерии
Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле, по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил 62,5 триллиона долларов. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объем, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков.
З.Ы. Не мое, нашел на просторах интернета.
С точностью до наоборот
Все, что вы хотели знать об антиматерии — в вопросах и ответах
Недавно членам коллаборации ALICE в ЦЕРН удалось с рекордной точностью измерить массы ядер антивещества и даже оценить энергию, связывающую в них антипротоны с антинейтронами. Пока значимой разницы между этими параметрами в веществе и антивеществе найдено не было, но не это главное. Важно, что именно сейчас, в последние несколько лет, для измерений и наблюдений становятся доступны не только античастицы, но и антиядра и даже антиатомы. А значит, самое время разобраться с тем, что такое антиматерия и какое место ее исследования занимают в современной физике.
Давайте мы попробуем угадать некоторые из ваших первых вопросов про антиматерию.
Не секрет, что для большинства антиматерия ассоциируется с чем-то исключительно (взрыво)опасным, с чем-то подозрительным, с чем-то будоражащим воображение фантастическими обещаниям и огромными рисками — отсюда и подобные вопросы. Признаемся: законы физики всего этого прямо не запрещают. Однако реализация этих идей настолько далека от реальности, от современных технологий и от технологий ближайших десятилетий, что прагматический ответ простой: нет, для современного мира это всё неправда. Разговор на эти темы — это просто фантастика, опирающаяся не на реальные научные и технические достижения, а на их экстраполяцию далеко за пределы современных возможностей. Если хотите серьезно пообщаться на эти темы серьезно, приходите ближе к 2100 году. А пока что давайте поговорим о реальных научных исследованиях антиматерии.
Что такое антиматерия?
Наш мир устроен так, что для каждого сорта частиц — электронов, протонов, нейтронов, и т.п. — существуют античастицы (позитроны, антипротоны, антинейтроны). Они обладают той же массой и, если они нестабильны, тем же временем полураспада, но противоположными по знаку зарядами и другими числами, характеризующими взаимодействие. У позитронов та же масса, что у электронов, но только положительный заряд. У антипротонов — заряд отрицательный. Антинейтроны электрически нейтральны, так же как и нейтроны, но обладают противоположным барионным числом и состоят из антикварков. Из антипротонов и антинейтронов можно собрать антиядро. Добавив позитронов, мы создадим антиатомы, а накопив их — получим антивещество. Это всё и есть антиматерия.
И тут сразу есть несколько любопытных тонкостей, про которые стоит рассказать. Прежде всего, само по себе существование античастиц — это огромный триумф теоретической физики. Эта неочевидная, а для некоторых даже шокирующая идея была выведена Полем Дираком теоретически и поначалу воспринималась в штыки. Более того, даже после открытия позитронов многие все равно сомневались в существовании антипротонов. Во-первых, говорили они, Дирак придумал свою теорию для описания электрона, и не факт, что для протона она сработает. Вот, например, магнитный момент протона в несколько раз отличается от предсказания теории Дирака. Во-вторых, следы антипротонов долго искали в космических лучах, и что-то ничего не нашлось. В-третьих, они утверждали, — буквально повторяя наши слова, — что если есть антипротоны, тогда должны существовать и антиатомы, антизвезды и антигалактики, и мы бы обязательно их заметили по грандиозным космическим взрывам. Раз мы этого не видим, то наверно потому, что антивещества не бывает. Поэтому экспериментальное открытие антипротона в 1955 году на только что запущенном ускорителе Беватрон стало достаточно нетривиальным результатом, отмеченным Нобелевской премией по физике за 1959 год. В 1956 году на том же ускорителе был открыт и антинейтрон. Рассказ про эти поиски, сомнения, и достижения можно найти в многочисленных исторических очерках, например, вот в этом докладе или в недавней книге Франка Клоуза Antimatter.
Впрочем, надо отдельно сказать, что здравое сомнение в чисто теоретических утверждениях всегда полезно. Например, утверждение, что античастицы имеют ту же массу, что и частицы — это тоже теоретически полученный результат, он следует из очень важной CPT-теоремы. Да, на этом утверждении построена современная, многократно проверенная на опыте физика микромира. Но всё равно это равенство полезно проверять экспериментально: кто знает, может быть так мы нащупаем границы применимости теории.
Другая особенность: не все силы микромира относятся одинаково к частицам и античастицам. Для электромагнитных и сильных взаимодействий разницы между ними нет, для слабых — есть. Из-за этого различаются некоторые тонкие детали взаимодействий частиц и античастиц, например, вероятности распада частицы A на набор частиц B и анти-A на набор анти-B (чуть подробнее про различия см. в подборке Павла Пахова). Эта особенность возникает потому, что слабые взаимодействия нарушают CP-симметрию нашего мира. А вот почему так получается — это одна из загадок элементарных частиц, и она требует выхода за пределы известного.
А вот еще одна тонкость: у некоторых частиц так мало характеристик, что античастицы и частицы вообще не отличаются друг от друга. Такие частицы называются истинно нейтральными. Это фотон, бозон Хиггса, нейтральные мезоны, состоящие из кварков и антикварков одинакового сорта. А вот с нейтрино ситуация пока непонятная: может быть, они истинно нейтральные (майорановские), а может — нет. Это имеет важнейшее значение для теории, описывающей массы и взаимодействия нейтрино. Ответ на этот вопрос реально станет крупным шагом вперед, потому что поможет разобраться с утройством нашего мира. Эксперимент пока ничего однозначного на этот счет не сказал. Но экспериментальная программа по нейтринным исследованиям настолько мощная, экспериментов ставится так много, что физики постепенно приближаются к разгадке.
Где она, эта антиматерия?
Проще всего рождать позитроны. Самый простой вариант — радиоактивность, распады некоторых ядер за счет положительной бета-радиоактивности. Например, в экспериментах в качестве источника позитронов часто используется изотоп натрия-22 с периодом полураспада два с половиной года. Другой, довольно неожиданный природный источник — грозовые разряды, во время которых иногда детектируются вспышки гамма-излучения от аннигиляции позитронов, а это значит, что позитроны там как-то родились.
Антипротоны и другие античастицы рождать труднее: энергии радиоактивного распада для этого не хватает. В природе они рождаются под действием космических лучей высоких энергий: космический протон, столкнувшись с какой-то молекулой в верхних слоях атмосферы, порождает потоки частиц и античастиц. Однако это происходит там, наверху, до земли антипроторы почти не долетают (о чем не знали те, кто в 40-х годах искал антипротоны в космических лучах), да и в лабораторию этот источник антипротонов не принесешь.
Во всех физических экспериментах антипротоны производят «грубой силой»: берут пучок протонов большой энергии, направляют его на мишень, и сортируют «адронные ошметки», которые в больших количествах рождаются в этом столкновении. Сортированные антипротоны выводят в виде пучка, а дальше либо разгоняют их до больших энергий для того, чтобы сталкивать с протонами (так работал, например, американский коллайдер Тэватрон), либо, наоборот, замедляют их и используют для более тонких измерений.
В ЦЕРНе, который может по праву гордиться долгой историей исследований антивещества, работает специальный «ускоритель» AD, «Антипротонный замедлитель», который как раз и занимается этой задачей. Он берет пучок антипротонов, охлаждает их (т.е. притормаживает), и дальше распределяет поток медленных антипротонов по нескольким специальным экспериментам. Кстати, если хотите посмотреть на состояние AD в реальном времени, то церновские онлайн-мониторы это позволяют.
Синтезировать антиатомы, даже простейшие, атомы антиводорода, уже совсем трудно. В природе они вообще не возникают — нет подходящих условий. Даже в лаборатории требуется преодолеть множество технических трудностей, прежде чем антипротоны соизволят соединиться с позитронами. Проблема в том, что антипротоны и позитроны, вылетающих из источников, все еще слишком горячие; они просто столкнутся друг с другом и разлетятся, а не образуются антиатом. Физики эти трудности всё же преодолевают, но довольно хитрыми методами (почитайте, как это делается в одном из церновских экспериментов ASACUSA).
Что известно про антиядра?
Все антиатомные достижения человечества относятся только к антиводороду. Антиатомы других элементов до сих пор не синтезированы в лаборатории и не наблюдались в природе. Причина простая: антиядра создавать еще труднее, чем антипротоны.
Единственный известный нам способ создавать антиядра — это сталкивать тяжелые ядра больших энергий и смотреть, что там получается. Если энергия столкновений велика, в нем родятся и разлетятся во все стороны тысячи частиц, в том числе, антипротоны и антинейтроны. Антипротоны и антинейтроны, случайно вылетевшие в одном направлении, могут объединиться друг с другом — получится антиядро.
Детектор ALICE умеет различать разные ядра и антиядра по энерговыделению и направлению закрутки в магнитном поле.