Hva er antimaterie. Hva er antimaterie? Jordens antiprotonstrålingsbelte

Nylig målte medlemmer av ALICE-samarbeidet ved CERN massene av antimateriekjerner med rekordnøyaktighet og estimerte til og med energien som binder antiprotoner til antinøytroner i dem. Så langt er det ikke funnet noen signifikant forskjell mellom disse parameterne i materie og antimaterie, men dette er ikke hovedsaken. Det er viktig at akkurat nå, de siste årene, blir ikke bare antipartikler, men også antinuklei og til og med antiatomer tilgjengelige for målinger og observasjoner. Så det er på tide å finne ut hva antimaterie er og hvilken plass forskningen tar inn moderne fysikk.

La oss prøve å gjette noen av de første antimateriespørsmålene dine.

Er det sant at antimaterie kan brukes til å lage en superkraftig bombe? Og hva, på CERN akkumulerer de faktisk antimaterie, som vist i filmen Angels and Demons, og at det er veldig farlig? Er det sant at antimaterie vil være et usedvanlig effektivt drivstoff for romfart? Er det noen sannhet i ideen om en positronisk hjerne, som Isaac Asimov ga roboter i sine verk?...

Det er ingen hemmelighet at for de fleste er antimaterie forbundet med noe ekstremt (eksplosivt) farlig, med noe mistenkelig, med noe som pirrer fantasien med fantastiske løfter og enorme risikoer – derav slike spørsmål. Vi innrømmer: Fysikkens lover forbyr ikke alt dette direkte. Imidlertid er implementeringen av disse ideene så langt fra virkeligheten, fra moderne teknologier og fra teknologiene i de kommende tiårene, at det pragmatiske svaret er enkelt: nei, for moderne verden alt dette er usant. Samtale om disse emnene er bare fantasi, basert ikke på ekte vitenskapelige og tekniske prestasjoner, men på deres ekstrapolering langt utover grensene for moderne muligheter. Hvis du vil snakke seriøst om disse temaene på alvor, kom nærmere år 2100. For nå, la oss snakke om ekte Vitenskapelig forskning antimaterie.

Hva er antimaterie?

Vår verden er ordnet på en slik måte at for hver type partikler - elektroner, protoner, nøytroner, etc. - det er antipartikler (positroner, antiprotoner, antinøytroner). De har samme masse og, hvis ustabile, samme halveringstid, men motsatte ladninger og forskjellige interaksjonstall. Positroner har samme masse som elektroner, men bare en positiv ladning. Antiprotoner har en negativ ladning. Antinøytroner er elektrisk nøytrale som nøytroner, men har motsatt baryonnummer og er sammensatt av antikvarker. Antinucleus kan settes sammen av antiprotoner og antinøytroner. Ved å legge til positroner vil vi lage anti-atomer, og ved å samle dem vil vi få antimaterie. Alt dette er antimaterie.

Og her er det umiddelbart flere nysgjerrige finesser som det er verdt å nevne. For det første er selve eksistensen av antipartikler en stor triumf for teoretisk fysikk. Denne ikke-åpenbare, og for noen, til og med sjokkerende ideen ble teoretisk utledet av Paul Dirac og ble opprinnelig oppfattet med fiendtlighet. Dessuten, selv etter oppdagelsen av positroner, tvilte mange fortsatt på eksistensen av antiprotoner. Først, sa de, kom Dirac med sin teori for å beskrive elektronet, og det er ikke sikkert at det vil fungere for protonet. For eksempel, magnetisk øyeblikk proton er flere ganger forskjellig fra prediksjonen til Diracs teori. For det andre ble spor av antiprotoner søkt i lang tid i kosmiske stråler, og ingenting ble funnet. For det tredje argumenterte de – bokstavelig talt gjentatt ordene våre – at hvis det er antiprotoner, så må det være anti-atomer, anti-stjerner og anti-galakser, og vi vil definitivt legge merke til dem fra grandiose kosmiske eksplosjoner. Siden vi ikke ser dette, er det sannsynligvis fordi antimaterie ikke eksisterer. Derfor var den eksperimentelle oppdagelsen av antiprotonet i 1955 ved den nylig lanserte Bevatron-akseleratoren et ganske ikke-trivielt resultat, tildelt Nobelprisen i fysikk i 1959. I 1956 ble antinøytronet også oppdaget ved samme akselerator. Historien om disse søkene, tvilene og prestasjonene finnes i en rekke historiske essays, for eksempel i denne rapporten eller i den nylige boken Antimaterie av Frank Close.

Det må imidlertid sies separat at en forsvarlig tvil i rent teoretiske utsagn alltid er nyttig. For eksempel er påstanden om at antipartikler har samme masse som partikler også et teoretisk resultat, det følger av det svært viktige CPT-teoremet. Ja, moderne fysikk i mikroverdenen, gjentatte ganger testet av erfaring, er bygget på denne uttalelsen. Men likevel er dette likhet: hvem vet, kanskje på denne måten finner vi grensene for teoriens anvendelighet.

En annen funksjon: ikke alle kreftene i mikroverdenen er like relatert til partikler og antipartikler. For elektromagnetiske og sterke interaksjoner er det ingen forskjell mellom dem, for svake er det. På grunn av dette er noen subtile detaljer om interaksjonene mellom partikler og antipartikler forskjellige, for eksempel sannsynlighetene for forfall av partikkel A til et sett med partikler B og anti-A til et sett med anti-B (for litt mer detaljer om forskjellene, se utvalget av Pavel Pakhov). Denne funksjonen oppstår fordi svake interaksjoner bryter CP-symmetrien til vår verden. Hvorfor dette skjer er et av mysteriene. elementærpartikler, og det krever å gå utover det kjente.

Og her er en annen subtilitet: noen partikler har så få egenskaper at antipartikler og partikler ikke skiller seg fra hverandre i det hele tatt. Slike partikler kalles virkelig nøytrale. Dette er et foton, Higgs boson, nøytrale mesoner, bestående av kvarker og antikvarker av samme type. Men situasjonen med nøytrinoer er fortsatt uklar: kanskje de er virkelig nøytrale (Majorana), eller kanskje ikke. Dette er av stor betydning for teorien som beskriver massene og interaksjonene til nøytrinoer. Svaret på dette spørsmålet vil virkelig være et stort skritt fremover, fordi det vil bidra til å håndtere strukturen i vår verden. Foreløpig har forsøket ikke sagt noe entydig om dette. Men pilotprogram Ifølge nøytrinoforskning er så kraftig at det er så mange eksperimenter at fysikere gradvis nærmer seg løsningen.

Hvor er hun, denne antimaterien?

Når en antipartikkel møter partikkelen sin, tilintetgjør den: begge partiklene forsvinner og blir til et sett med fotoner eller lettere partikler. All hvileenergi omdannes til energien til denne mikroeksplosjonen. Dette er den mest effektive transformasjonen av masse til Termisk energi, hundrevis av ganger mer effektiv enn en atomeksplosjon. Men vi ser ingen storslåtte natureksplosjoner rundt oss; Antimaterie finnes ikke i nevneverdige mengder i naturen. Imidlertid kan individuelle antipartikler godt bli født i forskjellige naturlige prosesser.

Den enkleste måten er å produsere positroner. Det enkleste alternativet er radioaktivitet, nedbrytning av noen kjerner på grunn av positiv beta-radioaktivitet. For eksempel bruker eksperimenter ofte natrium-22-isotopen med en halveringstid på to og et halvt år som kilde til positroner. En annen ganske uventet naturlig kilde- , hvor det noen ganger oppdages glimt av gammastråling fra positronutslettelse, noe som betyr at positroner på en eller annen måte ble født der.

Det er vanskeligere å lage antiprotoner og andre antipartikler: energien til radioaktivt forfall er ikke nok for dette. I naturen er de født under handlingen kosmiske stråler høye energier: et kosmisk proton, som kolliderer med et eller annet molekyl i den øvre atmosfæren, genererer strømmer av partikler og antipartikler. Dette skjer imidlertid der oppe, antiprotonene når nesten ikke jorden (som de som søkte etter antiprotoner i kosmiske stråler på 40-tallet ikke visste om), og du kan ikke ta med denne kilden til antiprotoner til laboratoriet.

I alle fysiske eksperimenter produserer antiprotoner "brute force": de tar en stråle med høyenergiprotoner, retter den mot et mål og sorterer ut "hadronklumper", som i store mengder er født i denne kollisjonen. Sorterte antiprotoner sendes ut i form av en stråle, og deretter akselereres de enten til høye energier for å kollidere med protoner (slik fungerte for eksempel den amerikanske Tevatron-kollideren), eller omvendt bremses de og brukes til finere mål.

Hos CERN, som med rette kan være stolt av sin lange historie med antimaterieforskning, er det en spesiell AD "akselerator", "Anti-Proton Moderator", som gjør nettopp det. Han tar en stråle med antiprotoner, kjøler dem ned (dvs. bremser dem), og fordeler deretter strømmen av langsomme antiprotoner over flere spesielle eksperimenter. Forresten, hvis du vil se på tilstanden til AD i sanntid, så tillater Cerns nettskjermer dette.

Syntetisering av anti-atomer, selv de enkleste, anti-hydrogen-atomer, er allerede ganske vanskelig. I naturen oppstår de ikke i det hele tatt - det er ingen egnede forhold. Selv i laboratoriet må mange tekniske vanskeligheter overvinnes før antiprotoner henger sammen med positroner. Problemet er at antiprotonene og positronene som sendes ut fra kildene fortsatt er for varme; de vil ganske enkelt kollidere med hverandre og fly fra hverandre, i stedet for å bli dannet av et antiatom. Fysikere overvinner fortsatt disse vanskelighetene, men med ganske utspekulerte metoder (som det er gjort i et av ASACUSA CERN-eksperimentene).

Hva er kjent om antinucleus?

Alle anti-kjernefysiske prestasjoner av menneskeheten refererer bare til anti-hydrogen. Antiatomer av andre grunnstoffer har ennå ikke blitt syntetisert i laboratoriet og har ikke blitt observert i naturen. Grunnen er enkel: det er enda vanskeligere å lage antinuclei enn antiprotoner.

Den eneste måten vi vet hvordan vi lager antinuclei er ved å kollidere tunge kjerner høye energier og se hva som skjer der. Hvis kollisjonsenergien er høy, vil tusenvis av partikler bli født i den og spre seg i alle retninger, inkludert antiprotoner og antinøytroner. Antiprotoner og antinøytroner, tilfeldig kastet ut i samme retning, kan kombineres med hverandre for å danne en antinucleus.

ALICE-detektoren er i stand til å skille mellom ulike kjerner og antinuklei når det gjelder energifrigjøring og vridningsretning i et magnetfelt.

Bilde: CERN

Metoden er enkel, men ikke for ineffektiv: Sannsynligheten for å smelte sammen en kjerne på denne måten synker kraftig når antallet nukleoner øker. De letteste antikjernene, antideuteronene, ble først observert for nøyaktig et halvt århundre siden. Antihelium-3 ble sett i 1971. Antitriton og antihelium-4 er også kjent, og sistnevnte ble oppdaget ganske nylig, i 2011. Tyngre antinuclei er ennå ikke observert.

To parametere som beskriver nukleon-nukleon-interaksjoner (spredningslengde f0 og effektiv radius d0) for forskjellige partikkelpar. Den røde stjernen er resultatet for et par antiprotoner oppnådd av STAR-samarbeidet.

Dessverre kan du ikke lage anti-atomer på denne måten. Antinuclei er ikke bare født sjelden, men de har også for mye energi og flyr ut i alle retninger. Det er urealistisk å prøve å fange dem ved kollideren, for så å ta dem bort gjennom en spesiell kanal og kjøle dem ned.

Noen ganger er det imidlertid nok å nøye spore antinukleiene i farten for å få interessant informasjon om de antinukleære kreftene som virker mellom antinukleonene. Det meste enkel ting er å nøyaktig måle massen av antinuklei, sammenligne den med summen av massene av antiprotoner og antinøytroner, og beregne massedefekten, dvs. bindingsenergien til kjernen. Den jobber nylig på Large Hadron Collider; bindingsenergien for antideuteron og antihelium-3 falt sammen innenfor feilen med vanlige kjerner.

En annen, mer subtil effekt ble studert av STAR-eksperimentet ved American Heavy Ion Collider RHIC. Han målte vinkelfordelingen til produserte antiprotoner og fant ut hvordan den endres når to antiprotoner flyr ut i en veldig nær retning. Korrelasjoner mellom antiprotoner gjorde det for første gang mulig å måle egenskapene til de "antinukleære" kreftene som virker mellom dem (spredningslengde og effektiv interaksjonsradius); de falt sammen med det man vet om interaksjonen mellom protoner.

Finnes det antimaterie i verdensrommet?

Da Paul Dirac utledet eksistensen av positroner fra sin teori, antok han fullt ut at et sted i verdensrommet kunne det eksistere ekte anti-verdener. Nå vet vi at det ikke finnes stjerner, planeter, galakser fra antimaterie i den synlige delen av universet. Poenget er ikke engang at utslettelseseksplosjonene ikke er synlige; det er rett og slett utenkelig hvordan de til og med kunne dannes og overleve til i dag i et univers i konstant utvikling.

Men spørsmålet "hvordan skjedde det" er et annet stort mysterium innen moderne fysikk; på vitenskapelig språk det kalles problemet med baryogenese. I følge det kosmologiske bildet av verden, i det tidligste universet av partikler og antipartikler var likt delt. Deretter, på grunn av bruddet på CP-symmetri og baryontallet, burde et lite, på nivået en milliarddel, overskudd av materie over antimaterie ha dukket opp i det dynamisk utviklende universet. Når universet ble avkjølt, ble alle antipartikler tilintetgjort med partikler, bare dette overskuddet av materie overlevde, noe som ga opphav til universet som vi observerer. Det er på grunn av ham at det i det minste er noe interessant igjen i det, det er på grunn av ham vi generelt eksisterer. Hvordan nøyaktig denne asymmetrien oppsto er ukjent. Det er mange teorier, men hvilken som er riktig er ukjent. Det er bare klart at det definitivt må være noen Ny fysikk, en teori som går utover standardmodellen, utover grensene til det eksperimentelt verifiserte.

Tre alternativer for hvor antipartikler kan komme fra i høyenergiske kosmiske stråler: 1 - de kan ganske enkelt dukke opp og akselerere i en "kosmisk akselerator", for eksempel i en pulsar; 2 - de kan bli født under kollisjoner av vanlige kosmiske stråler med atomer i det interstellare mediet; 3 - de kan oppstå under nedbrytning av tunge partikler mørk materie.

Selv om det ikke er noen planeter og stjerner laget av antimaterie, er antimaterie fortsatt til stede i verdensrommet. Flukser av positroner og antiprotoner med forskjellige energier registreres av satellittobservatorier for kosmisk stråle, som PAMELA, Fermi, AMS-02. Det at positroner og antiprotoner kommer til oss fra verdensrommet betyr at de er født et sted. Høyenergiprosesser som kan generere dem er kjent i prinsippet: dette er sterkt magnetiserte nabolag nøytronstjerner, ulike eksplosjoner, akselerasjon av kosmiske stråler ved frontene av sjokkbølger i det interstellare mediet, etc. Spørsmålet er om de kan forklare alle de observerte egenskapene til strømmen av kosmiske antipartikler. Hvis det viser seg at de ikke er det, vil dette være bevis til fordel for det faktum at noen av dem oppstår under nedbrytning eller utslettelse av mørk materiepartikler.

Også her er det et mysterium. I 2008 oppdaget PAMELA-observatoriet en mistenkelig person et stort nummer av høyenergipositroner sammenlignet med det som ble spådd teoretisk modellering. Dette resultatet ble nylig bekreftet av AMS-02-installasjonen - en av modulene til den internasjonale romstasjonen og generelt den største elementærpartikkeldetektoren som ble skutt ut i verdensrommet (og satt sammen gjett hvor? - ikke sant, ved CERN). Dette overskuddet av positroner begeistrer teoretikernes sinn – det er tross alt kanskje ikke «kjedelige» astrofysiske objekter som er ansvarlige for det, men tunge partikler av mørk materie som forfaller eller tilintetgjør til elektroner og positroner. Det er ingen klarhet ennå, men AMS-02-anlegget, så vel som mange kritiske fysikere, studerer dette fenomenet veldig nøye.

Forholdet mellom antiprotoner og protoner i kosmiske stråler av forskjellige energier. Poeng - eksperimentelle data, flerfargede kurver - astrofysiske forventninger med ulike feil.

Bilde: Cornell University Library

Situasjonen med antiprotoner er også uklar. I april i år presenterte AMS-02 på en spesiell vitenskapelig konferanse de foreløpige resultatene av en ny forskningssyklus. Hovedhøydepunktet i rapporten var påstanden om at AMS-02 ser for mange høyenergi-antiprotoner - og dette kan også være et hint om nedbrytning av mørk materiepartikler. Andre fysikere er imidlertid ikke enige i en så kraftig konklusjon. Det antas nå at AMS-02 antiprotondata, med noe strekk, også kan forklares av konvensjonelle astrofysiske kilder. På en eller annen måte ser alle frem til nye AMS-02 positron- og antiprotondata.

AMS-02 har allerede registrert millioner av positroner og en kvart million antiprotoner. Men skaperne av denne installasjonen har en lys drøm - å fange minst en anti-kjerne. Dette vil være en ekte sensasjon - det er helt utrolig at antinuclei ville bli født et sted i verdensrommet og fly til oss. Så langt er det ikke funnet noe slikt tilfelle, men datainnsamlingen fortsetter, og hvem vet hvilke overraskelser naturen forbereder oss.

Antimaterie - antigravitasjon? Hvordan føler hun til og med tyngdekraften?

Hvis vi bare stoler på eksperimentelt bevist fysikk og ikke går inn i eksotiske, ennå ikke bekreftede teorier, så burde tyngdekraften virke på antimaterie på samme måte som på materie. Det forventes ingen antigravitasjon for antimaterie. Hvis vi tillater oss å se litt lenger utover det kjente, så er rent teoretisk alternativer mulige når, i tillegg til de vanlige universelle tyngdekraft det er noe ekstra som virker forskjellig på materie og antimaterie. Uansett hvor illusorisk denne muligheten kan virke, må den verifiseres eksperimentelt, og for dette er det nødvendig å sette opp eksperimenter for å teste hvordan antimaterie føler jordens tyngdekraft.

I lang tid var det egentlig ikke mulig å gjøre dette av den enkle grunn at for dette er det nødvendig å lage individuelle atomer av antimaterie, fange dem og utføre eksperimenter med dem. Nå har de lært hvordan det skal gjøres, så den etterlengtede testen er rett rundt hjørnet.

Hovedleverandøren av resultatene er det samme CERN med sitt omfattende program for studier av antimaterie. Noen av disse eksperimentene har allerede indirekte bekreftet at antimateries tyngdekraft er i orden. For eksempel fant han at antiprotonets (treghets)masse sammenfaller med massen til protonet med en veldig høy presisjon. Hvis tyngdekraften hadde virket annerledes på antiprotoner, ville fysikere lagt merke til forskjellen – sammenligningen ble tross alt gjort i samme oppsett og under de samme forholdene. Resultatet av dette eksperimentet: effekten av tyngdekraften på antiprotoner sammenfaller med effekten på protoner med en nøyaktighet på bedre enn en milliondel.

Denne målingen er imidlertid indirekte. For større overtalelsesevne vil jeg gjøre et direkte eksperiment: ta noen få atomer med antimaterie, slipp dem og se hvordan de faller i gravitasjonsfeltet. Slike forsøk utføres eller forberedes også ved CERN. Det første forsøket var ikke særlig imponerende. I 2013 forsøkte ALPHA-eksperimentet – som da allerede hadde lært å holde en sky av antihydrogen i fellen – å finne ut hvor antiatomene ville falle hvis fellen ble slått av. Akk, på grunn av eksperimentets lave følsomhet var det ikke mulig å få et entydig svar: for kort tid hadde gått, anti-atomer suset frem og tilbake i fellen, og utslettelsesglimt oppsto her og der.

Situasjonen er lovet å bli radikalt forbedret av to andre Cern-eksperimenter: GBAR og AEGIS. Begge disse eksperimentene vil bli testet på forskjellige måter, hvordan en sky av superkaldt antihydrogen faller i gravitasjonsfeltet. Deres forventede nøyaktighet ved måling av gravitasjonsakselerasjonen til antimaterie er omtrent 1 %. Begge anleggene er for tiden under montering og feilsøking, og hovedforskningen vil begynne i 2017, når AD-antiproton-moderatoren vil bli supplert med en ny ELENA-lagringsring.

Varianter av positronadferd i fast stoff.

Bilde: nature.com

Hva skjer hvis et positron treffer materie?

Dannelse av molekylært positronium på en kvartsoverflate.

Bilde: Clifford M. Surko / Atomfysikk: En eim av antimateriesuppe

Hvis du har lest deg frem til dette punktet, vet du allerede godt at så snart en antimateriepartikkel kommer inn i vanlig materie, skjer det utslettelse: partikler og antipartikler forsvinner og blir til stråling. Men hvor fort skjer det? La oss forestille oss et positron som fløy inn fra et vakuum og gikk inn fast. Vil det tilintetgjøres ved kontakt med det første atomet? Ikke nødvendigvis! Anniligeringen av et elektron og et positron er ikke en umiddelbar prosess; det krever lang tid på atomskala. Derfor har positronen tid til å leve i materie, et lyst og fullt av ikke-trivielle hendelser liv.

For det første kan et positron plukke opp et foreldreløst elektron og danne en bundet tilstand - positronium (Ps). Med riktig spinnorientering kan positronium leve i titalls nanosekunder før utslettelse. Å være i et kontinuerlig stoff, vil det ha tid til å kollidere med atomer millioner av ganger i løpet av denne tiden, fordi den termiske hastigheten til positronium ved romtemperatur er omtrent 25 km / s.

For det andre, mens det driver i et stoff, kan positronium komme til overflaten og feste seg der - dette er en positron (eller rettere sagt, positronium) analog for adsorpsjon av atomer. Ved romtemperatur sitter han ikke på ett sted, men beveger seg aktivt på overflaten. Og hvis dette ikke er en ytre overflate, men en pore på nanometerstørrelse, er positronium fanget i den i lang tid.

Dessuten. I standardmaterialet for slike eksperimenter, porøs kvarts, er ikke porene isolert, men forenes av nanokanaler til et felles nettverk. Varmt positronium, som kryper over overflaten, vil ha tid til å undersøke hundrevis av porer. Og siden det dannes mye positronium i slike eksperimenter og nesten alle kryper ut i porene, snubler de før eller siden over hverandre og, i samspill, danner de noen ganger virkelige molekyler - molekylært positronium, Ps 2. Videre er det allerede mulig å studere hvordan positroniumgassen oppfører seg, hvilke eksiterte tilstander positroniumet har osv. Og tro ikke at dette er rent teoretisk resonnement; Alle de listede effektene er allerede verifisert og studert eksperimentelt.

Har antimaterie praktiske anvendelser?

Selvfølgelig. Generelt vil enhver fysisk prosess, hvis den åpner for oss en viss ny faset av vår verden og ikke krever noen ekstra kostnader, helt sikkert finne praktiske applikasjoner. Dessuten slike applikasjoner som vi selv ikke ville ha gjettet hvis vi ikke hadde oppdaget og studert den vitenskapelige siden av dette fenomenet på forhånd.

Den mest kjente anvendelsen av antipartikler er PET, positronemisjonstomografi. Generelt kl kjernefysikk det er en imponerende merittliste for medisinske applikasjoner, og antipartikler har heller ikke vært inaktive her. I PET injiseres en liten dose av et medikament som inneholder en ustabil isotop med kort levetid (minutter og timer) og som råtner på grunn av positivt beta-forfall i pasientens kropp. Stoffet akkumuleres i riktig vev, kjernene forfaller og avgir positroner, som tilintetgjør i nærheten og gir ut to gamma-kvanter av en viss energi. Detektoren registrerer dem, bestemmer retningen og tidspunktet for deres ankomst, og gjenoppretter stedet der forfallet skjedde. På denne måten er det mulig å konstruere et tredimensjonalt kart over fordeling av materie med høy romlig oppløsning og med minimum stråledose.

Positroner kan også brukes i materialvitenskap, for eksempel for å måle porøsiteten til et stoff. Hvis saken er kontinuerlig, utslettes positronene som sitter fast i materien på tilstrekkelig dybde ganske raskt og avgir gamma-kvanter. Hvis det er nanoporer inne i stoffet, forsinkes utslettelse fordi positronium fester seg til overflaten av poren. Ved å måle denne forsinkelsen kan man finne ut graden av nanoporositet til et stoff ved ikke-kontakt og ikke-destruktiv metode. Som en illustrasjon på denne teknikken er det et nylig arbeid med hvordan nanoporer oppstår og strammer seg i det tynneste islaget når damp avsettes på overflaten. En lignende tilnærming fungerer også i studiet av strukturelle defekter i halvlederkrystaller, slik som ledige stillinger og dislokasjoner, og gjør det mulig å måle den strukturelle utmattelsen til et materiale.

Medisinske anvendelser kan også finnes for antiprotoner. Nå på samme CERN gjennomføres ACE-eksperimentet, som studerer effekten av antiprotonstrålen på levende celler. Målet er å studere utsiktene for bruk av antiprotoner for behandling av kreftsvulster.

Energifrigjøring av en ionestråle og røntgenstråler når den passerer gjennom et stoff.

Bilde: Johannes Gutleber/CERN

Denne ideen kan skremme leseren av vane: hvordan så, med en antiprotonstråle - og for en levende person ?! Ja, og det er mye tryggere enn å røntgenfotografere en dyp svulst! En antiprotonstråle med spesielt utvalgt energi blir et effektivt verktøy i hendene på kirurgen, ved hjelp av hvilket det er mulig å brenne ut svulster dypt inne i kroppen og minimere påvirkningen på omkringliggende vev. I motsetning til røntgenstråler, som brenner alt som kommer under strålen, frigjør tunge ladede partikler på vei gjennom stoffet hoveddelen av energien de siste centimeterne før de stopper. Ved å stille inn energien til partiklene kan man variere dybden partiklene stopper ved; det er på dette området på størrelse med millimeter at hovedstrålingseffekten vil falle.

Slik protonstrålebehandling har lenge vært brukt i mange velutstyrte klinikker rundt om i verden. I I det siste noen av dem går over til ioneterapi, som bruker en stråle av ikke protoner, men karbonioner. For dem er energifrigjøringsprofilen enda mer kontrast, noe som betyr at effektiviteten til paret "terapeutisk effekt mot bivirkninger" øker. Men det har lenge vært foreslått å prøve antiprotoner også for dette formålet. Tross alt, når de kommer inn i stoffet, gir de ikke bare opp sin kinetiske energi, men tilintetgjør også etter å ha stoppet - og dette øker energifrigjøringen flere ganger. Hvor denne ekstra energifrigjøringen avsettes er et komplekst problem, og det må studeres nøye før du starter kliniske studier.

Dette er nøyaktig hva ACE-eksperimentet gjør. I løpet av den passerer forskere en stråle av antiprotoner gjennom en kyvette med en bakteriekultur og måler deres overlevelse avhengig av plasseringen, parametrene til strålen, og på fysiske egenskaper miljø. En slik metodisk og kanskje ganske kjedelig innsamling av tekniske data er viktig Første etappe enhver ny teknologi.

Igor Ivanov

En liten kolliderer i New York kalles relativistisk, den akselererer partikler opp til 300 tusen kilometer per sekund. Men før forskerne utbrøt «Eureka», kolliderte gullionene hundrevis av millioner ganger. Det er alltid slik i vitenskapen, store nyheter er forberedt i årevis.

Frontkollisjonen av ioner fører til slike temperaturer at solen, sammenlignet med dem, virker som en romvarmer. Brookhaven Lab Collider har registrert 4 billioner grader, dette er en universell rekord! Solen er 250 tusen ganger kaldere.

"Vi prøver å reprodusere universets tilstand noen få millisekunder etter Big Bang. Da kan vi forstå hvordan partiklene materialiserte seg," forklarer Hank Crawford, leder av Star Science Community Council.

Forskere sammenligner det nyfødte universet etter Big Bang med en slags suppe. Nå prøver de å nøste opp hvordan urmassen ble til alt som omgir oss.

"Noen ganger tenker vi ikke på det faktum at i et fullstendig symmetrisk og perfekt univers ville det rett og slett ikke være noe sted for oss. Hvis det tidlige universet hadde produsert samme mengde materie og antimaterie, ville utslettelse ha skjedd og universet bare bestod av av stråling, sier Dmitry Kharzeev, forsker ved Brookhaven National Laboratory, medlem av Star vitenskapelige miljø.

Hvorfor skjedde ikke dette? Hva og hvordan brøt den universelle symmetrien? Hvorfor mennesker, fjell og hav er laget av materie, og ikke laget av det speilende refleksjon- antimaterie. Hvor forsvant hun?

Svaret nærmer seg, fordi den «merkelige kjernen av antimaterie» som inneholder tidligere usett «merkelige kvarker» er det tyngste fragmentet av antiverdenen, som vår også kunne bestå av. Materie og antimaterie er svært like i egenskaper.

"Hvis vi kunne gjenta Big Bang igjen, bestod vi kanskje av antimaterie og ble overrasket over materiens mystiske egenskaper," sier Dmitrij Kharzeev.

Mysteriet ligger også i det faktum at antimaterie ikke bare er ekstremt vanskelig å finne, men også umulig å redde. Vårt univers og anti-universet oppfører seg aggressivt når de møtes.

"Det vil bare være en frigjøring av elektromagnetisk atomenergi," sier Alexei Lebedev, en forsker ved Brookhaven National Laboratory.

I nærheten av kollideren, i tilfelle det er installert tegn på radioaktiv fare rundt - tykke betongvegger. atomeksplosjoner, om enn nanostørrelse - dette er rutinearbeidet til akseleratoren og forskerne. Hver av dem, inkludert rundt 60 russiske forskere, er nå medforfattere av en oppdagelse i kosmisk skala med et bredere perspektiv.

"Det er en hypotese om at antimaterie kan brukes som en energikilde, kanskje om tusenvis av år. Men så langt er vi ikke sikre på dette," oppsummerer Hank Crawford.

Antimaterie har lenge vært gjenstand for science fiction. I boken og filmen Angels & Demons prøver professor Langdon å redde Vatikanet fra en antimateriebombe. Star Treks Enterprise-romfartøy bruker en tilintetgjørende antimateriemotor for reiser raskere hastighet Sveta. Men antimaterie er også gjenstand for vår virkelighet. Antimateriepartikler er praktisk talt identiske med sine materielle motstykker, bortsett fra at de har motsatt ladning og spinn. Når antimaterie møter materie, utslettes de øyeblikkelig til energi, og dette er ikke lenger fiksjon.

Selv om antimateriebomber og skip basert på samme drivstoff ennå ikke ser ut til å være mulig i praksis, er det mange fakta om antimaterie som vil overraske deg eller tillate deg å friske opp det du allerede visste.

1 Antimaterie burde ha ødelagt all materie i universet etter Big Bang

Ifølge teorien skapte Big Bang materie og antimaterie i like mengder. Når de møtes er det gjensidig utslettelse, utslettelse, og bare ren energi gjenstår. Ut fra dette burde vi ikke eksistere.

Men vi eksisterer. Og så vidt fysikere vet, er dette fordi for hver milliard par materie-antimaterie var det én ekstra partikkel av materie. Fysikere prøver sitt beste for å forklare denne asymmetrien.

2 Antimaterie er nærmere deg enn du tror

Små mengder antimaterie regner stadig ned på jorden i form av kosmiske stråler, energiske partikler fra verdensrommet. Disse antimateriepartiklene når atmosfæren vår i nivåer fra én til over hundre pr kvadratmeter. Forskere har også bevis på at antimaterie produseres under tordenvær.

Det er andre kilder til antimaterie som er nærmere oss. Bananer genererer for eksempel antimaterie ved å sende ut ett positron - antimaterieekvivalenten til et elektron - omtrent en gang hvert 75. minutt. Dette er fordi bananer inneholder små mengder kalium-40, en naturlig forekommende isotop av kalium. Nedbrytningen av kalium-40 produserer noen ganger et positron.

Kroppen vår inneholder også kalium-40, noe som betyr at du også avgir positroner. Antimaterie tilintetgjør umiddelbart ved kontakt med materie, så disse antimateriepartiklene lever ikke særlig lenge.

3 mennesker har laget veldig lite antimaterie

Utslettelse av antimaterie og materie har potensial til å frigjøre enorme mengder energi. Et gram antimaterie kan produsere en eksplosjon på størrelse med atombombe. Folk har imidlertid ikke produsert mye antimaterie, så det er ingenting å være redd for.

Alle antiprotonene som lages ved Fermi Laboratorys Tevatron-partikkelakselerator er knapt 15 nanogram. Ved CERN er det til dags dato bare produsert omtrent 1 nanogram. I DESY i Tyskland - ikke mer enn 2 nanogram positroner.

Hvis all antimaterie skapt av mennesker utslettes umiddelbart, vil energien ikke engang være nok til å koke en kopp te.

Problemet ligger i effektiviteten og kostnadene ved å produsere og lagre antistoff. Å lage 1 gram antimaterie krever omtrent 25 millioner milliarder kilowattimer med energi og koster over en million milliarder dollar. Ikke overraskende er antimaterie noen ganger inkludert i listen over de ti dyreste stoffene i vår verden.

4. Det er noe slikt som en antimateriefelle.

For å studere antimaterie, må du forhindre at den tilintetgjøres med materie. Forskere har funnet flere måter å gjøre dette på.

Ladede partikler av antistoff, som positroner og antiprotoner, kan lagres i såkalte Penning-feller. De er som bittesmå partikkelakseleratorer. Inne i dem beveger partikler seg i en spiral mens magnetiske og elektriske felt hindrer dem i å kollidere med veggene i fellen.

Penning-feller fungerer imidlertid ikke for nøytrale partikler som antihydrogen. Siden de ikke har noen ladning, kan disse partiklene ikke begrenses elektriske felt. De holdes i Ioffe-feller som fungerer ved å skape et område i rommet der magnetfeltet blir sterkere i alle retninger. Antimateriepartikler setter seg fast i området med det svakeste magnetfeltet.

Jordens magnetfelt kan fungere som antimateriefeller. Antiprotoner er funnet i visse soner rundt jorden - Van Allen-strålingsbeltene.

5. Antimaterie kan falle (bokstavelig talt)

Materie og antimateriepartikler har samme masse, men har forskjellige egenskaper som elektrisk ladning og spinn. Standardmodellen spår at tyngdekraften skal ha samme effekt på materie og antimaterie, men dette gjenstår å se med sikkerhet. Eksperimenter som AEGIS, ALPHA og GBAR jobber med dette.

Å observere gravitasjonseffekten i antimaterie er ikke så lett som å se et eple falle fra et tre. Disse eksperimentene krever å holde antimaterie fanget eller bremse den ved å avkjøle den til temperaturer like over absolutt null. Og siden tyngdekraften er den svakeste av de grunnleggende kreftene, må fysikere bruke nøytrale antimateriepartikler i disse eksperimentene for å forhindre interaksjon med den kraftigere kraften til elektrisitet.

6. Antimaterie studeres i partikkelmoderatorer

Har du hørt om partikkelakseleratorer, men har du hørt om partikkelmoderatorer? CERN har en maskin kalt Antiproton Decelerator, der antiprotoner fanges og bremses ned for å studere deres egenskaper og oppførsel.

I partikkelakseleratorringer som Large Hadron Collider får partikler en energisk boost hver gang de fullfører en sirkel. Moderatorene jobber på motsatt måte: i stedet for å spre partiklene, skyves de i motsatt retning.

7 nøytrinoer kan være deres egne antipartikler

En materiepartikkel og dens antimaterielle partner har motsatte ladninger, noe som gjør det enkelt å skille mellom dem. Nøytrinoer, nesten masseløse partikler som sjelden interagerer med materie, har ingen ladning. Forskere tror de kan være Majorana-partikler, en hypotetisk klasse av partikler som er deres egne antipartikler.

Prosjekter som Majorana Demonstrator og EXO-200 tar sikte på å finne ut om nøytrinoer faktisk er Majorana-partikler ved å observere oppførselen til såkalt nøytrinoløst dobbelt beta-forfall.

Noen radioaktive kjerner forfaller samtidig, og sender ut to elektroner og to nøytrinoer. Hvis nøytrinoer var deres egne antipartikler, ville de utslettet etter et binært forfall, og forskerne ville bare bli overlatt til å observere elektroner.

Søket etter Majorana-nøytrinoer kan bidra til å forklare hvorfor det er en materie-antimaterie-asymmetri. Fysikere foreslår at Majorana-nøytrinoer kan være enten tunge eller lette. Lungene eksisterer i vår tid, og tunge eksisterte umiddelbart etter det store smellet. Tunge Majorana-nøytrinoer forfalt asymmetrisk, noe som resulterte i en liten mengde materie som fylte universet vårt.

8 Antimaterie brukes i medisin

PET, PET (Positron Emission Topography) bruker positroner til å produsere høyoppløselige bilder av kroppen. Positron-avgivende radioaktive isotoper (som de vi fant i bananer) fester seg til kjemikalier som glukose, som finnes i kroppen. De injiseres i blodet, hvor de naturlig forfaller og avgir positroner. De møter på sin side elektronene i kroppen og tilintetgjør. Utslettelse produserer gammastråler som brukes til å bygge bildet.

Forskere ved CERNs ACE-prosjekt studerer antimaterie som en potensiell kandidat for kreftbehandling. Leger har allerede funnet ut at de kan rette stråler av partikler mot svulster som sender ut energien deres først etter at de trygt har passert sunt vev. Bruk av antiprotoner vil legge til et ekstra energiutbrudd. Denne teknikken har vist seg effektiv i behandling av hamstere, men har ennå ikke blitt testet på mennesker.

9 Antimaterie kan lure i verdensrommet

En måte forskere prøver å løse asymmetriproblemet mellom materie og antimaterie, er å lete etter antimaterie som er igjen fra Big Bang.

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) er en partikkeldetektor plassert ved International romstasjon og leter etter slike partikler. AMS inneholder magnetiske felt som bøyer banen kosmiske partikler og skille materie fra antimaterie. Detektorene må oppdage og identifisere slike partikler når de passerer.

Kollisjoner av kosmiske stråler produserer vanligvis positroner og antiprotoner, men sannsynligheten for å skape et antiheliumatom er fortsatt ekstremt liten på grunn av den gigantiske energimengden som kreves for denne prosessen. Dette betyr at observasjon av bare én kjerne av antihelium ville være kraftig bevis for eksistensen av en gigantisk mengde antimaterie andre steder i universet.

10 personer lærer faktisk å drive romfartøy med antimateriedrivstoff

Bare en liten bit av antimaterie kan produsere enorme mengder energi, noe som gjør det til et populært drivstoff for futuristiske science fiction-skip.

Rakettfremdrift på antimaterie er hypotetisk mulig; hovedbegrensningen er å samle nok antimaterie til å få dette til.

Så langt er det ingen teknologi for masseproduksjon eller innsamling av antistoff i nødvendige mengder for en slik applikasjon. Forskere jobber imidlertid med å imitere slik bevegelse og lagring av nettopp denne antimaterie. En dag, hvis vi finner en måte å produsere store mengder antimaterie på, kan forskningen deres bidra til å gjøre interstellare reiser til en realitet.

ANTIMATER
et stoff som består av atomer hvis kjerner har en negativ elektrisk ladning og er omgitt av positroner - elektroner med positiv elektrisk ladning. I vanlig materie, som verden rundt oss er bygget av, er positivt ladede kjerner omgitt av negativt ladede elektroner. Vanlig materie, for å skille den fra antimaterie, kalles noen ganger koinsubstans (fra gresk koinos - vanlig). Imidlertid brukes dette begrepet praktisk talt ikke i russisk litteratur. Det skal understrekes at begrepet "antimaterie" ikke er helt korrekt, siden antimaterie også er materie, dens variasjon. Antimaterie har de samme treghetsegenskapene og skaper samme gravitasjonsattraksjon som vanlig materie. Når vi snakker om materie og antimaterie, er det logisk å starte med elementære (subatomære) partikler. Hver elementær partikkel tilsvarer en antipartikkel; begge har nesten de samme egenskapene, bortsett fra at de har motsatt elektrisk ladning. (Hvis partikkelen er nøytral, så er antipartikkelen også nøytral, men de kan avvike i andre egenskaper. I noen tilfeller er partikkelen og antipartikkelen identiske med hverandre.) Dermed tilsvarer et elektron - en negativt ladet partikkel - en positron, og antipartikkelen til et proton med positiv ladning er et negativt ladet antiproton. Positronet ble oppdaget i 1932 og antiprotonet i 1955; disse var de første av de oppdagede antipartiklene. Eksistensen av antipartikler ble spådd i 1928 basert på kvantemekanikk Engelsk fysiker P. Dirac. Når et elektron og et positron kolliderer, tilintetgjør de, d.v.s. begge partiklene forsvinner, og to gamma-kvanter sendes ut fra kollisjonspunktet. Hvis de kolliderende partiklene beveger seg med lav hastighet, er energien til hver gammastråle 0,51 MeV. Denne energien er "hvileenergien" til elektronet, eller dets hvilemasse, uttrykt i energienheter. Hvis de kolliderende partiklene beveger seg i høy hastighet, vil energien til gammastråler være større på grunn av deres kinetisk energi. Utslettelse skjer også når et proton kolliderer med et antiproton, men prosessen i dette tilfellet er mye mer komplisert. En rekke kortlivede partikler blir født som mellomprodukter av interaksjonen; etter noen få mikrosekunder gjenstår imidlertid nøytrinoer, gamma-kvanter og et lite antall elektron-positron-par som sluttproduktene av transformasjoner. Disse parene kan til slutt utslettes, og skape ytterligere gammastråler. Utslettelse skjer også når et antinøytron kolliderer med et nøytron eller proton. Siden antipartikler eksisterer, oppstår spørsmålet om antinuclei kan dannes fra antipartikler. Kjernene til atomer av vanlig materie består av protoner og nøytroner. Den enkleste kjernen er den til den vanlige hydrogenisotopen 1H; det er et enkelt proton. 2H deuteriumkjernen består av ett proton og ett nøytron; det kalles en deuteron. Et annet eksempel på en enkel kjerne er 3He-kjernen, som består av to protoner og ett nøytron. Antideuteronet, bestående av et antiproton og et antinøytron, ble anskaffet i laboratoriet i 1966; anti-3He-kjernen, bestående av to antiprotoner og ett antinøytron, ble først oppnådd i 1970. I følge moderne partikkelfysikk, i nærvær av passende tekniske midler det ville være mulig å oppnå antinuklei av alle vanlige kjerner. Hvis disse antikjernene er omgitt av riktig antall positroner, danner de antiatomer. Anti-atomer ville ha nesten nøyaktig de samme egenskapene som vanlige atomer; de ville danne molekyler, de kunne dannes solide kropper, væsker og gasser, inkludert organisk materiale. For eksempel kan to antiprotoner og en antioksygenkjerne, sammen med åtte positroner, danne et antivannmolekyl som ligner på vanlig vann H2O, hvor hvert molekyl består av to protoner av hydrogenkjerner, en oksygenkjerne og åtte elektroner. Moderne partikkelteori er i stand til å forutsi at antivann vil fryse ved 0°C, koke ved 100°C og ellers oppføre seg som vanlig vann. Hvis vi fortsetter med et slikt resonnement, kan vi komme til den konklusjonen at antistoffet bygget av antimaterie ville være ekstremt likt den vanlige verden rundt oss. Denne konklusjonen fungerer som utgangspunkt for teorier om et symmetrisk univers basert på antakelsen om at universet har like mye vanlig materie og antimaterie. Vi lever i den delen av den, som består av vanlig materie. Hvis to identiske stykker av stoffer av motsatt type bringes i kontakt, vil utslettelse av elektroner med positroner og kjerner med antinuclei skje. I dette tilfellet vil det oppstå gamma-kvanter, ved utseendet som man kan bedømme hva som skjer. Siden jorden per definisjon er sammensatt av vanlig materie, er det ingen nevneverdig mengde antimaterie i den, bortsett fra det lille antallet antipartikler som produseres i store akseleratorer og i kosmiske stråler. Det samme gjelder alle solsystemet. Observasjoner viser at bare en begrenset mengde gammastråling forekommer i vår galakse. Fra dette konkluderer en rekke forskere med at det ikke er merkbare mengder antimaterie i den. Men denne konklusjonen er ikke udiskutabel. Det er foreløpig ingen måte å avgjøre for eksempel om en gitt nærliggende stjerne fra materie eller antimaterie; en antimateriestjerne sender ut nøyaktig det samme spekteret som en vanlig stjerne. Videre er det fullt mulig at det forsjeldne stoffet som fyller rommet rundt stjernen og er identisk med selve stjernen, er skilt fra områdene fylt med stoff av motsatt type - veldig tynne høytemperatur "Leidenfrost-lag". Dermed kan man snakke om en "cellulær" struktur av interstellart og intergalaktisk rom, der hver celle inneholder enten materie eller antimaterie. Denne hypotesen støttes av moderne forskning som viser at magnetosfæren og heliosfæren (interplanetarisk rom) har en cellulær struktur. Celler med ulik magnetisering og noen ganger også med ulik temperatur og tetthet er atskilt med svært tynne strømkapper. Derfor følger den paradoksale konklusjonen at disse observasjonene ikke motsier eksistensen av antimaterie selv i vår galakse. Hvis det tidligere ikke var noen overbevisende argumenter til fordel for eksistensen av antimaterie, har suksessene til røntgen- og gammaastronomi nå endret situasjonen. Fenomener forbundet med en enorm og ofte i høyeste grad tilfeldig frigjøring av energi. Mest sannsynlig var kilden til slik energifrigjøring utslettelse. Den svenske fysikeren O. Klein utviklet en kosmologisk teori basert på hypotesen om symmetri mellom materie og antimaterie, og kom til den konklusjon at tilintetgjøringsprosesser spiller en avgjørende rolle i universets utvikling og dannelsen av strukturen til galakser.
Det blir mer og mer åpenbart at hovedalternativteorien – «big bang»-teorien – seriøst motsier observasjonsdata, og «symmetrisk kosmologi» vil sannsynligvis ta en sentral plass i løsningen av kosmologiske problemer i nær fremtid. Antimateriens rolle i kosmologiens problemer er tema for forfatterens bok Worlds - Antiworlds: Antimatter in Cosmology (1966).
se også
KOSMOLOGI;
ELEMENTERE Partikler.
LITTERATUR
Weinberg S. De første tre minuttene. M., 1981 Silk J. Big bang. M., 1982 Davis P. Superpower; Søk enhetlig teori natur. M., 1989

Collier Encyclopedia. – Åpent samfunn. 2000 .

Synonymer:

Se hva "ANTI-MATTER" er i andre ordbøker:

Antimaterie... Staveordbok

antimaterie- antimaterie/, a/ … slått sammen. Fra hverandre. Gjennom en bindestrek.

EN; jfr. Phys. Materie bygget av antipartikler. ◁ Antimateriale, oh, oh. * * * Antimaterie er materie bygget av antipartikler. Kjernene til antimaterieatomer er sammensatt av antiprotoner og antinøytroner, og atomskjell bygget av positroner. encyklopedisk ordbok

Antimaterie er et stoff som består av antipartikler. Innhold 1 Egenskaper 2 Få 3 Cost ... Wikipedia

ANTIMATE Materie består av antipartikler. Kjernene til antimaterieatomer består av antiprotoner og antinøytroner, og elektronenes rolle spilles av positroner. Det antas at i de første øyeblikkene av dannelsen av universet, antimaterie og materie ... ... Moderne leksikon

Materie bygget av antipartikler. Kjernene til antimaterieatomer er sammensatt av antiprotoner og antinøytroner, og atomskallene er bygget av positroner. Ansamlinger av antimaterie i universet er ennå ikke oppdaget. På ladede partikkelakseleratorer oppnådd ... ... Stor encyklopedisk ordbok

ANTI-MATTER, et stoff som består av antipartikler, identisk med vanlige partikler i alle henseender, bortsett fra ELEKTRISK LADE, SPINN OG MAGNETISK MOMENT, som de har motsatt fortegn. Når en antipartikkel, for eksempel et positron... ... Vitenskapelig og teknisk encyklopedisk ordbok

ons Materie dannet fra antipartikler (i fysikk). Forklarende ordbok til Ephraim. T. F. Efremova. 2000... Moderne forklarende ordbok for det russiske språket Efremova

Materie bygget av antipartikler. Atomkjernene i va består av protoner og nøytroner, og elektronene danner skallene til atomer. I A. består kjerner av antiprotoner og antinøytroner, og plassen til elektroner i deres skall er okkupert av positroner. I følge moderne teorier, gift... Fysisk leksikon

Eksist., antall synonymer: 1 antimaterie (2) ASIS Synonym Dictionary. V.N. Trishin. 2013 ... Synonymordbok

ANTIMATER- materie som består av (se). Spørsmålet om utbredelsen av A. i universet er fortsatt åpent ... Great Polytechnic Encyclopedia

Bøker

• Univers i bakspeilet. Var Gud høyrehendt? Eller skjult symmetri, antimaterie og Higgs-bosonet, Goldberg, Dave. Liker du ikke fysikk? Du har bare ikke lest Dave Goldbergs bøker! Denne boken vil introdusere deg til et av de mest spennende emnene i moderne fysikk - grunnleggende symmetrier. Tross alt, i vår …

Nesten alt vi oppdager på jorden og ved hjelp av kunstige satellitter er materie. Antimaterie oppnås på jorden ved hjelp av høyenergiakseleratorer. Således ble for eksempel antiprotoner, antideuteron, antihelium og antiatomer oppnådd.
Direkte observasjon av antimaterie ved astronomiske metoder er umulig, fordi fotoner produsert ved interaksjon av antimateriepartikler med hverandre kan ikke skilles fra fotoner produsert av interaksjon av materiepartikler. Årsaken er at fotonet er en virkelig nøytral partikkel og. I prinsippet kan materie skilles fra antimaterie ved å observere nøytrinoer ν og antinøytrinoer, men slike observasjoner er foreløpig urealistiske.
Hvis det var områder i jordens nærmiljø hvor antimaterie dominerte, skulle dette manifestere seg i form av utslettelse γ-kvanter, som dannes under utslettelse av materie og antimaterie. Kosmiske stråler er et viktig argument til fordel for materiens overvekt over antimaterie. De er partikler av materie - protoner, elektroner, atomkjerner laget av protoner og nøytroner.
Dannelsen av antimateriepartikler observeres som et resultat av samspillet mellom høyenergipartikler av kosmisk stråling med jordens atmosfære. Antipartikler dannes i områder med økt konsentrasjon av energi. For eksempel skjer dannelsen av antipartikler i kjernene til aktive galakser. Som regel vises antimateriepartikler i slike tilfeller sammen med materiepartikler. Det neste trinnet er dannelsen og utslettelse av partikler av materie og antimaterie. For eksempel kan et foton med en energi større enn 1 MeV danne et elektron-positron-par i feltet til en atomkjerne. Det resulterende positronet tilintetgjør ved møte med et elektron, og danner oftere 2 og sjeldnere 3 y-kvanter.
Problemet med eksistensen av antimaterie i universet er et grunnleggende fysikkproblem, som er forbundet med problemet med dannelsen og utviklingen av universet.
Eksistere ulike hypoteser om hvorfor det observerbare universet nesten utelukkende består av materie. Er det områder i universet der antimaterie dominerer? Kan antimaterie brukes? Årsaken til den tilsynelatende asymmetrien mellom materie og antimaterie i det synlige universet er et av de største uløste mysteriene i moderne fysikk. Prosessen der denne asymmetrien mellom partikler og antipartikler oppstår kalles baryogenese.
Fram til 1950-tallet var det rådende synet at universet hadde samme mengde materie og antimaterie. Men på midten av 1960-tallet rystet arbeidet innen Big Bang-teorien dette synet. Faktisk, hvis antallet partikler og antipartikler i de første øyeblikkene av eksistensen av et varmt og tett univers var det samme, ville deres utslettelse føre til det faktum at bare stråling ville forbli i universet. For tiden er de fleste fysikere enige om at som et resultat av CP-brudd i universet, i de første øyeblikkene av utviklingen av partikler, ble det dannet litt mer enn antipartikler - omtrent en partikkel per 10 9 partikkel-antipartikkel-par. Som et resultat, etter utslettelse, var det et lite antall partikler igjen.
En annen mulighet for å forklare materiens dominans i det "nære" universet er å anta at antimaterie er konsentrert i de langt dårlig utforskede områdene av universet. I 1979 foreslo Floyd Stecker at asymmetrien mellom materie og antimaterie kunne oppstå spontant i de første øyeblikkene etter Big Bang, da materie og antimaterie fløy fra hverandre.
Siden elektromagnetisk stråling interagerer på samme måte med både materie og antimaterie, vil planeter, stjerner og galakser fra materie og antimaterie inn i elektromagnetisk stråling ser likt ut. Derfor trengs andre metoder for å søke etter antimaterie i universet. En slik metode er observasjon av antinuklei i verdensrommet. Dette bør være antinuklei med massetall A > 4. Hvis det var mulig å oppdage antiheliumkjerner nær Jorden, ville vi fått sterke nok bevis til fordel for eksistensen av regioner med høyt innhold av antimaterie i universet.
Hvorfor skal man se etter antiheliumkjerner eller tyngre kjerner for å søke etter antimaterie? Faktum er at antiprotoner kan dannes ved interaksjon av ultrarelativistiske protoner eller andre kjerner av kosmiske stråler. Energispekteret til slike antiprotoner (vanligvis referert til som sekundære) bør vise et bredt maksimum i området 2 GeV. Andre kilder til antiprotoner, som kalles primære, kan være utslettelse av hypotetiske supersymmetriske partikler, som mørk materie skal bestå av - nøytralinoer og/eller fordampning av "primære" sorte hull. Parutslettelse av nøytralinoer kan føre til dannelsen av kvark-antikvark-jetfly, etterfulgt av deres hadronisering og dannelse av antiprotoner. Primordiale sorte hull kan dannes i tidlig univers. Slike sorte hull med en masse på 10 14-15 kan fordampe partikler ganske intensivt (Hawking-stråling). Bidraget til slike primære antiprotoner til det registrerte energispekteret kan forsøkes påvist i lavenergiområdet< 1 ГэВ.
Strømmen av sekundære antiprotoner kan estimeres avhengig av den aksepterte modellen av Galaxy. Den når et maksimum ved en energi på ~10 GeV. I området av energier opp til flere hundre GeV, er det et håp om å få informasjon om både baryogenese og/eller utslettelse av supersymmetriske partikler og/eller WIMPs av spekterets natur.
Dannelsen av antideuteroner under påvirkning av kosmiske stråler er mye mindre sannsynlig. Spekteret til sekundære antideuteroner bør flyttes til høyere energier sammenlignet med spekteret av sekundære antiprotoner og raskt avta med avtagende energi. For primordiale antideuteroner produsert ved tilintetgjøring av mørk materiepartikler og/eller fordampning av primordiale sorte hull, forventes maksimum av spekteret ved energien< 1 ГэВ. Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо разделены.
Sannsynligheten for dannelse av antiheliumkjerner under påvirkning av kosmiske stråler er forsvinnende liten. For dette må to antiprotoner og to antinøytroner dannes på ett sted og nesten samtidig, og deres relative hastigheter må være små. I 1997 estimerte Pascal Chardonnet sannsynligheten for en slik hendelse. Ifølge hans estimater kan det dannes én antiheliumkjerne per 10 15 ultrarelativistiske kosmiske stråleprotoner. Gjennomsnittlig ventetid for en slik hendelse er 15 milliarder år, som kan sammenlignes med universets alder.
Hvis det i universet på et tidlig stadium av utviklingen faktisk ble dannet områder i rommet der materie eller antimaterie dominerer, bør de skilles, fordi. På grensen til disse områdene dannes et lett trykk, som skiller materie og antimaterie. Utslettelse bør finne sted på grensen mellom regionene med materie og antimaterie, og følgelig bør utslettingsgamma-kvanter sendes ut. Moderne gammastråleteleskoper oppdager imidlertid ikke slik stråling. Basert på følsomheten til teleskopene ble det gjort estimater. Ifølge dem kan antimaterieregioner ikke være nærmere enn 65 millioner lysår. Dermed er det ingen slike områder ikke bare i vår galakse, men også i vår galaksehop, som inkluderer, i tillegg til Melkeveien ytterligere 50 andre galakser.
Registrering av antiheliumkjerner dannet på slike avstander er et komplekst problem. Det er ikke så lett for en antiheliumkjerne å nå detektoren fra så lang avstand og bli registrert. Spesielt kan den "vikle seg inn" i galaktiske og intergalaktiske magnetfelt og dermed aldri fly langt fra dannelsesstedet. I tillegg vil antihelium hele tiden stå i fare for utslettelse. Og til slutt, detektoren er ikke et for stort mål til å enkelt treffes fra en så gigantisk avstand. Derfor er deteksjonseffektiviteten til antiheliumkjerner ekstremt lav.
Under forholdene til antihelium "reise" er det mye usikkerhet, som ikke tillater oss å estimere sannsynligheten for å oppdage kjerner. Det er alltid en mulighet for at hvis detektoren var litt mer følsom, ville oppdagelsen skje.
Det er bare klart at "reise"-tiden til en antikjerne med liten energi kan være mindre enn tiden for universets eksistens. Derfor er det nødvendig å jakte på antinuclei med høy energi. I tillegg er det mer sannsynlig at slike kjerner overvinner den galaktiske kosmiske vinden.
Når det gjelder positroner og antiprotoner, kan de også sendes ut av hypotetiske områder av antimaterie og bidra til spektrene som måles nær jorden. Sammenlignet med antiprotoner er positroner vanskeligere å oppdage. Dette skyldes det faktum at fluksene av protoner, som er kilden til bakgrunnen, er 10 3 større enn fluksene til positroner. Signaler fra positroner som kommer fra antimaterieregioner kan "drukne" i signaler fra positroner som er et resultat av andre prosesser. I mellomtiden er opprinnelsen til positroner i kosmiske stråler heller ikke helt kjent. Er det primære positroner i kosmiske stråler? Er det en sammenheng mellom overskudd av antiprotoner og positroner? For å avklare situasjonen er det nødvendig å måle spektra av positroner i et bredt energiområde.
Den første lanseringen av et instrument for studiet av kosmiske stråler inn i den øvre atmosfæren ved hjelp av en ballong ble utført i 1907 av Victor Hess. Fram til tidlig på 1950-tallet var studiet av kosmiske stråler kilden til de viktigste oppdagelsene innen partikkelfysikk. Antiprotoner har blitt observert i slike eksperimenter siden 1979 (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, s. 330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). De åpnet for nye muligheter i studiet av antimaterie og mørk materie moderne forskning kosmiske stråler, brukes en teknikk utviklet for eksperimenter på akseleratorer.
Inntil nylig ble nesten all informasjon om antipartikler i kosmiske stråler innhentet ved hjelp av detektorer som ble lansert inn i de høye lagene av atmosfæren på ballonger. Samtidig oppsto en mistanke om at det var flere antiprotoner enn det som fulgte av estimater av sannsynligheten for at de skulle oppstå som følge av samspillet mellom kosmiske stråler med interstellart medium(sekundære antiprotoner). Mekanismene som ble foreslått for å forklare de "overdrevne" antiprotonene ga ulike spådommer for energispektrene til antiprotoner. Ballongens korte flytetid og tilstedeværelsen av rester av jordens atmosfære begrenset imidlertid mulighetene for slike eksperimenter. Dataene hadde stor usikkerhet, dessuten strakk de seg ikke utover 20 GeV i energi.
For å registrere antipartikler brukes store ballonger (opptil 3 millioner kubikkmeter) som er i stand til å løfte tunge detektorer som veier opptil 3 tonn til en høyde på ~ 40 km. Som regel er de, som Montgolfier, åpne i bunnen og taper helium når utetemperaturen synker. I de fleste tilfeller overstiger ikke varigheten av flyturen 24 timer. I tillegg begynner den atmosfæriske temperaturen, etter en rask nedgang fra null til 20–25 km, å stige, og når et maksimum i en høyde på ~40 km, hvoretter den begynner å synke igjen. Siden volumet av ballongen synker når temperaturen på uteluften synker, maksimal høyde stigning kan ikke være høyere enn ~40 km. På denne høyden er atmosfæren fortsatt ganske tett, og fluksen av antiprotoner med energier på flere titalls GeV, som dannes under samspillet mellom primære kosmiske stråler med den gjenværende atmosfæren, overstiger fluksen av antiprotoner produsert i det galaktiske mediet. For høyere energier til de registrerte partiklene blir feilene for store til å oppnå pålitelige resultater.
I det siste har det begynt å gjennomføre lengre flyvninger (opptil 20 dager). De bruker også åpne ballonger, men tap av helium har blitt betydelig redusert ved å skyte opp ballonger på svært høye breddegrader, nær polene, i løpet av polardagen. Massen av nyttelasten deres, når de flyr til en høyde på 40 km, overstiger imidlertid ikke 1 tonn. Dette er for lite til å måle antimaterie-flukser ved høye energier. For gjennomføring av superlange flyvninger i ballonger (ca. 100 dager) skal det også brukes lukkede ballonger. De er tykkere og tyngre, mister ikke helium, og tåler trykkforskjellen mellom inne og ute. De kan løfte relativt lette verktøy, mindre enn 1 tonn.

Ris. 20.1. Utskyting av en ballongsonde med fysisk utstyr.

Ris. 20.2. Kosmisk strålingsdetektor BESS-Polar II. Spektrometer (1) med solcellepaneler (2).

Søket etter antihelium ved hjelp av spektrometre på ballonger ble utført som en del av eksperimentet BESS (B alongbårne E xperiment med S superledende S pektrometer) (fig. 20.2). Fra 1993 til 2000 ble BESS-spektrometre gjentatte ganger skutt opp i den øvre atmosfæren i Nord-Canada. Varigheten av flyvningene var omtrent en dag. Spektrometeret ble stadig forbedret og følsomheten økte. Den totale følsomheten for helium/antihelium-forholdet oppnådd i denne serien av flygninger er ~6,8×10 −7 i hardhetsområdet 1-14 GV. I BESS-TeV-eksperimentet (2001) ble spektrometerstivhetsområdet økt til 500 GV og en følsomhet på 1,4 × 10 −4 ble oppnådd. Å øke statistikken i 2004-2008. flerdagers flyvninger med forbedrede spektrometre (0,6-20 GV) ble utført i Antarktis. I 2004-2005, under BESS-Polar I-flyvningen, som varte i 8,5 dager, ble det oppnådd en følsomhet på 8×10 −6. I 2007-2008 Under BESS-Polar II-flyvningen (målevarighet 24,5 dager) ble det oppnådd en følsomhet på 9,8 × 10 −8. Den totale følsomheten, tatt i betraktning alle BESS-flyvninger, nådde 6,7 × 10 −8 . Ikke en eneste antiheliumkjerne ble funnet.
Det magnetiske spektrometeret som brukes i BESS-Polar II-flyvningen består av en superledende ultra-tynnvegget magnetisk magnet, en sentral sporer (JET/IDC), et flytids-hodoskop (TOF) og en Cherenkov-detektor (fig. 20.3) ).

Ris. 20.3. Utsnitt av BESS-Polar II-eksperimentspektrometeret.

Time-of-flight hodoskopet gjør det mulig å måle hastighet (β) og energitap (dE/dx). Den består av øvre og nedre plastscintillasjonstellere, sammensatt av 10 og 12 scintillasjonsstrimler (100×950×10 mm). Tidsoppløsningen til time-of-flight-systemet er ~70 ps. I tillegg er det en tredje scintillasjonsteller (Middle-TOF), som er plassert inne i solenoiden og består av 64 plastscintillatorstaver. Den lar deg senke energiterskelen for registrering, på grunn av partikler som ikke er i stand til å fly gjennom bunnen av solenoiden.
Driftskamre er plassert i et jevnt magnetfelt. Ved hjelp av 28 punkter, hver med en nøyaktighet på 200 μm, beregnes krumningen til banen til en partikkel som kommer inn i spektrometeret, noe som gjør det mulig å bestemme dens magnetiske stivhet R = pc/Ze og fortegnet for ladningen.
Airhelium Cherenkov-telleren gjør det mulig å skille signaler fra antiprotoner og antideuteroner fra bakgrunnen e - /μ - .

Ris. 20.4. Identifikasjon av partikler i BESS-oppsettet.

Identifikasjon av partikler utføres etter masse (fig. 20.4), som er relatert til stivheten R, partikkelhastigheten β og energitapet dE/dx målt ved bruk av flytid-tellere og driftkamre ved forholdet

For dette velges de tilsvarende områdene på de todimensjonale fordelingene dE/dx – |R| og p-1-R.

Jordens antiprotonstrålingsbelte

PAMELA-samarbeidet oppdaget et strålingsbelte rundt jorden i regionen i den søratlantiske anomalien. Spektrene til antiprotoner og protoner ble målt direkte i strålingsbeltet og utenfor strålingsbeltet (Fig. 20.5, 20.6).
Det er vist at antiprotonene, som ble registrert av detektorinstallasjonene installert på ballonger og satellitter, er av sekundær opprinnelse. De dannes som et resultat av samspillet mellom galaktiske kosmiske stråler med interstellar materie eller atmosfæren i reaksjonen pp → ppp. Imidlertid gis et mye større bidrag av nedbrytningen av albedo-antinøytroner (antineutroner hvis fluks er rettet bort fra jorden), som oppstår i reaksjonen
pp → ppn . Disse antinøytronene passerer gjennom det geomagnetiske feltet og forfaller, og danner antiprotoner → + e + + ν e . Noen av de genererte antiprotonene kan fanges opp av magnetosfæren, og danner antiprotonstrålingsbeltet. Akkurat som hovedkilden til protonstrålingsbeltet er albedo-nedbrytningen av nøytroner, fører forfallet av antinøytroner til dannelsen av et antiprotonbelte.
Det følger av de eksperimentelle dataene at tettheten av antiprotoner i strålingsbeltet er 3–4 størrelsesordener større enn tettheten av antiprotoner utenfor strålingsbeltet. Formen på spekteret av antiprotoner dannet direkte som et resultat av samspillet mellom galaktiske kosmiske stråler, faller praktisk talt sammen med formen på spekteret av antiprotoner utenfor antiprotonstrålingsbeltet.
Problemet med å oppdage antimaterie i universet er langt fra løst. Et aktivt søk etter antimaterie er sett for seg i programmene til romteleskoper av Fermi et al.