Антиречовина

Історія відкриття

У 1930-му році відомий англійський фізик-теоретик Поль Дірак, виводячи релятивістське рівняння руху для поля електрона, отримав також і рішення для якоїсь іншої частинки з тією ж масою і протилежним, позитивним електричним зарядом. Єдина відома на той час частинка з позитивним зарядом – протон, не могла бути цим двійником, так як значно відрізнялася від електрона, в тому числі і в тисячі разів більшою масою.

Пізніше, в 1932-му році американський фізик Карл Андерсон підтвердив передбачення Дірака. Вивчаючи космічні промені, він відкрив античастицу електрона, яка сьогодні називається позитрон. Через 23 роки на американському прискорювачі були виявлені антипротоны, а ще через рік – антинейтрон.

Частки і античастки

Стандартна модель фізики

Як відомо, будь-яка елементарна частинка володіє рядом характеристик, чисел, що описують її. Серед них наступні:

Маса – фізична величина, яка визначає гравітаційне взаємодія об’єкта.
Спін – власний момент імпульсу елементарної частинки.
Електричний заряд – характеристика, яка вказує на можливість створення тілом електромагнітного поля та участі в електромагнітній взаємодії.
Колірної заряд – абстрактне поняття, яке пояснює взаємодію кварків і формування ними інших частинок — адронів.

По суті, простою мовою, античастинка – це дзеркальне відображення частки. Вона має ту ж масу і електричний заряд, що і частка. Але, є одна цікава деталь, при зіткненні частинки і античастки відбувається анігіляція, тобто маленький вибух, при якому виділяється енергія. І ще цікавий той факт, що антиречовина самостійно не утворюється в природі. Це і мотивує вчених вивчати його.

Барионная асиметрія Всесвіту

Чому речовина переважає над антиречовиною у видимій частині Всесвіту? Це загадка, яку поки не можуть вирішити в рамках сучасної космології(загальна теорія відносності і стандартна модель). По ідеї, під час Великого вибуху, частинок і античастинок повинно було бути порівну – барионная симетрія. Вони б буде і матерії б не залишилося. Але щось пішло не так, і частинок виявилося більше, ніж античастинок.

Можливі пояснення

Існує кілька гіпотез, які намагаються пояснити явище баріонної асиметрії, проте жодна з них не визнана науковою спільнотою достовірно доведеною.

Найпростіше пояснення полягає в тому, що початкові умови розширення Всесвіту вже були несиметричними, що призвело до спостережуваного переважанню. Цей варіант, хоча і можливий, не має, однак, естетичною привабливістю і не дає нових цікавих наслідків, що призводить фізиків до пошуку більш глибоких причин виникнення асиметрії з початку симетричного стану.

Найбільш поширені теорії, що розширюють Стандартну модель таким чином, що в деяких реакціях можливо більш сильне порушення CP-інваріантності порівняно з її порушенням у Стандартної моделі. В цих теоріях передбачається, що спочатку кількість баріонної і антибарионной матерії було однаково, проте згодом в силу яких-небудь причин через несиметричності реакцій щодо того, які частинки — речовини або антиречовини — в них беруть участь, відбулося поступове наростання кількості баріонної речовини і зменшення кількості антибарионного.

Інші можливі сценарії виникнення асиметрії залучають або макроскопічне поділ областей локалізації речовини і антиречовини (що є малоймовірним), або поглинання антиречовини чорними дірами, здатними відокремити його від речовини за умови порушення CP-інваріантності. Останній сценарій вимагає існування гіпотетичних важких частинок, що розпадаються з сильним порушенням CP-інваріантності.

У 2010 році була висунута гіпотеза, що барионная асиметрія пов’язана з наявністю темної матерії. Згідно зробленому припущенню носієм негативного баріонів заряду є частинки темної матерії, не доступні для безпосереднього спостереження в земних експериментах, але

Отримання антиречовини

Народження античастинок зазвичай відбувається при утворенні пар частинка-античастинка. Якщо при зіткненні електрона і його античастки – позитрона, вивільняється два гамма-кванта, то для створення електрон-позитронної пари знадобиться високоенергетичний гамма-квант, що взаємодіє з електричним полем ядра атома. У лабораторних умовах це може відбуватися на прискорювачах або в експериментах з лазерами. В природних умовах – в пульсарах і близько чорних дір, а також при взаємодії космічних променів з деякими видами речовини.

Що таке антиречовину? Для розуміння досить навести наступний приклад. Просте речовина, атом водню складається з одного протону, визначає ядро, і електрона, що обертається навколо нього. Так ось антиводень – це антиречовину, атом якого складається з антипротона і обертається навколо нього позитрона.
Загальний вигляд установки ASACUSA в Церні, призначеної для отримання та вивчення антиводню

Першим об’єктом, цілком складається з античастинок, був синтезований в 1965 році анти-дейтрон (ядро важкого ізотопу водню). У 1970-1974 рр. на серпуховському прискорювачі були отримані і більш важкі антиядра — тритію (ізотоп водню), гелію. У 1995 році в Церні був синтезований атом антиводню, що складається з позитрона і антипротона. В останні роки антиводень був отриманий в значних кількостях і було розпочато детальне вивчення його властивостей.

У 2010 році фізикам вперше вдалося швидко зловити в «пастку» атоми антиречовини. Для цього вчені охолоджували хмара, що містить близько 30 тисяч антипротонів, до температури 200 кельвінів (мінус 73,15 градуси Цельсія), і хмара з 2 мільйонів позитронів до температури 40 кельвінів (мінус 233,15 градуса Цельсія). Фізики охолоджували антиречовину в пастки Пеннінга, вбудованої всередину пастки Іоффе — Пітчарда. У загальній складності було спіймано 38 атомів, які утримувалися 172 мілісекунди.

У травні 2011 року результати попереднього експерименту вдалося значно поліпшити — на цей раз було спіймано 309 антипротонів, які утримувалися 1000 секунд. Подальші експерименти по утриманню антиречовини покликані показати наявність або відсутність для антиречовини ефекту антигравітації.

Цікавий факт: антиматерія присутній і поруч з нами.

Невеликі кількості антиматерії постійно проливаються дощем на Землю у вигляді космічних променів, енергетичних частинок з космосу. Ці частинки антиречовини досягають нашої атмосфери з рівнем від однієї до сотні на квадратний метр. Вчені також мають у своєму розпорядженні свідчення того, що антиречовина народжується під час грози.

Є й інші джерела антиречовини, які знаходяться ближче до нас. Банани, наприклад, виробляють антиречовину, випускаючи один позитрон — антивещественный еквівалент електрона — приблизно раз на 75 хвилин. Це відбувається тому, що банани містять невелику кількість калію-40, що зустрічається в природі ізотопу калію. При розпаді калію-40 іноді народжується позитрон.

Наші тіла теж містять калій-40, а значить, і ви випромінюєте позитрони. Антиматерія анігілює миттєво при контакті з матерією, тому ці частинки антиречовини живуть не дуже довго.

Вартість

Сьогодні з упевненістю можна заявити, що найдорожче речовина в світі не каліфорній, реголіт або графен, і, звичайно ж, не золото, а антиречовину. Згідно з підрахунками NASA –створення одного міліграма позитронів буде коштувати близько 25 мільйонів доларів, а 1 г антиводню оцінюється в 62,5 трильйона доларів. Нанограм антиречовини, обсяг, який був використаний за 10 років в експериментах Церну, обійшовся організації в сотні мільйонів доларів. Але це не марна трата грошей. Наука вимагає жертв.

Властивості антиречовини

За сучасними уявленнями, сили, що визначають структуру матерії (сильна взаємодія, що утворює ядра, і електромагнітне взаємодія, що утворює атоми і молекули), абсолютно однакові (симетричні) як для частинок, так і для античастинок. Це означає, що структура антиречовини повинна бути ідентична структурі звичайної речовини.

Властивості антиречовини повністю збігаються з властивостями звичайного речовини, що розглядається через дзеркало.

При взаємодії речовини і антиречовини відбувається їх анігіляція, при цьому утворюються высокоэнергичные фотони або пари частинок-античастинок (близько 50 % енергії при анігіляції пари нуклон-антинуклон виділяється у формі нейтрино, які практично не взаємодіють з речовиною). При взаємодії 1 кг антиречовини і 1 кг речовини виділиться приблизно 1,8·1017 джоулів енергії, що еквівалентно енергії, яка виділяється при вибуху 42,96 мегатонн тротилу. Саме потужне ядерне пристрій з коли-небудь взрывавшихся на планеті, «Цар-бомба»: маса 26,5 т, при вибуху вивільнило енергію, еквівалентну ~57-58,6 мегатоннам.

У листопаді 2015 року група російських і зарубіжних фізиків на американському колайдері RHIC експериментально довела ідентичність структури речовини і антиречовини шляхом точного вимірювання сил взаємодії між антипротонами, що опинилися в цьому плані не відрізнятись від звичайних протонів.

У 2016 році вченим колаборації ALPHA вперше вдалося виміряти оптичний спектр атома антиматерії, відмінностей у спектрі антиводню від спектра водню не виявлено.

На даний момент, проводяться експерименти по виявленню антиречовини у Всесвіті.

Один з шляхів, яким вчені намагаються вирішити проблему асиметрії матерії-антиматерії, є пошук антиматерії, що залишилася після Великого Вибуху.

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) — це детектор частинок, який розташовується на Міжнародній космічній станції і шукає такі частинки. AMS містить магнітні поля, які викривляють шлях космічних частинок і відокремлюють матерію від антиматерії. Його детектори повинні виявляти й ідентифікувати такі частинки у міру проходження.

Зіткнення космічних променів зазвичай виробляють позитрони і антипротоны, але ймовірність створення атома антигелия залишається надзвичайно малою через гігантського кількості енергії, яка потрібна для цього процесу. Це означає, що спостереження хоча б одного ядерця антигелия буде потужним доказом існування гігантської кількості антиматерії де-небудь ще у Всесвіті.

Навіщо нам потрібно антиречовина?

Дослідження антиматерії несе в собі вагомий для людства потенціал. На основі анігіляції речовини і антиречовини можна створити потужний двигун. Існує кілька математичних моделей подібного двигуна, і згідно з їх розрахунками, для космічних кораблів майбутнього знадобиться зовсім небагато античастинок. Так, семимісячний політ до Марса може скоротитися в тривалості до місяця, за рахунок 140 нанограммов антипротонів. З’явиться можливість здійснювати міжзоряні і міжгалактичні польоти. Шкода, що поки немає технологій для масового виробництва антиречовини.

Але не все так райдужно. Людство дуже любить воювати і створювати зброю для війни. Як ви вже зрозуміли, для того щоб створити потужну бомбу, багато вибухівки не знадобиться. Достатньо пару кілограм антиречовини. Тому ми можемо як і знищити себе, так і просунутися в майбутнє. Потрібно викорінювати мілітаристський настрій в суспільстві.

Предмет:
Тип документу: Інше
10 клас, 11 клас, 12 клас, 8 клас, 9 клас