Что такое антивещество. Что такое антиматерия? Антипротонный радиационный пояс Земли

Недавно членам коллаборации ALICE в ЦЕРН 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.

А правда, что на основе антиматерии можно сделать сверхмощную бомбу? А что, в ЦЕРНе в самом деле накапливают антивещество, как показано в фильме Ангелы и демоны , и что это очень опасно? А правда, что антиматерия будет исключительно эффективным топливом для космических перелетов? А есть ли хоть доля правды в идее о позитронном мозге, которым Айзек Азимов в своих произведениях наделил роботов?...

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 : 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?

Античастица при встрече со своей частицей аннигилирует: обе частицы исчезают и превращаются в набор фотонов или более легких частиц. Вся энергия покоя превращается в энергию этого микровзрыва. Это самое эффективное превращение массы в тепловую энергию, в сотни раз превосходящее по эффективности ядерный взрыв. Но никаких грандиозных природных взрывов мы вокруг себя не видим; антиматерии в заметных количествах в природе нет. Однако отдельные античастицы вполне могут рождаться в разнообразных природных процессах.

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 - , 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 ( , 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.

Изображение: CERN

Метод простой, но не слишком неэффективный: вероятность синтезировать ядро таким способом резко падает при увеличении числа нуклонов. Легчайшие антиядра, антидейтроны, впервые наблюдались ровно полвека назад. Антигелий-3 увидели в 1971 году. Известен также антитритон и антигелий-4, причем последний был открыт совсем недавно , в 2011 году. Более тяжелые антиядра до сих пор не наблюдались.

Два параметра, описывающие нуклон-нуклонные взаимодействия (длина рассеяния f0 и эффективный радиус d0) для разных пар частиц. Красная звездочка - результат для пары антипротонов, полученный коллаборацией STAR.

К сожалению, антиатомов таким способом не сделаешь. Антиядра не только рождаются редко, но и обладают слишком большой энергией и вылетают во все стороны. Пытаться их отловить на коллайдере, чтобы затем отвести по специальному каналу и охладить, нереально.

Впрочем, иногда достаточно внимательно отследить антиядра на лету, чтобы получить кое-какую интересную информацию об антиядерных силах, действующих между антинуклонами. Самая простая вещь - это аккуратно измерить массу антиядер, сравнить ее с суммой масс антипротонов и антинейтронов, и вычислить дефект масс, т.е. энергию связи ядра. Это недавно , работающий на Большом адронном коллайдере; энергия связи для антидейтрона и антигелия-3 в пределах погрешности совпала с обычными ядрами.

Другой, более тонкий эффект изучил эксперимент STAR на американском коллайдере тяжелых ионов RHIC. Он измерил угловое распределение рожденных антипротонов и выяснил, как оно меняется, когда два антипротона вылетают в очень близком направлении. Корреляции между антипротонами позволили впервые измерить свойства действующих между ними «антиядерных» сил (длину рассеяния и эффективный радиус взаимодействия); они совпали с тем, что известно про взаимодействие протонов.

Есть ли антиматерия в космосе?

Когда Поль Дирак вывел из своей теории существование позитронов, он вполне допускал, что где-то в космосе могут существовать настоящие антимиры. Сейчас мы знаем, что звезд, планет, галактик из антивещества в видимой части Вселенной нет. Дело даже не в том дело, что не видно аннигиляционных взрывов; просто совершенно невообразимо, как они вообще могли бы образоваться и дожить до настоящего времени в постоянно эволюционирующей вселенной.

Но вот вопрос «как так получилось» - это еще одна большущая загадка современной физики; на научном языке она называется проблемой бариогенеза . Согласно космологической картине мира, в самой ранней вселенной частиц и античастиц было поровну. Затем, в силу нарушения CP-симметрии и барионного числа, в динамично развивающейся вселенной должен был появиться небольшой, на уровне одной миллиардной, избыток материи над антиматерией. При остывании вселенной все античастицы проаннингилировали с частицами, выжил лишь этот избыток вещества, который и породил ту вселенную, которую мы наблюдаем. Именно из-за него в ней осталось хоть что-то интересное, именно благодаря нему мы вообще существуем. Как именно возникла эта асимметрия - неизвестно. Теорий существует много, но какая из них верна - неизвестно. Ясно лишь, что это точно должна быть какая-то Новая физика, теория, выходящая за пределы Стандартной модели, за границы экспериментально проверенного.

Три варианта того, откуда могут взяться античастицы в космических лучах высокой энергии: 1 - они могут просто возникать и разгоняться в «космическом ускорителе», например в пульсаре; 2 - они могут рождаться при столкновениях обычных космических лучей с атомами межзвездной среды; 3 - они могут возникать при распаде тяжелых частиц темной материи.

Хоть планет и звезд из антивещества нет, антиматерия в космосе все же присутствует. Потоки позитронов и антипротонов разных энергий регистрируются спутниковыми обсерваториями космических лучей, такими как PAMELA, Fermi, AMS-02. Тот факт, что позитроны и антипротоны прилетают к нам из космоса, означает, что они где-то там рождаются. Высокоэнергетические процессы, которые могут их породить, в принципе известны: это сильно замагниченные окрестности нейтронных звезд, разные взрывы, ускорение космических лучей на фронтах ударных волн в межзвездной среде, и т.п. Вопрос в том, могут ли они объяснить все наблюдаемые свойства потока космических античастиц. Если окажется, что нет, это будет свидетельством в пользу того, что некоторая их доля возникает при распаде или аннигиляции частиц темной материи.

Здесь тоже есть своя загадка. В 2008 году обсерватория PAMELA обнаружила подозрительно большое количество позитронов больших энергий по сравнению с тем, что предсказывало теоретическое моделирование. Этот результаты был надавно подтвержден установкой AMS-02 - одним из модулей Международной Космической Станции и вообще самым крупным детектором элементарных частиц, запущенным в космос (и собранным догадайтесь где? - правильно, в ЦЕРНе). Этот избыток позитронов будоражит ум теоретиков - ведь ответственным за него могут оказаться не «скучные» астрофизические объекты, а тяжелые частицы темной материи, которые распадаются или аннигилируют в электроны и позитроны. Ясности тут пока нет, но установка AMS-02, а также многие критически настроенные физики, очень тщательно изучают это явление.

Отношение антипротонов к протонам в космических лучах разной энергии. Точки - экспериментальные данные, разноцветные кривые - астрофизические ожидания с разнообразными погрешностями.

Изображение: Cornell University Library

С антипротонами тоже ситуация неясная. В апреле этого года AMS-02 на специальной научной конференции представил предварительные результаты нового цикла исследований. Главной изюминкой доклада стало утверждение, что AMS-02 видит слишком много антипротонов высокой энергии - и это тоже может быть намеком на распады частиц темной материи. Впрочем, другие физики с таким бодрым выводом не согласны . Сейчас считается, что антипротонные данные AMS-02, с некоторой натяжкой, могут быть объяснены и обычными астрофизическими источниками. Так или иначе, все с нетерпением ждут новых позитронных и антипротонных данных AMS-02.

AMS-02 зарегистрировала уже миллионы позитронов и четверть миллиона антипротонов. Но у создателей этой установки есть светлая мечта - поймать хоть одно антиядро. Вот это будет настоящая сенсация - совершенно невероятно, чтобы антиядра родились где-то в космосе и долетели бы до нас. Пока что ни одного такого случая не обнаружено, но набор данных продолжается, и кто знает, какие сюрпризы готовит нам природа.

Антиматерия - антигравитирует? Как она вообще чувствует гравитацию?

Если опираться только на экспериментально проверенную физику и не вдаваться в экзотические, никак пока не подтвержденные теории, то гравитация должна действовать на антиматерию точно так же, как на материю. Никакой антигравитации для антиматерии не ожидается. Если же позволить себе заглянуть чуть дальше, за пределы известного, то чисто теоретически возможны варианты , когда в нагрузку к обычной универсальной гравитационной силе существует нечто добавочное, которое по-разному действует на вещество и антивещество. Какой бы ни призрачной казалась эта возможность, ее требуется проверить экспериментально, а для этого надо поставить опыты по проверке того, как антиматерия чувствует земное притяжение.

Долгое время это толком не удавалось сделать по той простой причине, что для этого надо создать отдельные атомы антивещества, поймать их в ловушку, и провести с ними эксперименты. Сейчас это делать научились, так что долгожданная проверка уже не за горами.

Главный поставщик результатов - всё тот же ЦЕРН со своей обширной программой по изучению антивещества. Некоторые из этих экспериментов уже косвенно проверили, что с гравитацией у антиматерии всё в порядке. Например, обнаружил, что (инертная) масса антипротона совпадает с массой протона с очень высокой точностью. Если бы гравитация действовала на антипротоны как-то иначе, физики заметили бы разницу - ведь сравнение производилось в одной и той же установке и в одинаковых условиях. Результат этого эксперимента: действие гравитации на антипротоны совпадает с действием на протоны с точностью лучше одной миллионной.

Впрочем, это измерение - косвенное. Для пущей убедительность хочется поставить прямой эксперимент: взять несколько атомов антивещества, уронить их и посмотреть, как они будут падать в поле тяжести. Такие эксперименты тоже проводятся или готовятся в ЦЕРНе. Первая попытка была не слишком впечатляющей. В 2013 году эксперимент ALPHA , - который к тому времени уже научился удерживать облачко антиводорода в своей ловушке, - попробовал определить , куда будут падать антиатомы, если ловушку отключают. Увы, из-за низкой чувствительности эксперимента однозначного ответа получить не удалось: времени прошло слишком мало, антиатомы метались в ловушке туда-сюда, и вспышки аннигиляции случались то здесь, то там.

Ситуацию обещают кардинально улучшить два других церновских эксперимента: GBAR и AEGIS . Оба эти эксперимента проверят разными способами, как падает в поле тяжести облачко сверххолодного антиводорода. Их ожидаемая точность по измерению ускорения свободного падения для антивещества - около 1%. Обе установки сейчас находятся в стадии сборки и отладки, а основные исследования начнутся в 2017 году, когда антипротонный замедлитель AD будет дополнен новым накопительным кольцом ELENA .

Варианты поведения позитрона в твердом веществе.

Изображение: nature.com

Что случится, если позитрон попадет в вещество?

Образование молекулярного позитрония на кварцевой поверхности.

Изображение: Clifford M. Surko / Atomic physics: A whiff of antimatter soup

Если вы дочитали до этого места, то уже прекрасно знаете, что как только частица антивещества попадает в обычное вещество, происходит аннигиляция: частицы и античастица исчезают и превращаются в излучение. Но насколько быстро это происходит? Представим себе позитрон, который прилетел из вакуума и вошел в твердое вещество. Проаннигилирует ли он при соприкосновении с первым же атомом? Вовсе не обязательно! Аннилигяция электрона и позитрона - процесс не мгновенный; он требует длительного по атомным масштабам времени. Поэтому позитрон успевает прожить в веществе яркую и насыщенную нетривиальными событиями жизнь.

Во-первых, позитрон может подхватить бесхозный электрон и образовать связанное состояние - позитроний (Ps). При подходящей ориентации спинов, позитроний может жить десятки наносекунд до аннигиляции. Находясь в сплошном веществе, он успеет за это время столкнуться с атомами миллионы раз, ведь тепловая скорость позитрония при комнатной температуре - около 25 км/сек.

Во-вторых, дрейфуя в веществе, позитроний может выйти на поверхность и залипнуть там - это позитронный (а точнее, позитрониевый) аналог адсорбции атомов. При комнатной температуре он не сидит на одном месте, а активно путешествует по поверхности. И если это не внешняя поверхность, а пора нанометрового размера, то позитроний оказывается пойманным в ней на длительное время.

Дальше - больше. В стандартном материале для таких экспериментов, пористом кварце, поры не изолированы, а объединены наноканалами в общую сеть. Тепленький позитроний, ползая по поверхности, успеет обследовать сотни пор. А поскольку позитрониев в таких экспериментах образуется много и почти все они вылезают в поры, то рано или поздно они натыкаются друг на друга и, взаимодействуя, иногда образуют самые настоящие молекулы - молекулярный позитроний , Ps 2 . Дальше уже можно изучать, как ведет себя позитрониевый газ, какие у позитрония есть возбужденые состояния и т.д. И не думайте, что это чисто теоретические рассуждения; все перечисленные эффекты уже проверены и изучены экспериментально.

Есть ли у антивещества практические применения?

Разумеется. Вообще, любой физический процесс, если он открывает перед нами некую новую грань нашего мира и не требует при этом каких-то сверхзатрат, обязательно находит практические применения. Причем такие применения, до которых бы мы сами не догадались, если бы не открыли и не изучили предварительно научную сторону этого явления.

Самым известным прикладным применением античастиц является ПЭТ, позитронно-эмиссионная томография . Вообще, у ядерной физики есть впечатляющий послужной список медицинских применений, и античастицы тут тоже не остались без дела. При ПЭТ в организм пациента вводят маленькую дозу препарата, содержащего нестабильный изотоп с коротким временем жизни (минуты и часы) и распадающийся за счет положительного бета-распада. Препарат накапливается в нужных тканях, ядра распадаются и испускают позитроны, которые аннигилируют поблизости и выдают два гамма-кванта определенной энергии. Детектор регистрирует их, определяет направление и время их прилета, и восстанавливает то место, где произошел распад. Так удается построить трехмерную карту распределения вещества с высоким пространственным разрешением и с минимальной радиационной дозой.

Позитроны можно применять и в материаловедении, например, для измерения пористости вещества . Если вещество сплошное, то позитроны, застрявшие в веществе на достаточной глубине, довольно быстро аннигилируют и испускают гамма-кванты. Если же внутри вещества есть нанопоры, аннигиляция задерживается, поскольку позитроний залипает на поверхности поры. Измеряя эту задержку, можно узнать степень нанопористости вещества бесконтактным и неразрушающим методом. Как иллюстрация этой методики - недавняя работа про то, как возникают и затягиваются нанопоры в тончайшем слое льда при осаждении пара на поверхность. Аналогичный подход работает и при изучении структурных дефектов в полупроводниковых кристаллах, например, вакансий и дислокаций, позволяет измерить структурную усталость материала.

Медицинское применение может найтись и для антипротонов. Сейчас в том же ЦЕРНе проводится эксперимент ACE , который изучает воздействие антипротонного пучка на живые клетки. Его цель - изучить перспективы использования антипротонов для терапии раковых опухолей.

Энерговыделение ионного пучка и рентгена при прохождении сквозь вещество.

Изображение: Johannes Gutleber / CERN

Эта идея может с непривычки ужаснуть читателя: как так, антипротонным пучком - и по живому человеку?! Да, и это намного безопаснее, чем облучать глубокую опухоль рентгеном! Антипротонный пучок специально подобранной энергии становится в руках хирурга эффективным инструментом, с помощью которого можно выжигать опухоли глубоко внутри тела и минимизировать воздействии на окружающие ткани. В отличие от рентгена, который жжет всё, что попадает под луч, тяжелые заряженные частицы на своем пути сквозь вещество выделяют основную долю энергии на последних сантиметрах перед остановкой. Настраивая энергию частиц, можно варьировать глубину, на которой останавливаются частицы; вот на эту область размером в миллиметры и придется основное радиационное воздействие.

Такая радиотерапия протонным пучком уже давно используется во многих хорошо оснащенных клиниках мира. В последнее время некоторые из них переходят на ионную терапию, в которой используется пучок не протонов, а ионов углерода. Для них профиль энерговыделения еще контрастнее, а значит, эффективность пары «терапевтическое воздействия против побочных эффектов» возрастает. Но уже давно предлагается попробовать для этой цели и антипротоны. Ведь они, попадая в вещество, не просто отдают свою кинетическую энергию, но еще и аннигилируют после остановки - и это усиливает энерговыделение в несколько раз. Где оседает это дополнительное энерговыделение - сложный вопрос, и его требуется внимательно изучить, прежде чем запускать клинические испытания.

Именно этим и занимается эксперимент ACE. В ходе него исследователи пропускают пучок антипротонов через кюветку с бактериальной культурой и измеряют их выживаемость в зависимости от места, от параметров пучка, и от физических характеристик окружающей среды. Такой методичный и, пожалуй, скучноватый сбор технических данных - важный начальный этап любой новой технологии.

Игорь Иванов

Небольшой коллайдер в Нью-Йорке называют релятивистским, он разгоняет частицы до 300 тысяч километров в секунду. Но прежде чем ученые воскликнули "Эврика", ионы золота столкнулись сотни миллионов раз. В науке всегда так, большие новости готовят годами.

Столкновение ионов лоб в лоб приводит к таким температурам, что солнце по сравнению с ними кажется комнатным калорифером. Коллайдер лаборатории Брукхэвен зафиксировал 4 триллиона градусов, это вселенский рекорд! Солнце в 250 тысяч раз холоднее.

"Мы пытаемся воспроизвести состояние Вселенной через несколько милисекунд после Большого взрыва. Тогда мы сможем понять, как частицы материализовались", - объясняет Хэнк Кроуфорд, глава совета научного сообщества "Стар".

Новорожденную после Большого взрыва Вселенную ученые сравнивают с неким подобием супа. Сейчас они пытаются разгадать, как первозданная масса превратилась во все то, что нас окружает.

"Иногда мы не задумываемся о том, что в полностью симметричной и совершенной Вселенной для нас просто не было бы места. Если бы ранняя Вселенная произвела одинаковое количество вещества и антивещества, произошла бы аннигиляция и Вселенная состояла только из радиации", - говорит Дмитрий Харзеев, научный сотрудник национальной лаборатории Брукхэвен, член научного сообщества "Стар".

Почему этого не произошло? Что и как нарушило вселенскую симметрию? Почему люди, горы и океаны состоят из материи, а не сделаны из ее зеркального отражения - антиматерии. Куда она исчезла?

Ответ все ближе, ведь "странное ядро антиматерии", содержащее невиданные ранее "странные кварки" - это самый тяжелый фрагмент того антимира, из которого мог бы состоять и наш. Материя и антиматерия очень похожи по свойствам.

"Если бы смогли повторить Большой взрыв еще раз, может быть, мы состояли из антиматерии и удивлялись мистическим свойствам материи", - рассуждает Дмитрий Харзеев.

Мистика еще и в том, что антиматерию не только крайне сложно найти, но и невозможно сохранить. Наша Вселенная и Антивселенная при встрече агрессивно себя ведут.

"Просто произойдет выделение электромагнитной ядерной энергии", - говорит Алексей Лебедев, научный сотрудник национальной лаборатории Брукхэвен.

Возле коллайдера на всякий случай установлены знаки радиоактивной опасности, вокруг - толстые бетонные стены. Ядерные взрывы, пусть и наноразмеров - это рутинная работа ускорителя и ученых. Каждый из них, в том числе около 60 российских исследователей, теперь являются соавторами открытия вселенского масштаба с широкой перспективой.

"Есть гипотеза, что антиматерию можно будет использовать как источник энергии, возможно, через тысячи лет. Но пока мы не уверены в этом", - резюмирует Хэнк Кроуфорд.

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

АНТИВЕЩЕСТВО
вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами - электронами с положительным электрическим зарядом. В обычном веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами. Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. койнос - обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин "антивещество" не совсем правилен, поскольку антивещество - тоже вещество, его разновидность. Антивещество обладает такими же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество. Говоря о веществе и антивеществе, логично начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной частице соответствует античастица; обе имеют почти одинаковые характеристики, за исключением того, что у них противоположный электрический заряд. (Если частица нейтральна, то античастица также нейтральна, но они могут различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица и античастица тождественны друг другу.) Так, электрону - отрицательно заряженной частице - соответствует позитрон, а античастицей протона с положительным зарядом является отрицательно заряженный антипротон. Позитрон был открыт в 1932, а антипротон - в 1955; это были первые из открытых античастиц. Существование античастиц было предсказано в 1928 на основе квантовой механики английским физиком П.Дираком. При столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция, т.е. обе частицы исчезают, а из точки их столкновения испускаются два гамма-кванта. Если сталкивающиеся частицы движутся с небольшой скоростью, то энергия каждого гамма-кванта составляет 0,51 МэВ. Эта энергия есть "энергия покоя" электрона, или его масса покоя, выраженная в единицах энергии. Если же сталкивающиеся частицы движутся с большой скоростью, то энергия гамма-квантов будет больше за счет их кинетической энергии. Аннигиляция происходит и при столкновении протона с антипротоном, но процесс в этом случае протекает гораздо сложнее. В качестве промежуточных продуктов взаимодействия рождается ряд короткоживущих частиц; однако спустя несколько микросекунд как окончательные продукты превращений остаются нейтрино, гамма-кванты и небольшое число электрон-позитронных пар. Эти пары в конечном итоге могут аннигилировать, создавая дополнительные гамма-кванты. Аннигиляция происходит и при столкновении антинейтрона с нейтроном или протоном. Коль скоро существуют античастицы, возникает вопрос, не могут ли из античастиц образовываться антиядра. Ядра атомов обычного вещества состоят из протонов и нейтронов. Самым простым ядром является ядро изотопа обычного водорода 1H; оно представляет собой отдельный протон. Ядро дейтерия 2H состоит из одного протона и одного нейтрона; оно называется дейтроном. Еще один пример простого ядра - ядро 3He, состоящее из двух протонов и одного нейтрона. Антидейтрон, состоящий из антипротона и антинейтрона, был получен в лаборатории в 1966; ядро анти-3He, состоящее из двух антипротонов и одного антинейтрона, было впервые получено в 1970. Согласно современной физике элементарных частиц, при наличии соответствующих технических средств можно было бы получить антиядра всех обычных ядер. Если эти антиядра окружены надлежащим числом позитронов, то они образуют антиатомы. Антиатомы обладали бы почти в точности такими же свойствами, как и обычные атомы; они образовали бы молекулы, из них могли бы формироваться твердые тела, жидкости и газы, в том числе и органические вещества. Например, два антипротона и одно ядро антикислорода вместе с восемью позитронами могли бы образовать молекулу антиводы, сходную с обычной водой H2O, каждая молекула которой состоит из двух протонов ядер водорода, одного ядра кислорода и восьми электронов. Современная теория элементарных частиц в состоянии предсказать, что антивода будет замерзать при 0° С, кипеть при 100° С и в остальном вести себя подобно обычной воде. Продолжая такие рассуждения, можно прийти к выводу, что построенный из антивещества антимир был бы чрезвычайно сходен с окружающим нас обычным миром. Этот вывод служит отправной точкой теорий симметричной Вселенной, основанных на предположении, что во Вселенной равное количество обычного вещества и антивещества. Мы живем в той ее части, которая состоит из обычного вещества. Если привести в соприкосновение два одинаковых куска из веществ противоположного типа, то произойдет аннигиляция электронов с позитронами и ядер с антиядрами. При этом возникнут гамма-кванты, по появлению которых можно судить о происходящем. Поскольку Земля по определению состоит из обычного вещества, в ней нет заметных количеств антивещества, если не считать мизерного числа античастиц, рождающихся на больших ускорителях и в космических лучах. То же самое относится и ко всей Солнечной системе. Наблюдения показывают, что в пределах нашей Галактики возникает лишь ограниченное количество гамма-излучения. Отсюда ряд исследователей делают вывод об отсутствии в ней сколько-нибудь заметных количеств антивещества. Но этот вывод не бесспорен. В настоящее время нет способа определить, например, состоит ли данная близкая звезда из вещества или антивещества; звезда из антивещества испускает точно такой же спектр, как и обычная звезда. Далее, вполне возможно, что разреженное вещество, заполняющее пространство вокруг звезды и тождественное веществу самой звезды, отделено от областей, заполненных веществом противоположного типа - очень тонкими высокотемпературными "слоями Лейденфроста". Таким образом, можно говорить о "ячеистой" структуре межзвездного и межгалактического пространства, в которой каждая ячейка содержит либо вещество, либо антивещество. Эту гипотезу подкрепляют современные исследования, показывающие, что магнитосфера и гелиосфера (межпланетное пространство) имеют ячеистую структуру. Ячейки с разной намагниченностью и иногда также с разными температурой и плотностью разделены очень тонкими токовыми оболочками. Отсюда следует парадоксальный вывод, что указанные наблюдения не противоречат существованию антивещества даже в пределах нашей Галактики. Если раньше не было убедительных аргументов в пользу существования антивещества, то теперь успехи рентгеновской и гамма-астрономии изменили положение. Наблюдались явления, связанные с огромным и часто в высшей степени беспорядочным выделением энергии. Вероятнее всего, источником такого энерговыделения была аннигиляция. Шведский физик О. Клейн разработал космологическую теорию, основанную на гипотезе симметрии между веществом и антивеществом, и пришел к выводу, что процессы аннигиляции играют решающую роль в процессах эволюции Вселенной и формирования структуры галактик.
Становится все более очевидным, что основная альтернативная ей теория - теория "большого взрыва" - серьезно противоречит данным наблюдений и центральное место при решении космологических проблем в ближайшем будущем, скорее всего, займет "симметричная космология". Роли антивещества в проблемах космологии посвящена книга автора Миры - Антимиры: Антиматерия в космологии (1966).
См. также
КОСМОЛОГИЯ ;
ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ .
ЛИТЕРАТУРА
Вайнберг С. Первые три минуты. М., 1981 Силк Дж. Большой взрыв. М., 1982 Девис П. Суперсила; поиски единой теории природы. М., 1989

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Синонимы :

Смотреть что такое "АНТИВЕЩЕСТВО" в других словарях:

Антивещество … Орфографический словарь-справочник

антивещество - антивещество/, а/ … Слитно. Раздельно. Через дефис.

А; ср. Физ. Материя, построенная из античастиц. ◁ Антивещественный, ая, ое. * * * антивещество материя, построенная из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а атомные оболочки построены из позитронов.… … Энциклопедический словарь

Антивещество вещество, состоящее из античастиц. Содержание 1 Свойства 2 Получение 3 Стоимость … Википедия

АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, построенное из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а роль электронов играют позитроны. Предполагают, что в первые моменты образования Вселенной антивещество и вещество… … Современная энциклопедия

Материя, построенная из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а атомные оболочки построены из позитронов. Скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. На ускорителях заряженных частиц получены… … Большой Энциклопедический словарь

АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, состоящее из античастиц, тождественных с обычными частицами по всем параметрам, кроме ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА, СПИНА И МАГНИТНОГО МОМЕНТА, которые у них имеют обратный знак. Когда античастица, например, позитрон… … Научно-технический энциклопедический словарь

Ср. Материя, образованная из античастиц (в физике). Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

Материя, построенная из античастиц. Ядра атомов в ва состоят из протонов и нейтронов, а эл ны образуют оболочки атомов. В А. ядра состоят из антипротонов и антинейтронов, а место эл нов в их оболочках занимают позитроны. Согласно совр. теории, яд … Физическая энциклопедия

Сущ., кол во синонимов: 1 антиматерия (2) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

АНТИВЕЩЕСТВО - материя, состоящая из (см.). Вопрос о распространённости А. во Вселенной пока остаётся открытым … Большая политехническая энциклопедия

Книги

• Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса , Голдберг, Дэйв. Не любите физику? Вы просто не читали книги Дэйва Голдберга! Эта книга познакомит вас с одной из самых интригующих тем современной физики - фундаментальными симметриями. Ведь в нашей…

Почти всё, что мы детектируем на Земле и с помощью искусственных спутников, представляет собой вещество. Антивещество получается на Земле с помощью ускорителей высоких энергий. Так, например, были получены антипротоны, ядра антидейтрона, антигелия, антиатомы.
Астрономическими методами непосредственное наблюдение антиматерии невозможно, т.к. фотоны, рождающиеся при взаимодействии частиц антиматерии между собой, неотличимы от фотонов, рождающихся при взаимодействии частиц материи. Причина в том, что фотон является истинно нейтральной частицей и. В принципе материю от антиматерии можно отличить по наблюдению нейтрино ν и антинейтрино , однако в настоящее время такие наблюдения малореальны.
Если бы в ближайшем окружении Земли были области, в которых доминировала антиматерия, это должно было бы проявляться в виде аннигиляционных γ-квантов, которые образуются при аннигиляции материи и антиматерии. Важным аргументом в пользу преобладания материи над антиматерией являются космические лучи. Они являются частицами материи - протоны, электроны, атомные ядра, сделанные из протонов и нейтронов.
Образование частиц антивещества наблюдается в результате взаимодействия высокоэнергичных частиц космического излучения с атмосферой Земли. Античастицы образуются в областях с повышенной концентрацией энергии. Так, например, образование античастиц происходит в ядрах активных галактик. Как правило, в таких случаях частицы антиматерии появляются вместе с частицами материи. На следующей стадии происходит образование и аннигиляция частиц вещества и антивещества. Так, например, фотон с энергией больше 1 МэВ может в поле атомного ядра образовать электрон-позитронную пару. Образовавшийся позитрон при встрече с электроном аннигилирует, образуя чаще 2 и реже 3 γ-кванта.
Проблема существования антивещества во Вселенной является фундаментальной проблемой физики, которая связана с проблемой образования и развития Вселенной.
Существуют различные гипотезы относительно того, почему наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из материи. Существуют ли области Вселенной, в которых преобладает антиматерия? Можно ли использовать антиматерию? Причина очевидной асимметрии вещества и антивещества в видимой Вселенной одна из самых больших нерешенных загадок в современной физике. Процесс, посредством которого возникает эта асимметрия между частицами и античастицами называется бариогенезисом.
До 50-х годов ХХ века преобладало мнение, что во Вселенной одинаковое количество материи и антиматерии. Однако в середине 60-х годов работы в области теории Большого Взрыва поколебали эту точку зрения. Действительно, если в первые моменты существования горячей и плотной Вселенной количество частиц и античастиц было одинаковым, то их аннигиляция привела бы к тому, что во Вселенной осталось бы только излучение. В настоящее время большинство физиков согласно с тем, что в результате нарушения СР‑симметрии во Вселеннойв первые мгновения эволюции частиц образовалось несколько больше, чем античастиц – примерно одна частица на 10 9 пар частица-античастица. В итоге после аннигиляции осталось небольшое количество частиц.
Другая возможность объяснить доминирование вещества в «ближней» Вселенной это предположить, что антивещество сосредоточено в дальних плохо исследованных областях Вселенной. В 1979 году Флойд Стекер (Floyd Stecker)предположил, что асимметрия вещества и антивеществамогла возникнуть спонтанно в первые моменты после Большого взрыва, когда вещество и антивещество разлетелись в разные стороны.
Так как электромагнитное излучение одинаковым образом взаимодействует как с материей, так и с антиматерией, планеты, звезды и галактики из материи и антиматерии в электромагнитном излучении выглядят одинаково. Поэтому нужны другие методы поиска антивещества во Вселенной. Одним из таких методов является наблюдение антиядер в космическом пространстве. Это должны быть антиядра с массовым числом A > 4. Если бы удалось зарегистрировать вблизи Земли ядра антигелия, мы получили бы достаточно сильное свидетельство в пользу существования во Вселенной областей повышенного содержания антивещества.
Почему для поиска антиматерии следует искать ядра антигелия или более тяжелые ядра? Дело в том, что антипротоны могут образовываться при взаимодействии ультрарелятивистских протонов или других ядер космических лучей. В энергетическом спектр таких антипротонов (обычно их называют вторичными) должен наблюдаться широкий максимум в области 2 ГэВ. Другими источниками антипротонов, которые называют первичными, могут быть аннигиляция гипотетических суперсимметричных частиц, из которых, как предполагается состоит темная материя, – нейтралино и/или испарение «первичных» черных дыр. Парная аннигиляция нейтралино может приводить к рождению кварк-антикварковых струй, с последующей их адронизацией и образованием антипротонов. Первичные черные дыры могли образовываться в ранней Вселенной. Такие черные дыры с массой 10 14-15 могут довольно интенсивно испарять частицы (излучение Хокинга). Вклад таких первичных антипротонов в регистрируемый энергетический спектр можно пытаться обнаружить в низкоэнергетичной области < 1 ГэВ.
Поток вторичных антипротонов можно оценить в зависимости от принятой модели Галактики. Он достигает максимума при энергии ~10 ГэВ. В области энергией до нескольких сотен ГэВ по характеру спектра есть надежда получить информацию как о бариогенезе так и/или об аннигиляции суперсимметричных частиц и/или WIMPов.
Образование антидейтронов под действием космических лучей существенно менее вероятно. Спектр вторичных антидейтронов должен быть сдвинут в область бóльших энергий по сравнению со спектром вторичных антипротонов и быстро спадать при уменьшении энергии. Для первичных антидейтронов, образующихся при аннигиляции частиц темной материи и/или испарении первичных черных дыр, максимум спектра ожидается при энергии < 1 ГэВ. Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо разделены.
Вероятность образования ядер антигелия под действием космических лучей исчезающе мало. Действительно, для этого должны в одном месте и практически одновременно образоваться два антипротона и два антинейтрона, причем их относительные скорости дожны быть малы. В 1997 г. Паскаль Шардонэ (Pascal Chardonnet) оценил вероятность такого события. Согласно его оценкам, одно ядро антигелия может образоваться на 10 15 ультрарелятивистских протонов космических лучей. Среднее время ожидания такого события составляет 15 миллиардов лет, что сопоставимо с возрастом Вселенной.
Если во Вселенной на ранней стадии эволюции действительно образовались области пространства, в которых преобладает материя или антиматерия, то они должны разделяться, т.к. на границе этих областей образуется световое давление, которое разделяет вещество и антивещество. На границе между областями с материей и антиматерией должна происходить аннигиляция, соответственно излучаться анигиляционные гамма-кванты. Однако современные гамма-телескопы такое излучение не фиксируют. Исходя из чувствительности телескопов, были проведены оценки. Согласно им, области антивещества не могут ближе 65 миллионов световых лет. Таким образом, таких областей нет не только в нашей галактике, но и в нашем скоплении галактик, включающей в себя кроме Млечного пути еще 50 других галактик.
Регистрация ядер антигелия образовавшихся на таких расстояниях представляет собой сложную проблему. Не так просто ядру антигелия долететь с такого далекого расстояния до детектора и быть зарегистрированным. В частности, оно может «запутаться» в галактических и межгалактических магнитных полях и таким образом никогда не отлететь далеко от места своего образования. Кроме того, антигелию постоянно будет грозить опасность аннигиляции. И, наконец, детектор не слишком большая мишень, чтобы в него можно было легко попасть с такого гигантского расстояния. Поэтому эффективность регистрации ядер антигелия крайне низка.
В условиях «путешествия» антигелия очень много неясного, что не позволяет оценить вероятности регистрации ядер . Всегда сохраняется возможность того, что будь детектор чуть более чувствительный, и открытие бы произошло.
Ясно только, что время «путешествия» антиядра небольшой энергии может быть меньше, чем время существования Вселенной. Поэтому охотиться надо за высокоэнергетичными антиядрами. Кроме того, у таких ядер больше шансов преодолеть галактический космический ветер.
Что касается позитронов и антипротонов, то их тоже могут излучать гипотетические области антиматерии и давать вклад в измеряемые вблизи Земли спектры. По сравнению с антипротонами позитроны сложнее регистрировать. Это связано с тем, что потоки протонов, которые являются источником фона, в 10 3 больше, чем потоки позитронов. Сигналы от позитронов, прилетевших от областей антиматерии, могут «потонуть» в сигналах от позитронов, возникших в результате других процессов. Между тем, происхождение позитронов в космических лучах также до конца не известно. Есть ли в космических лучах первичные позитроны? Есть ли связь между избытком антипротонов и позитронов? Для прояснения ситуации необходимо измерение спектров позитронов в широком энергетическом диапазоне.
Первый запуск прибора для исследования космических лучей в верхние слои атмосферы с помощьювоздушного шара осуществилв 1907 году Виктор Гесс . Вплоть до начала 50-х годов ХХ века изучение космических лучей было источником наиболее важных открытий в физике частиц. Начиная с 1979 г. в таких экспериментах наблюдались антипротоны (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, p.330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Они открыли новые возможности в исследовании антиматерии и темной материи.В современных исследованиях космических лучей используются методики, разработанной для экспериментов на ускорителях.
До последнего времени почти вся информация об античастицах в космических лучах была получена с помощью детекторов, запускаемых в высокие слои атмосферы на воздушных шарах. При этом возникло подозрение, что антипротонов больше, чем следовало из оценок вероятности их возникновения в результате взаимодействия космических лучей с межзвездной средой (вторичных антипротонов). Предлагаемые для объяснения «избыточных» антипротонов механизмы давали различные предсказания для энергетических спектров антипротонов. Однако непродолжительное время полёта воздушного шара и наличие остатков земной атмосферы ограничивали возможности такого рода экспериментов. Данные имели большую неопределённость, кроме того, не простирались по энергии далее 20 ГэВ.
Для регистрации античастиц используются большие воздушные шары (до 3 млн. кубических метров), способные поднять на высоту ~40 км тяжелые детекторы массой до 3 т. Как правило, как Монгольфье они открыты внизу, и теряют гелий, при падении наружной температуры. В большинстве случаев продолжительность полета не превышает 24 часа. Кроме того, температуры атмосферы, после быстрого уменьшения с нуля до 20–25 км, начинает расти, достигая максимума на высоте ~40 км, после чего начинает снова уменьшаться. Так как при понижении температуры наружного воздуха объем воздушного шара уменьшается, максимальная высота подъема не может быть выше, чем ~40 км. На этой высоте атмосфера еще довольно плотная, и поток антипротонов с энергиями в несколько десятков ГэВ, образующихся при взаимодействии первичных космических лучей с остаточной атмосферой, превышает поток антипротонов, образующихся в галактической среде. Для более высоких энергий зарегистрированных частиц ошибки становятся слишком большими, чтобы получить надежные результаты.
В последнее время начали осуществляться более длительные полеты (до 20 дней). В них также используются открытые шары, но потери гелия были существенно снижены, за счет того, что запуски шаров-зондов осуществлялись в очень высоких широтах, вблизи полюсов, во время полярного дня. Однако, масса их полезной нагрузки, при полетах на высоту 40км не превышает 1 т. Это слишком мало для измерения потоков антивещества при высоких энергиях. Для реализации сверхдлительных полетов на воздушных шарах (около100 дней) предполагается использовать и закрытые шары. Они толще и тяжелее, не теряют гелия и могут выдержать разность давлений внутри и снаружи. Они могут поднимать относительно легкие инструменты, менее 1 т.

Рис. 20.1. Запуск шара-зонда с физической аппаратурой.

Рис. 20.2. Детектор космического излучения BESS-Polar II. Спектрометр (1) с солнечными батареями (2).

Поиск антигелия с помощью спектрометров на воздушных шарах осуществлялся в рамках эксперимента BESS (B alloon-borne E xperiment with S uperconducting S pectrometer) (рис. 20.2). С 1993 г. по 2000 г. спектрометры BESS неоднократно запускались в верхние слои атмосферы в северной Канаде. Длительность полетов была около одних суток. Спектрометр постоянно совершенствовался и повышалась чувствительность. Суммарная чувствительность для отношения гелий/антигелий, достигнутая в этой серии полетов ~6.8×10 −7 в диапазоне жесткости 1-14 ГВ. В эксперименте BESS-TeV (2001 г.) диапазон жесткости спектрометра был увеличен до 500 ГВ и достигнута чувствительность 1.4×10 −4 . Для увеличения статистики в 2004-2008 гг. многодневные полеты усовершенствованных спектрометров (0.6-20 ГВ) осуществлялись в Антарктике. В 2004-2005 гг – в полете BESS-Polar I, длившемся 8.5 дней, была достигнута чувствительность 8×10 −6 . В 2007-2008 гг. в полете BESS-Polar II (длительность измерений 24.5 дня) была достигнута чувствительность 9.8×10 −8 . Суммарная чувствительность с учетом всех полетов BESS достигла величины 6.7×10 −8 . Ни одного ядра антигелия обнаружено не было.
Магнитный спектрометр, который использовался в полете BESS-Polar II состоит сверхпроводящего соленоидального магнита со сверхтонкими стенками, центрального трекера (JET/IDC), время-пролетного годоскопа (TOF) и черенковского детектора (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Спектрометр эксперимента BESS-Polar II в разрезе.

Время-пролетный годоскоп позволяет измерять скорость (β) и энергетические потери (dE/dx). Он состоит из верхнего и нижнего пластиковых сцинтилляционных счетчиков, составленных из 10 и 12 сцинтилляционных полосок (100×950×10 мм). Временное разрешение системы времени пролета ~70 пс. Кроме того, есть еще третий сцинтилляционный счетчик (Middle-TOF), который находится внутри соленоида и состоит из 64 стержней пластикового сцинтиллятора. Он позволяет понизить энергетический порог регистрации, за счет частиц, которые не способны пролететь нижнюю часть соленоида.
Дрейфовые камеры находятся в однородном поле магнита. По 28 точкам, в каждой с точностью 200 мкм, рассчитывается кривизна траектории влетающей в спектрометр частицы, что позволяет определить eё магнитную жесткость R = pc/Ze и знак заряда.
Аэрогелиевый черенковский счетчик позволяет сепарировать сигналы от антипротонов и антидейтронов от фона e - /μ - .

Рис. 20.4. Идентификация частиц в установке BESS.

Идентификация частиц проводится по массе (рис. 20.4), которая связана с измеренными с помощью время-пролетных счетчиков и дрейфовых камер жесткостью R, скоростью частицы β и потерями энергии dE/dx соотношением

Для этого выделяются соответствующие области на двумерных распределениях dE/dx – |R| и β -1 – R.

Антипротонный радиационный пояс Земли

Коллаборацией PAMELA был обнаружен радиационный пояс вокруг Земли в области Южной Атлантической аномалии. Были измерены спектры антипротонов и протонов непосредственно в радиационном поясе и вне радиационного пояса (рис. 20.5, 20.6).
Показано, что антипротоны, которые регистрировались детекторными установками, установленными на баллонах и спутниках имеют вторичное происхождение. Они образуются в результате взаимодействия галактических космических лучей с межзвездным веществом или атмосферой в реакции pp → ppp. Однако существенно больший вклад вносит распад альбедных антинейтронов (антинейтронов, поток которых направлен от Земли), возникающих в реакции
pp → ppn. Эти антинейтроны проходят сквозь геомагнитное поле и распадаются, образуя антипротоны → + e + + ν e . Часть из образовавшихся антипротонов может быть захвачена магнитосферой,образуя радиационный пояс антипротонов. Так же как основным источником радиационного пояса протонов является распад нейтронов альбедо, так и распад антинейтронов приводит к образованию пояса антипротонов.
Из экспериментальных данных следует, что плотность антипротонов в радиационном поясе на 3–4 порядка больше, чем плотность антипротонов вне радиационного пояса. Форма спектра антипротонов, образованных непосредственно в результате взаимодействия галактических космических лучей практически совпадает с формой спектра антипротонов вне радиационного пояса антипротонов.
Проблема обнаружения антиматерии во Вселенной далека от решения. Активный поиск антиматерии предусмотрен в программах космических телескопов Ферми и др.