FAQ: История открытия антиматерии. С точностью до наоборот Взрыв антиматерии

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

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

Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого Взрыва

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

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

Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете

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

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

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

Людям удалось создать совсем немного антиматерии

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

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

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

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

Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии

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

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

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

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

Антиматерия может падать (в прямом смысле слова)

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

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

Антиматерия изучается в замедлителях частиц

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

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

Нейтрино могут быть своими собственными античастицами

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

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

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

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

Антиматерия используется в медицине

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

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

Антиматерия может скрываться в космосе

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

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

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

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

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

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

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

По материалам symmetrymagazine.org

Общедоступность информации любого рода, обилие фантастических фильмов, тематика которых связана с теми или иными научными или псевдонаучными проблемами, популярность сенсационных романов – всё это привело к формированию немалого количества мифов о нашем мире. Например, благодаря многочисленным теориям, обыгрывающим варианты Конца Света, широко употребляемым стало понятие «антивещество». В художественных произведениях и апокалиптических теориях под антивеществом подразумевается некая субстанция, по своим свойствам противоположная веществу, материи. Своего рода чёрная дыра, поглощающая и уничтожающая всё, что попадает в зону её притяжения. Что такое антивещество, на самом деле нужно спрашивать не у писателей, режиссёров и одержимых ожиданием всеобщего коллапса, а у учёных.

Античастицы и антивещество – обычная часть мироздания

Учёные расскажут, что в антивеществе нет ничего страшного и катастрофичного. Хотя бы в силу того обстоятельство, что противопоставлять вещество и антивещество нельзя – то, что принято называть антивеществом, на самом деле является разновидностью вещества, то есть материи. Согласно научной классификации, частицами вещества принято называть материальные структуры, состоящие из атомов, окружённых элементарными частицами. Базовой частью атома является ядро, имеющее положительный заряд, а элементарные частицы вокруг него заряжены отрицательно. Это те самые электроны, название которых используется нами в повседневной жизни ежедневно при упоминании электроники и электрических приборов.

Антивещество составляют античастицы, то есть те материальные структуры, ядра которых имеют отрицательный заряд, а окружающие их частицы – положительный.

Положительные элементарные частицы были обнаружены учёными лишь в 1932 году и названы позитронами. Также нет никакого фатального драматизма во взаимодействии частиц и античастиц, вещества и антивещества. Происходит аннигиляция – процесс превращения вступивших в реакцию вещества и антивещества в принципиально новые частицы, не существовавшие первоначально и обладающие отличными от исходных, «материнских» частиц, свойствами. Правда, «побочный эффект» может быть довольно опасен: аннигиляция сопровождается выделением огромного количества энергии. Подсчитано, что реакция 1 килограмма вещества с 1 килограммом антивещества высвободит энергию, равную примерно 43 мегатоннам взорвавшегося тротила. Наиболее мощная из взорванных на Земле ядерных бомб имела потенциал около 58 мегатонн в тротиловом эквиваленте.

Как получить антивещество – для науки это не вопрос

Реальность антивещества является доказанным фактом. Теоретические предположения учёных гармонично совместились с общей научной картиной мира, а потом античастицы были обнаружены и экспериментальным путём. Вот уже почти пятьдесят лет, как античастицы получают искусственным путём при реакции взаимодействия между частицами и античастицами. В 1965 году был синтезирован анти-дейтрон, а спустя 30 лет был получен анти-водород (его отличие от «классического» водорода в том, что атом антивещества состоит из позитрона и антипротона). Учёные пошли дальше и в 2010-2011 годах сумели в лабораторных условиях «поймать» атомы антивещества. Пускай в «ловушке» оказались лишь около 40 атомов и удерживать их сумели 172 миллисекунды.

Практические перспективы изучения античастиц очевидны, учитывая огромный энергетический потенциал взаимодействия частиц и античастиц.

Применение антивещества и запуск данного процесса в контролируемом режиме фактически раз и навсегда снимает проблему получения энергии.

Сложность, как всегда, в деньгах: расчёты показывают, что на сегодняшний день производства лишь одного грамма антивещества стоило бы около 60 триллионов долларов. Так что традиционные источники энергии пока остаются актуальными – а исследования нужно продолжать. Тем более, что уже на рубеже XX-XXI веков астрономы и астрофизики обнаружили источники антивещества во Вселенной. В частности, были получены данные о настоящих потоках положительно заряженных элементарных частиц (позитронов), двигающихся в космическом пространстве. Появилось несколько в большей или меньшей степени обоснованных практическими исследованиями теорий, объясняющих механизмы формирования античастиц в естественных условиях.

Очень популярен вариант объяснения, согласно которому античастицы формируются в сильном гравитационном поле в чёрных дырах. Данное гравитационное поле взаимодействует с «обычным» веществом, в результате процесса «переработки» материи и получаются позитроны – частицы, которые под влиянием гравитации изменили свой заряд с отрицательного на положительный. Другая концепция указывает на естественные радиоактивные элементы, самыми известными из которых являются сверхновые звёзды. Предполагается, что эти природные ядерные реакторы в качестве побочной продукции «вырабатывают» именно античастицы. Есть и прочие версии: например, процесс слияния двух звёзд может сопровождаться формированием частиц с изменённым зарядом или, напротив, такой эффект может порождать гибель звёзд.

Где найти антивещество – головоломка для исследователей

Таким образом, наличие антивещества неоспоримо. Но, как обычно и бывает при исследовании тайн Вселенной, возникла фундаментальная проблема, решить которую науке на данном этапе её развития пока не удаётся. Согласно принципу симметричности строения Вселенной , в нашем мире должно содержаться приблизительно столько же вещества, сколько и антивещества, столько же атомов, состоящих из положительного ядра и отрицательно заряженных частиц, сколько и атомов с отрицательным ядром и положительными частицами. Но на практике никаких следов масштабного скопления антивещества (теоретики даже придумали название для таких скоплений – «антимир») на данный момент не обнаружено.

При астрономических наблюдениях антивещество достаточно хорошо фиксируется лишь благодаря испускаемому гамма-излучению. Впрочем, оптимисты не теряют надежды – и вполне обоснованно.

Во-первых, Земля может находиться в той «вещественной» части Вселенной, которая максимально удалена от «антивещественной» половины. Значит, всё дело в недостаточно мощных и совершенных приборах наблюдения. Во-вторых, по своему электромагнитному излучению объекты, состоящие из вещества и антивещества, неотличимы, поэтому оптический метод наблюдения здесь бесполезен. В-третьих, не отвергнуты компромиссные теории – например, о том, что Вселенная имеет ячеистую структуру, в которой каждая ячейка состоит наполовину из вещества, наполовину из антивещества.

Александр Бабицкий

Антиматерия — это противоположность нормальной материи. Более конкретно, субатомные частицы антивещества обладают свойствами, противоположными свойствам вещества, характерного для обычного вещества.

Электрический заряд этих частиц меняется на противоположный. Антиматерия была создана вместе с материей после Большого взрыва, но антиматерия редко встречается в сегодняшней вселенной, и ученые не знают, почему.

Чтобы лучше понять антиматерию, нужно больше знать о материи. Материя состоит из атомов, которые являются основными единицами химических элементов, таких как водород, гелий или кислород. Каждый элемент имеет определенное количество атомов: водород имеет один атом; гелий имеет два атома; и так далее.

Вселенная атома сложна, так как она полна экзотических частиц, которые физики только начинают понимать. С простой точки зрения, атомы имеют частицы, которые известны как , протоны и внутри них.

Что вы получите, когда объедините теорию относительности и квантовую механику? Здесь нет шуток — просто революционная концепция, придуманная лауреатом Нобелевской премии П. Дирак после того, как он обнаружил странное несоответствие в уравнении.

В физике частиц каждый тип частицы имеет ассоциированную античастицу с той же массой, но с противоположными физическими зарядами (например, электрический заряд). Например, античастица электрона является антиэлектроном (который часто называют позитроном). В то время как электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и естественно генерируется в некоторых типах радиоактивного распада. Обратное также верно: античастицей позитрона является электрон.

Некоторые частицы, такие как фотон, являются их собственной античастицей. В противном случае для каждой пары частиц с античастицами одна обозначается как нормальная материя (из которой мы сделаны), а другая (обычно с приставкой «анти»), как в антиматерии.

Пары частицы-античастицы могут аннигилировать друг друга, производя фотоны; поскольку заряды частицы и античастицы противоположны, общий заряд сохраняется. Например, позитроны, образующиеся при естественном радиоактивном распаде, быстро аннигилируют себя электронами, производя пары гамма-лучей, процесс, используемый в позитронно-эмиссионной томографии.

Законы природы почти симметричны относительно частиц и античастиц. Например, антипротон и позитрон могут образовывать анти-водородный атом, который, как полагают, обладает теми же свойствами, что и атом водорода. Это приводит к вопросу о том, почему образование материи после Большого взрыва привело к созданию вселенной, состоящей почти целиком из материи.

Где это?

Частицы антивещества создаются в сверхскоростных столкновениях. В первые моменты после Большого Взрыва существовала только энергия. По мере того как вселенная охлаждалась и расширялась, частицы как материи, так и антиматерии были получены в равных количествах. Почему материя стала доминировать, это вопрос, который ученые еще не обнаружили.

Одна теория предполагает, что в начале было создано более нормальное вещество, чем антиматерия, так что даже после взаимной аннигиляции было достаточно нормальной материи, оставшейся для образования звезд, галактик и нас.

Открытие антиматерии

Антиматерия была впервые открыта в 1928 году английским физиком Полом Дираком, которого журнал New Scientist назвал «величайшим британским теоретиком, как сэр Исаак Ньютон».

Что именно было уравнением Дирака? Короче говоря, это было обширное расширение теории относительности Эйнштейна в сочетании с квантовой механикой так, как никогда ранее не делалось математически. Дирак обнаружил, что это уравнение учитывает существование частиц, как мы их знаем, а также противоположно заряженных частиц с магнитными моментами, противоположными моментам соответствующих частиц вещества. Он назвал эти противоположно заряженные частицы античастицами или антивеществами.

По словам журнала, Дирак объединил специальное уравнение относительности Эйнштейна (которое говорит, что свет — это самая быстрая движущаяся вещь во Вселенной) и квантовая механика (описывающая то, что происходит в атоме). Он обнаружил, что уравнение работает для электронов с отрицательным зарядом или с положительными зарядами.

Когда частицы антивещества взаимодействуют с частицами материи, они аннигилируют друг друга и производят энергию. Это привело к тому, что инженеры предположили, что двигатель на антиматерии космического аппарата может быть эффективным способом исследования Вселенной.

НАСА предупреждает, что существует огромная уловка с этой идеей: для создания миллиграмма антиматерии требуется около 100 миллиардов долларов.

«Чтобы быть коммерчески жизнеспособным, эта цена должна снизиться примерно в 10 000 раз», — пишет агентство. Выработка энергии создает еще одну головную боль: «Для создания антивещества требуется гораздо больше энергии, чем энергия, которую можно получить от реакции антивещества».

Но это не помешало НАСА и другим группам работать над улучшением технологии, чтобы сделать двигатель на антиматерии возможным.

Антивещество – это материя, состоящая исключительно из античастиц. В природе у каждой элементарной частицы есть античастица. Для электрона это будет позитрон, а для положительно заряженного протона – антипротон. Атомы обычного вещества – иначе оно называется койновещество - состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся электроны. А отрицательно заряженные ядра атомов антивещества, в свою очередь, окружены антиэлектронами.

Силы, которые определяют структуру материи, и для частиц и для античастиц одинаковы. Проще говоря, частицы различаются только знаком заряда. Характерно, что «антивещество» - не совсем верное название. Оно по сути своей лишь разновидность вещества, обладающее теми же свойствами и способное на создание притяжения.

Аннигиляция

Фактически это процесс столкновения позитрона и электрона. В результате происходит взаимоуничтожение (аннигиляция) обеих частиц с выделением огромной энергии. Аннигиляция 1 грамма антивещества эквивалентна взрыву тротилового заряда в 10 килотонн!

Синтез

В 1995 году было заявлено, что синтезированы первые девять атомов антиводорода. Они прожили 40 наносекунд и погибли, высвободив энергию. А уже в 2002 году число полученных атомов исчислялось сотнями. Но все полученные античастицы могли прожить только наносекунды. Дело изменилось с запуском адронного коллайдера: удалось синтезировать 38 атомов антиводорода и удержать их целую секунду. За этот период времени стало возможным провести некоторые исследования строения антиматерии. Удерживать частицы научились после создания специальной магнитной ловушки. В ней, для достижения нужного эффекта, создаётся очень низкая температура. Правда, такая ловушка – дело очень громоздкое, сложное и дорогое.

В трилогии С. Снегова «Люди как боги» процесс аннигиляции используется для межгалактических полётов. Герои романа, используя её, превращают в пыль звёзды и планеты. Но в наше время получить антивещество гораздо сложнее и дороже, чем прокормить человечество.

Сколько стоит антивещество

Один миллиграмм позитронов должен стоить 25 млрд. долларов. А за один грамм антиводорода придётся выложить 62,5 триллиона долларов.

Ещё не проявился такой щедрый человек, что смог бы купить хоть одну сотую грамма. Несколько сот миллионов швейцарских франков пришлось заплатить за одну миллиардную долю грамма, чтобы получить материал для экспериментальных работы по столкновению частиц и античастиц. Пока нет такой субстанции в природе, которая была бы дороже антивещества.

А вот с вопросом веса антиматерии всё достаточно просто. Поскольку она отличается от материи обычной только зарядом, то все остальные характеристики у неё те же. Получается, что один грамм антивещества будет весить именно один грамм.

Мир из антивещества

Если принять за истину, что был, то в результате этого процесса должно было возникнуть равное количества и вещества, и антивещества. Так почему же мы не наблюдаем рядом с собой объектов, состоящих из антиматерии? Ответ достаточно прост: два типа вещества не могут сосуществовать вместе. Они обязательно взаимоуничтожатся. Вполне вероятно, что галактики и даже вселенные из антивещества существуют , и мы даже видим некоторые из них. Но от них исходят такие же излучения, идёт такой же свет, как и от обычных галактик. Поэтому пока невозможно точно утверждать, существует антимир или это красивая сказка.

Опасно ли?

Многие полезные открытия человечество превращало в средства уничтожения. Антивещество в этом смысле не может быть исключением. Более мощного оружия, чем основанного на принципе аннигиляции, представить пока нельзя. Возможно, не так и плохо, что пока не получается добыть и сохранить антивещество? Не станет ли оно роковым звоночком, который услышит человечества в свой последний день?

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.