phản vật chất là gì. phản vật chất là gì? vành đai bức xạ phản proton của trái đất

Gần đây, các thành viên của nhóm hợp tác ALICE tại CERN đã đo khối lượng của hạt nhân phản vật chất với độ chính xác kỷ lục và thậm chí còn ước tính năng lượng liên kết các phản proton với phản nơtron trong chúng. Cho đến nay, không có sự khác biệt đáng kể nào được tìm thấy giữa các tham số này trong vật chất và phản vật chất, nhưng đây không phải là điều chính. Điều quan trọng là ngay bây giờ, trong vài năm gần đây, không chỉ phản hạt, mà cả phản hạt nhân và thậm chí cả phản nguyên tử đều trở nên sẵn có để đo lường và quan sát. Vì vậy, đã đến lúc tìm ra phản vật chất là gì và nghiên cứu về nó diễn ra ở đâu vật lý hiện đại.

Hãy thử đoán một số câu hỏi về phản vật chất đầu tiên của bạn.

Có thật là phản vật chất có thể được sử dụng để chế tạo một quả bom siêu mạnh? Và sao, tại CERN, họ thực sự tích lũy phản vật chất, như trong phim Thiên thần và Ác quỷ, và nó rất nguy hiểm? Có đúng là phản vật chất sẽ là nhiên liệu đặc biệt hiệu quả cho du hành vũ trụ? Có bất kỳ sự thật nào trong ý tưởng về bộ não pozitronic mà Isaac Asimov đã ban tặng cho robot trong các tác phẩm của mình không?...

Không có gì bí mật rằng đối với hầu hết, phản vật chất có liên quan đến một thứ gì đó cực kỳ nguy hiểm (dễ bùng nổ), với thứ gì đó đáng ngờ, với thứ gì đó kích thích trí tưởng tượng với những lời hứa hão huyền và rủi ro lớn - do đó có những câu hỏi như vậy. Chúng tôi thừa nhận: các định luật vật lý không trực tiếp cấm tất cả điều này. Tuy nhiên, việc thực hiện những ý tưởng này cho đến nay vẫn còn xa rời thực tế, từ công nghệ hiện đại và từ các công nghệ của những thập kỷ tới, câu trả lời thực dụng rất đơn giản: không, vì thế giới hiện đạiđây là tất cả không đúng sự thật. Cuộc trò chuyện về những chủ đề này chỉ là tưởng tượng, không dựa trên những thành tựu khoa học và kỹ thuật thực sự, mà dựa trên sự ngoại suy của chúng vượt xa giới hạn của những khả năng hiện đại. Nếu bạn muốn nói chuyện nghiêm túc về những chủ đề này một cách nghiêm túc, hãy đến gần năm 2100 hơn. Bây giờ, hãy nói về thực nghiên cứu khoa học phản vật chất.

phản vật chất là gì?

Thế giới của chúng ta được sắp xếp sao cho mỗi loại hạt - electron, proton, neutron, v.v. - có phản hạt (positron, phản proton, phản nơtron). Chúng có cùng khối lượng và nếu không bền thì cùng chu kỳ bán rã, nhưng điện tích trái dấu và số tương tác khác nhau. Positron có cùng khối lượng với electron, nhưng chỉ mang điện tích dương. Phản proton có điện tích âm. Phản nơtron trung hòa về điện như nơtron, nhưng có số baryon ngược lại và bao gồm các phản quark. Phản hạt nhân có thể được tập hợp từ các phản proton và phản nơtron. Bằng cách thêm positron, chúng ta sẽ tạo ra phản nguyên tử và bằng cách tích lũy chúng, chúng ta sẽ có phản vật chất. Đây là tất cả các phản vật chất.

Và ở đây ngay lập tức có một số điều tinh tế gây tò mò đáng được đề cập. Trước hết, chính sự tồn tại của phản hạt là một thắng lợi vĩ đại của vật lý lý thuyết. Ý tưởng không rõ ràng, và đối với một số người, thậm chí gây sốc này đã được Paul Dirac bắt nguồn về mặt lý thuyết và ban đầu được nhìn nhận với thái độ thù địch. Hơn nữa, ngay cả sau khi phát hiện ra positron, nhiều người vẫn nghi ngờ sự tồn tại của phản proton. Họ nói, đầu tiên, Dirac đã đưa ra lý thuyết của mình để mô tả electron, và không chắc rằng nó sẽ đúng với proton. Ví dụ, mômen từ proton khác nhiều lần so với dự đoán của lý thuyết Dirac. Thứ hai, dấu vết của phản proton đã được tìm kiếm trong một thời gian dài trong các tia vũ trụ và không tìm thấy gì. Thứ ba, họ lập luận - lặp lại lời của chúng tôi theo đúng nghĩa đen - rằng nếu có phản proton, thì phải có phản nguyên tử, phản sao và phản thiên hà, và chúng ta chắc chắn sẽ nhận thấy chúng từ những vụ nổ vũ trụ hoành tráng. Vì chúng ta không thấy điều này nên có thể là do phản vật chất không tồn tại. Do đó, khám phá thực nghiệm về phản proton vào năm 1955 tại máy gia tốc Bevatron mới ra mắt là một kết quả khá không tầm thường, được trao giải Nobel Vật lý năm 1959. Năm 1956, phản nơtron cũng được phát hiện tại cùng một máy gia tốc. Câu chuyện về những cuộc tìm kiếm, nghi ngờ và thành tựu này có thể được tìm thấy trong nhiều bài tiểu luận lịch sử, chẳng hạn như trong báo cáo này hoặc trong cuốn sách gần đây Phản vật chất của Frank Close.

Tuy nhiên, cần phải nói riêng rằng một sự nghi ngờ hợp lý trong các tuyên bố thuần túy lý thuyết luôn hữu ích. Ví dụ, phát biểu rằng các phản hạt có cùng khối lượng với các hạt cũng là một kết quả lý thuyết, nó xuất phát từ định lý CPT rất quan trọng. Vâng, vật lý hiện đại của thế giới vi mô, được thử nghiệm nhiều lần bằng kinh nghiệm, được xây dựng trên tuyên bố này. Tuy nhiên, đây vẫn là sự bình đẳng: ai biết được, có thể bằng cách này, chúng ta sẽ tìm ra giới hạn khả năng áp dụng của lý thuyết.

Một tính năng khác: không phải tất cả các lực của thế giới vi mô đều liên quan như nhau đến các hạt và phản hạt. Đối với tương tác điện từ và tương tác mạnh, không có sự khác biệt giữa chúng, đối với tương tác yếu thì có. Do đó, một số chi tiết tinh tế về tương tác giữa các hạt và phản hạt khác nhau, ví dụ, xác suất phân rã của hạt A thành một tập hợp các hạt B và phản A thành một tập hợp phản B (để biết thêm chi tiết về sự khác biệt, xem lựa chọn của Pavel Pakhov). Tính năng này phát sinh do các tương tác yếu phá vỡ tính đối xứng CP của thế giới chúng ta. Tại sao điều này xảy ra là một trong những bí ẩn. Các hạt cơ bản, và nó đòi hỏi phải vượt ra ngoài cái đã biết.

Và đây là một điểm tinh tế khác: một số hạt có rất ít đặc điểm đến nỗi phản hạt và hạt không khác nhau chút nào. Các hạt như vậy được gọi là thực sự trung tính. Đây là một photon, Higgs boson, meson trung tính, bao gồm các quark và phản quark cùng loại. Nhưng tình hình với neutrino vẫn chưa rõ ràng: có thể chúng thực sự trung tính (Majorana), hoặc có thể không. Điều này có tầm quan trọng lớn đối với lý thuyết mô tả khối lượng và tương tác của neutrino. Câu trả lời cho câu hỏi này thực sự sẽ là một bước tiến quan trọng, bởi vì nó sẽ giúp giải quyết cấu trúc của thế giới chúng ta. Cho đến nay, thí nghiệm đã không nói bất cứ điều gì rõ ràng về điều này. Nhưng chương trình thử nghiệm Theo nghiên cứu neutrino rất mạnh, có rất nhiều thí nghiệm mà các nhà vật lý đang dần tiếp cận lời giải.

Cô ấy ở đâu, phản vật chất này?

Khi một phản hạt gặp hạt của nó, nó sẽ hủy: cả hai hạt đều biến mất và biến thành một tập hợp các photon hoặc các hạt nhẹ hơn. Tất cả năng lượng nghỉ ngơi được chuyển thành năng lượng của vụ nổ vi mô này. Đây là sự biến đổi hiệu quả nhất của khối lượng thành năng lượng nhiệt, hiệu quả gấp hàng trăm lần một vụ nổ hạt nhân. Nhưng chúng tôi không thấy bất kỳ vụ nổ tự nhiên hoành tráng nào xung quanh chúng tôi; Phản vật chất không tồn tại với số lượng đáng kể trong tự nhiên. Tuy nhiên, các phản hạt riêng lẻ cũng có thể được sinh ra trong các quá trình tự nhiên khác nhau.

Cách dễ nhất là sản xuất positron. Tùy chọn đơn giản nhất là phóng xạ, sự phân rã của một số hạt nhân do phóng xạ beta dương. Ví dụ, các thí nghiệm thường sử dụng đồng vị natri-22 với chu kỳ bán rã hai năm rưỡi làm nguồn positron. Một điều khá bất ngờ khác nguồn tự nhiên- , trong đó đôi khi người ta phát hiện thấy các tia chớp của bức xạ gamma từ sự hủy positron, điều đó có nghĩa là positron bằng cách nào đó đã được sinh ra ở đó.

Việc tạo ra các phản proton và các phản hạt khác khó khăn hơn: năng lượng của sự phân rã phóng xạ không đủ cho việc này. Trong tự nhiên, chúng được sinh ra dưới tác động các tia vũ trụ năng lượng cao: một proton vũ trụ, va chạm với một số phân tử trong bầu khí quyển phía trên, tạo ra các dòng hạt và phản hạt. Tuy nhiên, điều này xảy ra ở đó, các phản proton gần như không đến được trái đất (điều mà những người tìm kiếm phản proton trong các tia vũ trụ vào những năm 40 không biết đến), và bạn không thể mang nguồn phản proton này đến phòng thí nghiệm.

Trong tất cả các thí nghiệm vật lý, các phản proton tạo ra "lực lượng vũ phu": chúng lấy một chùm proton năng lượng cao, hướng nó tới mục tiêu và phân loại các "cục hadron", trong đó số lượng lớnđược sinh ra trong vụ va chạm này. Các phản proton được sắp xếp được phát ra dưới dạng chùm tia, sau đó chúng được gia tốc đến năng lượng cao để va chạm với các proton (ví dụ, đây là cách máy va chạm Tevatron của Mỹ hoạt động), hoặc ngược lại, chúng bị làm chậm lại và được sử dụng cho các phép đo tốt hơn.

Tại CERN, nơi có thể tự hào về lịch sử nghiên cứu phản vật chất lâu đời của mình, có một “máy gia tốc” AD đặc biệt, “Người điều hành phản Proton”, làm được điều đó. Anh ta lấy một chùm phản proton, làm nguội chúng (tức là làm chúng chậm lại), rồi phân phối dòng phản proton chậm qua một vài thí nghiệm đặc biệt. Nhân tiện, nếu bạn muốn xem trạng thái của AD trong thời gian thực, thì màn hình trực tuyến của Cern cho phép điều này.

Tổng hợp phản nguyên tử, thậm chí là phản nguyên tử đơn giản nhất, phản nguyên tử hydro, đã khá khó khăn. Trong tự nhiên, chúng hoàn toàn không phát sinh - không có điều kiện phù hợp. Ngay cả trong phòng thí nghiệm, nhiều khó khăn kỹ thuật phải được khắc phục trước khi phản proton quyết định kết hợp với positron. Vấn đề là các phản proton và positron phát ra từ các nguồn vẫn còn quá nóng; chúng sẽ đơn giản là va chạm với nhau và bay ra xa nhau, thay vì được hình thành bởi một phản nguyên tử. Các nhà vật lý vẫn vượt qua những khó khăn này, nhưng bằng những phương pháp khá xảo quyệt (như đã được thực hiện trong một trong những thí nghiệm của ASACUSA CERN).

Những gì được biết về phản hạt nhân?

Mọi thành tựu chống hạt nhân của nhân loại chỉ quy về phản hydro. Phản nguyên tử của các nguyên tố khác chưa được tổng hợp trong phòng thí nghiệm và chưa được quan sát thấy trong tự nhiên. Lý do rất đơn giản: tạo ra phản hạt nhân thậm chí còn khó hơn phản proton.

Cách duy nhất chúng ta biết để tạo ra phản hạt nhân là va chạm hạt nhân nặng năng lượng cao và xem những gì xảy ra ở đó. Nếu năng lượng va chạm cao, hàng nghìn hạt sẽ sinh ra trong đó và phân tán ra mọi hướng, bao gồm cả phản proton và phản nơtron. Các phản proton và phản nơtron, được phóng ra ngẫu nhiên theo cùng một hướng, có thể kết hợp với nhau để tạo thành một phản hạt nhân.

Máy dò ALICE có thể phân biệt giữa các hạt nhân và phản hạt nhân khác nhau về sự giải phóng năng lượng và hướng xoắn trong từ trường.

Hình ảnh: CERN

Phương pháp này đơn giản nhưng không quá kém hiệu quả: xác suất hợp nhất một hạt nhân theo cách này giảm mạnh khi số lượng nucleon tăng lên. Các phản hạt nhân nhẹ nhất, phản hạt nhân, lần đầu tiên được quan sát thấy cách đây đúng nửa thế kỷ. Antihelium-3 đã được nhìn thấy vào năm 1971. Antitriton và antihelium-4 cũng được biết đến, và chất thứ hai được phát hiện khá gần đây, vào năm 2011. Các phản hạt nhân nặng hơn vẫn chưa được quan sát thấy.

Hai tham số mô tả tương tác nucleon-nucleon (độ dài tán xạ f0 và bán kính hiệu dụng d0) đối với các cặp hạt khác nhau. Dấu hoa thị màu đỏ là kết quả của một cặp phản proton thu được nhờ sự cộng tác của STAR.

Thật không may, bạn không thể tạo ra phản nguyên tử theo cách này. Antinuclei không chỉ hiếm khi được sinh ra mà còn có quá nhiều năng lượng và bay ra mọi hướng. Cố gắng bắt chúng bằng máy va chạm để sau đó đưa chúng đi qua một kênh đặc biệt và làm nguội chúng là điều không thực tế.

Tuy nhiên, đôi khi chỉ cần cẩn thận theo dõi các phản hạt nhân đang di chuyển là đủ để có được một số thông tin thú vị về lực phản hạt nhân tác dụng giữa các phản hạt nhân. nhiều nhất điêu đơn giản là đo chính xác khối lượng của phản hạt nhân, so sánh nó với tổng khối lượng của phản proton và phản nơtron, rồi tính độ hụt khối, tức là năng lượng liên kết của hạt nhân. Gần đây nó đang hoạt động tại Máy Va chạm Hadron Lớn; năng lượng liên kết của antideuteron và antihelium-3 trùng khớp với sai số của các hạt nhân thông thường.

Một hiệu ứng khác, tinh tế hơn đã được nghiên cứu bởi thí nghiệm STAR tại Máy Va chạm Ion Nặng RHIC của Mỹ. Ông đã đo sự phân bố góc của các phản proton được tạo ra và tìm ra nó thay đổi như thế nào khi hai phản proton bay ra theo hướng rất gần nhau. Mối tương quan giữa các phản proton lần đầu tiên có thể đo được các tính chất của lực "phản hạt nhân" tác dụng giữa chúng (độ dài tán xạ và bán kính tương tác hiệu quả); chúng trùng khớp với những gì đã biết về tương tác của các proton.

Có phản vật chất trong không gian?

Khi Paul Dirac suy ra sự tồn tại của positron từ lý thuyết của mình, ông hoàn toàn cho rằng ở đâu đó trong không gian có thể tồn tại các phản thế giới thực. Bây giờ chúng ta biết rằng không có ngôi sao, hành tinh, thiên hà nào từ phản vật chất trong phần nhìn thấy được của Vũ trụ. Vấn đề không phải là các vụ nổ hủy diệt không thể nhìn thấy được; đơn giản là không thể tưởng tượng được làm thế nào mà chúng có thể hình thành và tồn tại cho đến ngày nay trong một vũ trụ không ngừng phát triển.

Nhưng câu hỏi “nó đã xảy ra như thế nào” lại là một bí ẩn lớn khác của vật lý hiện đại; TRÊN ngôn ngữ khoa học nó được gọi là vấn đề sinh bary. Theo bức tranh vũ trụ về thế giới, trong vũ trụ sơ khai nhất, các hạt và phản hạt được chia đều. Sau đó, do sự vi phạm đối xứng CP và số baryon, một phần nhỏ, ở mức một phần tỷ, vượt quá vật chất so với phản vật chất nên xuất hiện trong vũ trụ đang phát triển năng động. Khi vũ trụ nguội đi, tất cả các phản hạt bị triệt tiêu với các hạt, chỉ còn lại phần vật chất dư thừa này, tạo nên vũ trụ mà chúng ta quan sát được. Chính vì anh ấy mà ít nhất còn lại một điều gì đó thú vị trong đó, chính nhờ anh ấy mà chúng ta mới tồn tại. Làm thế nào chính xác sự bất đối xứng này phát sinh là không rõ. Có nhiều giả thuyết, nhưng giả thuyết nào đúng thì chưa biết. Nó chỉ rõ ràng rằng nó chắc chắn phải là một số vật lý mới, một lý thuyết vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn, vượt ra ngoài ranh giới của những gì đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Ba lựa chọn về nguồn gốc của các phản hạt trong các tia vũ trụ năng lượng cao: 1 - chúng có thể xuất hiện và tăng tốc một cách đơn giản trong một "máy gia tốc vũ trụ", chẳng hạn như trong một ẩn tinh; 2 - chúng có thể được sinh ra trong quá trình va chạm của các tia vũ trụ thông thường với các nguyên tử của môi trường giữa các vì sao; 3 - chúng có thể xảy ra trong quá trình phân rã của các hạt nặng vật chất tối.

Mặc dù không có hành tinh và ngôi sao cấu tạo từ phản vật chất nhưng phản vật chất vẫn tồn tại trong không gian. Các dòng positron và phản proton có năng lượng khác nhau được ghi lại bởi các đài quan sát tia vũ trụ vệ tinh, chẳng hạn như PAMELA, Fermi, AMS-02. Thực tế là positron và phản proton đến với chúng ta từ không gian có nghĩa là chúng được sinh ra ở đâu đó. Về nguyên tắc, các quy trình năng lượng cao có thể tạo ra chúng đã được biết đến: đây là những vùng lân cận có từ hóa cao sao neutron, các vụ nổ khác nhau, gia tốc của các tia vũ trụ ở mặt trước của sóng xung kích trong môi trường giữa các vì sao, v.v. Câu hỏi đặt ra là liệu họ có thể giải thích tất cả các tính chất quan sát được của dòng phản hạt vũ trụ hay không. Nếu hóa ra chúng không phải như vậy, thì đây sẽ là bằng chứng ủng hộ thực tế rằng một số chúng phát sinh trong quá trình phân rã hoặc hủy diệt của các hạt vật chất tối.

Ở đây cũng vậy, có một bí ẩn. Năm 2008, đài quan sát PAMELA đã phát hiện ra một một số lượng lớn positron năng lượng cao so với dự đoán mô hình lý thuyết. Kết quả này gần đây đã được xác nhận bởi bản cài đặt AMS-02 - một trong những mô-đun của Trạm vũ trụ quốc tế và nói chung là máy dò hạt cơ bản lớn nhất được phóng vào không gian (và đoán lắp ráp ở đâu? - phải, tại CERN). Sự dư thừa positron này kích thích tâm trí của các nhà lý thuyết - xét cho cùng, nguyên nhân gây ra nó có thể không phải là các vật thể vật lý thiên văn "nhàm chán", mà là các hạt vật chất tối nặng phân rã hoặc phân hủy thành electron và positron. Vẫn chưa có gì rõ ràng nhưng cơ sở AMS-02 cũng như nhiều nhà vật lý phê bình đang nghiên cứu rất kỹ hiện tượng này.

Tỷ lệ phản proton với proton trong các tia vũ trụ có năng lượng khác nhau. Điểm - dữ liệu thử nghiệm, đường cong nhiều màu - kỳ vọng vật lý thiên văn với các lỗi khác nhau.

Hình ảnh: Thư viện Đại học Cornell

Tình hình với phản proton cũng không rõ ràng. Vào tháng Tư năm nay, AMS-02 tại một hội nghị khoa học đặc biệt đã trình bày kết quả sơ bộ của một chu kỳ nghiên cứu mới. Điểm nổi bật chính của báo cáo là khẳng định rằng AMS-02 nhìn thấy quá nhiều phản proton năng lượng cao - và đây cũng có thể là một gợi ý về sự phân rã của các hạt vật chất tối. Tuy nhiên, các nhà vật lý khác không đồng ý với một kết luận mạnh mẽ như vậy. Hiện nay người ta tin rằng dữ liệu phản proton của AMS-02, với một số độ giãn, cũng có thể được giải thích bằng các nguồn vật lý thiên văn thông thường. Bằng cách này hay cách khác, mọi người đều mong chờ dữ liệu positron và phản proton mới của AMS-02.

AMS-02 đã đăng ký hàng triệu positron và một phần tư triệu phản proton. Nhưng những người tạo ra bản cài đặt này có một giấc mơ tươi sáng - bắt được ít nhất một anti-kernel. Đây sẽ là một cảm giác thực sự - hoàn toàn không thể tin được rằng các phản hạt nhân sẽ được sinh ra ở đâu đó trong không gian và bay đến chúng ta. Cho đến nay, không có trường hợp nào như vậy được tìm thấy, nhưng việc thu thập dữ liệu vẫn tiếp tục và ai biết được điều gì bất ngờ mà thiên nhiên đang chuẩn bị cho chúng ta.

Phản vật chất - phản hấp dẫn? Làm thế nào để cô ấy thậm chí cảm thấy trọng lực?

Nếu chúng ta chỉ dựa vào vật lý đã được chứng minh bằng thực nghiệm và không đi sâu vào các lý thuyết kỳ lạ, chưa được xác nhận, thì lực hấp dẫn sẽ tác động lên phản vật chất theo cách tương tự như đối với vật chất. Không có phản hấp dẫn cho phản vật chất được mong đợi. Nếu chúng ta cho phép mình nhìn xa hơn một chút, vượt ra ngoài những gì đã biết, thì về mặt lý thuyết thuần túy, các tùy chọn có thể xảy ra khi, ngoài những điều phổ biến thông thường. Lực hấp dẫn có một cái gì đó bổ sung tác động khác nhau lên vật chất và phản vật chất. Cho dù khả năng này có vẻ hão huyền đến đâu, thì nó cũng cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm, và để làm được điều này, cần thiết lập các thí nghiệm để kiểm tra xem phản vật chất cảm nhận được lực hấp dẫn của trái đất như thế nào.

Trong một thời gian dài, người ta không thực sự làm được điều này vì lý do đơn giản là để làm được điều này, cần phải tạo ra các nguyên tử phản vật chất riêng lẻ, bẫy chúng và tiến hành thí nghiệm với chúng. Bây giờ họ đã học được cách làm điều đó, vì vậy bài kiểm tra được chờ đợi từ lâu sắp đến gần.

Nhà cung cấp kết quả chính là CERN với chương trình mở rộng để nghiên cứu phản vật chất. Một số thí nghiệm này đã gián tiếp xác minh rằng lực hấp dẫn của phản vật chất là đúng. Ví dụ, ông thấy rằng khối lượng (quán tính) của phản proton trùng với khối lượng của proton với một độ chính xác cao. Nếu lực hấp dẫn tác dụng khác lên các phản proton, thì các nhà vật lý sẽ nhận thấy sự khác biệt - xét cho cùng, phép so sánh được thực hiện trong cùng một thiết lập và trong cùng các điều kiện. Kết quả của thí nghiệm này: tác dụng của lực hấp dẫn lên phản proton trùng với tác dụng lên proton với độ chính xác hơn một phần triệu.

Tuy nhiên, phép đo này là gián tiếp. Để thuyết phục hơn, tôi muốn làm một thí nghiệm trực tiếp: lấy một vài nguyên tử phản vật chất, thả chúng xuống và xem chúng rơi như thế nào trong trường hấp dẫn. Những thí nghiệm như vậy cũng đang được thực hiện hoặc đang được chuẩn bị tại CERN. Nỗ lực đầu tiên không ấn tượng lắm. Vào năm 2013, thí nghiệm ALPHA - lúc đó đã học được cách giữ một đám mây phản hydro trong bẫy của nó - đã cố gắng xác định nơi phản nguyên tử sẽ rơi xuống nếu bẫy bị tắt. Than ôi, do độ nhạy thấp của thí nghiệm, không thể có được câu trả lời rõ ràng: thời gian trôi qua quá ít, các phản nguyên tử chạy tới chạy lui trong bẫy, và các tia hủy diệt xảy ra ở đây đó.

Tình hình hứa hẹn sẽ được cải thiện triệt để nhờ hai thí nghiệm khác của Cern: GBAR và AEGIS. Cả hai thí nghiệm này sẽ được kiểm tra theo những cách khác nhau, cách một đám mây phản hydro siêu lạnh rơi vào trường hấp dẫn. Độ chính xác dự kiến ​​của họ trong việc đo gia tốc hấp dẫn của phản vật chất là khoảng 1%. Cả hai cơ sở hiện đang được lắp ráp và sửa lỗi, và nghiên cứu chính sẽ bắt đầu vào năm 2017, khi bộ điều tiết phản proton AD sẽ được bổ sung vòng lưu trữ ELENA mới.

Các biến thể của hành vi positron trong vật chất rắn.

Hình ảnh: thiên nhiên.com

Điều gì xảy ra nếu một positron chạm vào vật chất?

Sự hình thành positronium phân tử trên bề mặt thạch anh.

Hình ảnh: Clifford M. Surko / Vật lý nguyên tử: Một chút xúp phản vật chất

Nếu bạn đã đọc đến đây, thì bạn đã biết rất rõ rằng ngay khi một hạt phản vật chất xâm nhập vào vật chất thông thường, sự hủy diệt xảy ra: các hạt và phản hạt biến mất và biến thành bức xạ. Nhưng nó xảy ra nhanh như thế nào? Chúng ta hãy tưởng tượng một positron bay từ chân không và đi vào chất rắn. Nó sẽ bị hủy khi tiếp xúc với nguyên tử đầu tiên? Không cần thiết! Sự hủy diệt của một electron và một positron không phải là một quá trình tức thời; nó đòi hỏi một thời gian dài trên quy mô nguyên tử. Do đó, positron có thời gian để sống trong một cuộc sống tươi sáng và đầy những sự kiện không tầm thường trong vật chất.

Đầu tiên, một positron có thể nhận một electron mồ côi và tạo thành trạng thái liên kết - positronium (Ps). Với định hướng spin phù hợp, positronium có thể tồn tại trong hàng chục nano giây trước khi bị hủy diệt. Ở trong một chất liên tục, nó sẽ có thời gian va chạm với các nguyên tử hàng triệu lần trong thời gian này, vì tốc độ nhiệt của positronium ở nhiệt độ phòng là khoảng 25 km / s.

Thứ hai, khi trôi dạt trong một chất, positronium có thể nổi lên bề mặt và dính ở đó - đây là một chất tương tự positron (hay đúng hơn là positronium) của sự hấp phụ nguyên tử. Ở nhiệt độ phòng, anh ta không ngồi một chỗ mà tích cực di chuyển trên bề mặt. Và nếu đây không phải là bề mặt bên ngoài, mà là lỗ rỗng có kích thước nanomet, thì positronium sẽ bị mắc kẹt trong đó trong một thời gian dài.

Hơn nữa nhiều hơn nữa. Trong vật liệu tiêu chuẩn cho các thí nghiệm như vậy, thạch anh xốp, các lỗ rỗng không bị cô lập mà được hợp nhất bởi các kênh nano thành một mạng lưới chung. Positronium ấm, bò trên bề mặt, sẽ có thời gian để kiểm tra hàng trăm lỗ chân lông. Và vì rất nhiều positronium được hình thành trong các thí nghiệm như vậy và hầu hết tất cả chúng đều bò ra ngoài lỗ chân lông, nên sớm hay muộn chúng sẽ tình cờ gặp nhau và tương tác với nhau, đôi khi tạo thành các phân tử thực sự - positronium phân tử, Ps 2. Hơn nữa, người ta đã có thể nghiên cứu cách hoạt động của khí positronium, trạng thái kích thích của positronium, v.v. Và đừng nghĩ rằng đây hoàn toàn là lý luận lý thuyết; Tất cả các hiệu ứng được liệt kê đã được xác minh và nghiên cứu bằng thực nghiệm.

Liệu phản vật chất có ứng dụng thực tế?

Tất nhiên rồi. Nói chung, bất kỳ quá trình vật lý nào, nếu nó mở ra trước mắt chúng ta một khía cạnh mới nhất định của thế giới của chúng ta và không yêu cầu thêm bất kỳ chi phí nào, thì chắc chắn sẽ tìm thấy ứng dụng thực tế. Hơn nữa, những ứng dụng như vậy mà bản thân chúng ta sẽ không đoán ra được nếu không phát hiện và nghiên cứu trước khía cạnh khoa học của hiện tượng này.

Ứng dụng nổi tiếng nhất của phản hạt là PET, chụp cắt lớp phát xạ positron. Nói chung, tại vật lý nguyên tử có một hồ sơ theo dõi ấn tượng về các ứng dụng y học, và các phản hạt cũng không phải là không có ở đây. Trong PET, một liều lượng nhỏ thuốc chứa đồng vị không ổn định với thời gian tồn tại ngắn (phút và giờ) và phân rã do phân rã beta dương tính được tiêm vào cơ thể bệnh nhân. Thuốc tích tụ trong các mô thích hợp, hạt nhân phân rã và phát ra positron, chúng sẽ phân hủy gần đó và giải phóng hai lượng tử gamma có năng lượng nhất định. Máy dò đăng ký chúng, xác định hướng và thời gian chúng đến, đồng thời khôi phục lại nơi xảy ra sự phân rã. Bằng cách này, có thể xây dựng một bản đồ ba chiều về sự phân bố vật chất với độ phân giải không gian cao và với liều bức xạ tối thiểu.

Ví dụ, positron cũng có thể được sử dụng trong khoa học vật liệu để đo độ xốp của một chất. Nếu vật chất là liên tục, thì các positron mắc kẹt trong vật chất ở độ sâu vừa đủ sẽ hủy khá nhanh và phát ra lượng tử gamma. Nếu có các lỗ nano bên trong chất, quá trình hủy sẽ bị trì hoãn do positronium dính vào bề mặt của lỗ. Bằng cách đo độ trễ này, người ta có thể tìm ra mức độ xốp nano của một chất bằng cách không tiếp xúc và phương pháp không phá hủy. Để minh họa cho kỹ thuật này, có một nghiên cứu gần đây về cách các lỗ nano xuất hiện và thắt chặt trong lớp băng mỏng nhất khi hơi nước lắng đọng trên bề mặt. Một cách tiếp cận tương tự cũng có tác dụng trong nghiên cứu các khiếm khuyết cấu trúc trong tinh thể bán dẫn, chẳng hạn như các chỗ trống và sự lệch vị trí, đồng thời giúp đo độ mỏi cấu trúc của vật liệu.

Các ứng dụng y học cũng có thể được tìm thấy đối với phản proton. Bây giờ tại cùng CERN, thí nghiệm ACE đang được tiến hành, nghiên cứu tác động của chùm phản proton lên các tế bào sống. Mục tiêu của nó là nghiên cứu triển vọng sử dụng phản proton để điều trị các khối u ung thư.

Sự giải phóng năng lượng của chùm ion và tia X khi đi qua một chất.

Hình ảnh: Johannes Gutleber/CERN

Ý tưởng này có thể khiến người đọc kinh hãi vì thói quen: làm sao vậy, với một chùm phản proton - và đối với một người đang sống?! Có, và nó an toàn hơn nhiều so với chụp x-quang một khối u nằm sâu! Một chùm năng lượng phản proton được lựa chọn đặc biệt trở thành một công cụ hiệu quả trong tay bác sĩ phẫu thuật, với sự trợ giúp của nó có thể đốt cháy các khối u sâu bên trong cơ thể và giảm thiểu tác động lên các mô xung quanh. Không giống như tia X đốt cháy mọi thứ nằm dưới chùm tia, các hạt tích điện nặng trên đường xuyên qua vật chất sẽ giải phóng phần lớn năng lượng trong cm cuối cùng trước khi dừng lại. Bằng cách điều chỉnh năng lượng của các hạt, người ta có thể thay đổi độ sâu mà tại đó các hạt dừng lại; chính trên khu vực này có kích thước bằng milimét mà hiệu ứng bức xạ chính sẽ rơi xuống.

Phương pháp xạ trị bằng chùm proton như vậy từ lâu đã được sử dụng ở nhiều phòng khám được trang bị tốt trên khắp thế giới. TRONG Gần đây một số trong số họ đang chuyển sang liệu pháp ion, sử dụng chùm tia không phải proton mà là các ion carbon. Đối với họ, hồ sơ giải phóng năng lượng thậm chí còn tương phản hơn, điều đó có nghĩa là hiệu quả của cặp “tác dụng trị liệu chống lại phản ứng phụ" đang tăng. Nhưng từ lâu người ta đã đề xuất thử phản proton cho mục đích này. Rốt cuộc, khi chúng đi vào chất này, chúng không chỉ từ bỏ động năng mà còn bị tiêu diệt sau khi dừng lại - và điều này làm tăng sự giải phóng năng lượng lên nhiều lần. Nơi giải phóng năng lượng bổ sung này được gửi đến là một vấn đề phức tạp và nó cần được nghiên cứu cẩn thận trước khi bắt đầu thử nghiệm lâm sàng.

Đây chính xác là những gì thí nghiệm ACE làm. Trong quá trình đó, các nhà nghiên cứu truyền một chùm phản proton qua một cuvette có nuôi cấy vi khuẩn và đo khả năng sống sót của chúng tùy thuộc vào vị trí, vào các thông số của chùm và vào tính chất vật lý môi trường. Việc thu thập dữ liệu kỹ thuật có phương pháp và có lẽ khá nhàm chán như vậy là một Giai đoạn đầu bất kỳ công nghệ mới nào.

Igor Ivanov

Một máy va chạm nhỏ ở New York được gọi là tương đối tính, nó tăng tốc các hạt lên tới 300 nghìn km mỗi giây. Nhưng trước khi các nhà khoa học thốt lên "Eureka", các ion vàng đã va chạm hàng trăm triệu lần. Trong khoa học luôn như vậy, những tin tức lớn đã được chuẩn bị trong nhiều năm.

Sự va chạm trực diện của các ion dẫn đến nhiệt độ mà mặt trời, so với chúng, giống như một cái lò sưởi trong phòng. Máy va chạm phòng thí nghiệm Brookhaven đã ghi được 4 nghìn tỷ độ, đây là một kỷ lục toàn cầu! Mặt trời lạnh hơn 250 nghìn lần.

Hank Crawford, người đứng đầu Hội đồng Cộng đồng Khoa học Ngôi sao, giải thích: "Chúng tôi đang cố gắng tái tạo trạng thái của vũ trụ vài mili giây sau Vụ nổ lớn. Sau đó, chúng tôi có thể hiểu các hạt vật chất hóa như thế nào".

Các nhà khoa học so sánh vũ trụ sơ sinh sau Vụ nổ lớn với một loại súp. Bây giờ họ đang cố gắng làm sáng tỏ cách khối lượng nguyên thủy biến thành mọi thứ xung quanh chúng ta.

"Đôi khi chúng ta không nghĩ đến thực tế là trong một Vũ trụ hoàn toàn đối xứng và hoàn hảo sẽ không có chỗ cho chúng ta. Nếu Vũ trụ sơ khai đã tạo ra cùng một lượng vật chất và phản vật chất, thì sự hủy diệt sẽ xảy ra và Vũ trụ chỉ bao gồm của bức xạ,” Dmitry Kharzeev, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, thành viên của cộng đồng khoa học Star cho biết.

Tại sao điều này không xảy ra? Cái gì và làm thế nào đã phá vỡ tính đối xứng phổ quát? Tại sao con người, núi non và đại dương được tạo thành từ vật chất chứ không phải từ vật chất phản xạ gương- phản vật chất. Cô ấy đã biến mất ở đâu?

Câu trả lời đang đến gần hơn, bởi vì "lõi phản vật chất lạ" chứa các "quark lạ" chưa từng thấy trước đây là mảnh nặng nhất của phản thế giới mà thế giới của chúng ta cũng có thể bao gồm. Vật chất và phản vật chất rất giống nhau về tính chất.

Dmitry Kharzeev nói: “Nếu chúng ta có thể lặp lại Vụ nổ lớn một lần nữa, có lẽ chúng ta bao gồm phản vật chất và ngạc nhiên về các đặc tính thần bí của vật chất.

Bí ẩn còn nằm ở chỗ, phản vật chất không chỉ cực kỳ khó tìm mà còn không thể cứu được. Vũ trụ của chúng ta và Phản vũ trụ cư xử hung hăng khi họ gặp nhau.

Alexei Lebedev, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, cho biết: “Sẽ có sự giải phóng năng lượng hạt nhân điện từ.

Gần máy va chạm, đề phòng, các biển báo nguy hiểm phóng xạ được lắp đặt, xung quanh là những bức tường bê tông dày. vụ nổ hạt nhân, mặc dù ở kích thước nano - đây là công việc thường xuyên của máy gia tốc và các nhà khoa học. Mỗi người trong số họ, bao gồm khoảng 60 các nhà nghiên cứu Nga, hiện là đồng tác giả của một khám phá quy mô vũ trụ với góc nhìn rộng hơn.

"Có một giả thuyết cho rằng phản vật chất có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng, có lẽ trong hàng nghìn năm nữa. Nhưng cho đến nay chúng ta vẫn chưa chắc chắn về điều này," Hank Crawford tổng kết.

Phản vật chất từ ​​lâu đã là chủ đề của khoa học viễn tưởng. Trong cuốn sách và phim Angels & Demons, Giáo sư Langdon cố gắng cứu Vatican khỏi một quả bom phản vật chất. Tàu vũ trụ Enterprise của Star Trek sử dụng động cơ phản vật chất để di chuyển tốc độ nhanh hơn Sveta. Nhưng phản vật chất cũng là chủ đề của thực tại của chúng ta. Các hạt phản vật chất hầu như giống hệt với các đối tác vật chất của chúng, ngoại trừ việc chúng mang điện tích trái dấu và quay tròn. Khi phản vật chất gặp vật chất, chúng lập tức hủy thành năng lượng, và điều này không còn là hư cấu nữa.

Mặc dù bom và tàu phản vật chất dựa trên cùng một loại nhiên liệu dường như chưa khả thi trong thực tế, nhưng có nhiều sự thật về phản vật chất sẽ làm bạn ngạc nhiên hoặc cho phép bạn tiếp tục những điều bạn đã biết.

1 phản vật chất lẽ ra phải phá hủy mọi vật chất trong vũ trụ sau vụ nổ lớn

Theo lý thuyết, vụ nổ Big Bang đã tạo ra vật chất và phản vật chất với lượng bằng nhau. Khi chúng gặp nhau, sẽ có sự hủy diệt lẫn nhau, sự hủy diệt và chỉ còn lại năng lượng thuần túy. Dựa trên điều này, chúng ta không nên tồn tại.

Nhưng chúng tôi tồn tại. Và theo như các nhà vật lý biết, điều này là do cứ một tỷ cặp vật chất-phản vật chất lại có thêm một hạt vật chất. Các nhà vật lý đang cố gắng hết sức để giải thích sự bất đối xứng này.

2 phản vật chất gần bạn hơn bạn nghĩ

Một lượng nhỏ phản vật chất liên tục trút xuống Trái đất dưới dạng các tia vũ trụ, các hạt năng lượng từ không gian. Những hạt phản vật chất này đến được bầu khí quyển của chúng ta ở mức từ một đến hơn một trăm mỗi mét vuông. Các nhà khoa học cũng có bằng chứng cho thấy phản vật chất được tạo ra trong giông bão.

Có những nguồn phản vật chất khác ở gần chúng ta hơn. Ví dụ, chuối tạo ra phản vật chất bằng cách phát ra một positron - phản vật chất tương đương với một electron - cứ sau 75 phút một lần. Điều này là do chuối chứa một lượng nhỏ kali-40, một đồng vị kali tự nhiên. Sự phân rã của kali-40 đôi khi tạo ra positron.

Cơ thể chúng ta cũng chứa kali-40, có nghĩa là bạn cũng phát ra positron. Phản vật chất hủy ngay lập tức khi tiếp xúc với vật chất, vì vậy những hạt phản vật chất này không tồn tại lâu.

3 Con Người Đã Tạo Ra Rất Ít Phản Vật Chất

Sự hủy diệt của phản vật chất và vật chất có khả năng giải phóng một lượng lớn năng lượng. Một gam phản vật chất có thể tạo ra một vụ nổ có kích thước bằng quả bom hạt nhân. Tuy nhiên, con người chưa tạo ra nhiều phản vật chất nên không có gì phải sợ.

Tất cả các phản proton được tạo ra tại máy gia tốc hạt Tevatron của Phòng thí nghiệm Fermi chỉ có kích thước 15 nanogram. Tại CERN, cho đến nay chỉ có khoảng 1 nanogram được sản xuất. Trong DESY ở Đức - không quá 2 nanogram positron.

Nếu tất cả phản vật chất do con người tạo ra bị hủy ngay lập tức, năng lượng của nó thậm chí sẽ không đủ để đun sôi một tách trà.

Vấn đề nằm ở hiệu quả và chi phí sản xuất và lưu trữ phản vật chất. Tạo ra 1 gam phản vật chất cần khoảng 25 triệu tỷ kilowatt giờ năng lượng và tiêu tốn hơn một triệu tỷ đô la. Không có gì ngạc nhiên khi phản vật chất đôi khi được đưa vào danh sách mười chất đắt nhất trong thế giới của chúng ta.

4. Có một thứ gọi là bẫy phản vật chất.

Để nghiên cứu phản vật chất, bạn cần ngăn không cho nó triệt tiêu vật chất. Các nhà khoa học đã tìm ra một số cách để làm điều này.

Các hạt phản vật chất tích điện, như positron và phản proton, có thể được lưu trữ trong cái gọi là bẫy Penning. Chúng giống như những máy gia tốc hạt cực nhỏ. Bên trong chúng, các hạt di chuyển theo hình xoắn ốc trong khi từ trường và điện trường giữ cho chúng không va chạm với thành bẫy.

Tuy nhiên, bẫy Penning không hoạt động đối với các hạt trung tính như phản hydro. Vì chúng không có điện tích, những hạt này không thể bị giới hạn điện trường. Chúng được giữ trong các bẫy Ioffe hoạt động bằng cách tạo ra một vùng không gian nơi từ trường trở nên mạnh hơn theo mọi hướng. Các hạt phản vật chất bị mắc kẹt trong vùng có từ trường yếu nhất.

Từ trường của Trái đất có thể hoạt động như những cái bẫy phản vật chất. Phản proton đã được tìm thấy ở một số vùng nhất định trên Trái đất - vành đai bức xạ Van Allen.

5. Phản vật chất có thể rơi (theo nghĩa đen)

Các hạt vật chất và phản vật chất có cùng khối lượng nhưng khác nhau về các tính chất như điện tích và spin. Mô hình Chuẩn dự đoán rằng lực hấp dẫn sẽ có cùng tác động lên vật chất và phản vật chất, nhưng điều này vẫn còn phải được chứng minh một cách chắc chắn. Các thử nghiệm như AEGIS, ALPHA và GBAR đang nghiên cứu vấn đề này.

Quan sát hiệu ứng hấp dẫn trong phản vật chất không dễ dàng như quan sát một quả táo rơi từ trên cây xuống. Những thí nghiệm này yêu cầu giữ phản vật chất bị giữ lại hoặc làm nó chậm lại bằng cách làm lạnh nó đến nhiệt độ ngay trên không tuyệt đối. Và vì lực hấp dẫn là lực cơ bản yếu nhất nên các nhà vật lý phải sử dụng các hạt phản vật chất trung tính trong các thí nghiệm này để ngăn chặn sự tương tác với lực điện mạnh hơn.

6. Phản vật chất đang được nghiên cứu trong máy điều tiết hạt

Bạn đã nghe nói về máy gia tốc hạt, nhưng bạn đã nghe nói về máy điều tiết hạt chưa? CERN có một cỗ máy gọi là Máy giảm tốc phản proton, trong đó các phản proton bị giữ lại và làm chậm lại để nghiên cứu tính chất và hành vi của chúng.

Trong các vòng máy gia tốc hạt như Máy Va chạm Hadron Lớn, các hạt được tăng cường năng lượng mỗi khi chúng hoàn thành một vòng. Các bộ điều tiết hoạt động theo cách ngược lại: thay vì phân tán các hạt, chúng bị đẩy theo hướng ngược lại.

7 Neutrino có thể là phản hạt của chính chúng

Một hạt vật chất và đối tác phản vật chất của nó mang điện tích trái dấu, giúp dễ dàng phân biệt giữa chúng. Neutrino, những hạt gần như không có khối lượng hiếm khi tương tác với vật chất, không có điện tích. Các nhà khoa học tin rằng chúng có thể là các hạt Majorana, một loại hạt giả thuyết là phản hạt của chính chúng.

Các dự án như Majorana Demonstrator và EXO-200 nhằm xác định xem neutrino có thực sự là hạt Majorana hay không bằng cách quan sát hành trạng của cái gọi là phân rã beta kép không có neutrino.

Một số hạt nhân phóng xạ phân rã đồng thời, phát ra hai electron và hai neutrino. Nếu neutrino là phản hạt của chính chúng, thì chúng sẽ hủy sau một phân rã nhị phân, và các nhà khoa học sẽ chỉ còn lại việc quan sát các electron.

Việc tìm kiếm neutrino Majorana có thể giúp giải thích tại sao có sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất. Các nhà vật lý cho rằng neutrino Majorana có thể nặng hoặc nhẹ. Phổi tồn tại trong thời đại của chúng ta và phổi nặng tồn tại ngay sau đó vụ nổ lớn. Các neutrino Majorana nặng phân rã không đối xứng, dẫn đến một lượng nhỏ vật chất lấp đầy Vũ trụ của chúng ta.

8 Phản vật chất được sử dụng trong y học

PET, PET (Positron Emission Topography) sử dụng positron để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao của cơ thể. Các đồng vị phóng xạ phát ra positron (giống như những gì chúng ta tìm thấy trong chuối) gắn vào hóa chất như glucose, có trong cơ thể. Chúng được tiêm vào máu, nơi chúng phân hủy tự nhiên, phát ra positron. Đến lượt chúng, chúng gặp các điện tử của cơ thể và hủy diệt. Sự hủy diệt tạo ra các tia gamma được sử dụng để xây dựng hình ảnh.

Các nhà khoa học tại dự án ACE của CERN đang nghiên cứu phản vật chất như một ứng cử viên tiềm năng cho việc điều trị ung thư. Các bác sĩ đã phát hiện ra rằng họ có thể hướng các chùm hạt vào khối u phát ra năng lượng chỉ sau khi chúng đã đi qua mô khỏe mạnh một cách an toàn. Sử dụng phản proton sẽ bổ sung thêm một vụ nổ năng lượng. Kỹ thuật này đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc điều trị chuột đồng, nhưng vẫn chưa được thử nghiệm trên người.

9. Phản vật chất có thể ẩn nấp trong không gian

Một cách mà các nhà khoa học đang cố gắng giải quyết vấn đề bất đối xứng vật chất-phản vật chất là tìm kiếm phản vật chất còn sót lại từ vụ nổ Big Bang.

Máy quang phổ từ Alpha (AMS) là một máy dò hạt đặt tại Trung tâm Quốc tế trạm không gian và tìm kiếm những hạt như vậy. AMS chứa từ trường uốn cong đường dẫn hạt vũ trụ và tách vật chất ra khỏi phản vật chất. Máy dò của nó phải phát hiện và xác định các hạt như vậy khi chúng đi qua.

Sự va chạm của các tia vũ trụ thường tạo ra positron và phản proton, nhưng xác suất tạo ra một nguyên tử phản helium vẫn cực kỳ nhỏ do lượng năng lượng khổng lồ cần thiết cho quá trình này. Điều này có nghĩa là việc quan sát chỉ một hạt nhân của phản helium sẽ là bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của một lượng phản vật chất khổng lồ ở những nơi khác trong vũ trụ.

10 người đang thực sự học cách cung cấp năng lượng cho tàu vũ trụ bằng nhiên liệu phản vật chất

Chỉ một chút phản vật chất cũng có thể tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ, khiến nó trở thành nhiên liệu phổ biến cho các con tàu khoa học viễn tưởng trong tương lai.

Lực đẩy tên lửa trên phản vật chất là có thể theo giả thuyết; hạn chế chính là thu thập đủ phản vật chất để thực hiện điều này.

Cho đến nay, không có công nghệ cho sản xuất hàng loạt hoặc tập hợp phản vật chất với số lượng cần thiết cho một ứng dụng như vậy. Tuy nhiên, các nhà khoa học đang nghiên cứu mô phỏng chuyển động và lưu trữ như vậy của chính phản vật chất này. Một ngày nào đó, nếu chúng ta tìm ra cách sản xuất một lượng lớn phản vật chất, nghiên cứu của họ có thể giúp biến việc du hành giữa các vì sao thành hiện thực.

PHẢN VẬT
một chất được tạo thành từ các nguyên tử có hạt nhân mang điện tích âm sạc điện và được bao quanh bởi các positron - các electron mang điện tích dương. Trong vật chất thông thường, từ đó thế giới xung quanh chúng ta được hình thành, các hạt nhân mang điện tích dương được bao quanh bởi các electron mang điện tích âm. Vật chất thông thường, để phân biệt với phản vật chất, đôi khi được gọi là koinsubstance (từ tiếng Hy Lạp koinos - thông thường). Tuy nhiên, trong văn học Nga, thuật ngữ này thực tế không được sử dụng. Cần nhấn mạnh rằng thuật ngữ "phản vật chất" không hoàn toàn chính xác, vì phản vật chất cũng là vật chất, là sự đa dạng của nó. Phản vật chất có cùng tính chất quán tính và tạo ra lực hấp dẫn tương tự như vật chất thông thường. Nói về vật chất và phản vật chất, thật hợp lý khi bắt đầu với các hạt cơ bản (hạ nguyên tử). Mỗi hạt cơ bản tương ứng với một phản hạt; cả hai đều có những đặc điểm gần như giống nhau, ngoại trừ việc chúng có điện tích trái dấu. (Nếu hạt trung tính, thì phản hạt cũng trung tính, nhưng chúng có thể khác nhau ở các đặc điểm khác. Trong một số trường hợp, hạt và phản hạt giống hệt nhau.) Do đó, một electron - một hạt tích điện âm - tương ứng với một positron, và phản hạt của proton mang điện tích dương là phản proton mang điện tích âm. Positron được phát hiện vào năm 1932 và phản proton vào năm 1955; đây là những phản hạt đầu tiên được phát hiện. Sự tồn tại của phản hạt đã được dự đoán vào năm 1928 dựa trên cơ lượng tử Nhà vật lý người Anh P. Dirac. Khi một electron và một positron va chạm, chúng sẽ hủy nhau, tức là cả hai hạt đều biến mất, và hai lượng tử gamma phát ra từ điểm va chạm của chúng. Nếu các hạt va chạm di chuyển với tốc độ thấp thì năng lượng của mỗi tia gamma là 0,51 MeV. Năng lượng này là "năng lượng nghỉ" của electron, hay khối lượng nghỉ của nó, được biểu thị bằng đơn vị năng lượng. Nếu các hạt va chạm di chuyển với tốc độ cao thì năng lượng của tia gamma sẽ lớn hơn do chúng động năng. Sự hủy diệt cũng xảy ra khi một proton va chạm với một phản proton, nhưng quá trình trong trường hợp này phức tạp hơn nhiều. Một số hạt tồn tại trong thời gian ngắn được sinh ra như là sản phẩm trung gian của sự tương tác; tuy nhiên, sau một vài micro giây, neutrino, lượng tử gamma và một số lượng nhỏ các cặp electron-positron vẫn là sản phẩm cuối cùng của quá trình biến đổi. Những cặp này cuối cùng có thể tiêu hủy, tạo ra các tia gamma bổ sung. Sự hủy diệt cũng xảy ra khi một phản neutron va chạm với một neutron hoặc proton. Vì các phản hạt tồn tại nên câu hỏi đặt ra là liệu các phản hạt có thể được hình thành từ các phản hạt hay không. Hạt nhân của các nguyên tử của vật chất thông thường bao gồm các proton và neutron. Hạt nhân đơn giản nhất là của đồng vị hydro thông thường 1H; nó là một proton duy nhất. Hạt nhân deuterium 2H bao gồm một proton và một neutron; nó được gọi là deuteron. Một ví dụ khác về hạt nhân đơn giản là hạt nhân 3He, bao gồm hai proton và một neutron. Phản deuteron, bao gồm một phản proton và một phản neutron, thu được trong phòng thí nghiệm vào năm 1966; hạt nhân phản 3He, bao gồm hai phản proton và một phản nơtron, lần đầu tiên thu được vào năm 1970. Theo vật lý hạt hiện đại, với sự có mặt của hạt nhân thích hợp phương tiện kỹ thuật có thể thu được các phản hạt nhân của tất cả các hạt nhân thông thường. Nếu những phản hạt nhân này được bao quanh bởi số lượng positron thích hợp, thì chúng tạo thành phản nguyên tử. Các phản nguyên tử sẽ có các tính chất gần như chính xác như các nguyên tử thông thường; chúng sẽ tạo thành các phân tử, chúng có thể tạo thành cơ thể rắn, chất lỏng và chất khí, kể cả chất hữu cơ. Ví dụ, hai phản proton và một hạt nhân phản oxy, cùng với tám positron, có thể tạo thành một phân tử phản nước tương tự như H2O nước thông thường, mỗi phân tử bao gồm hai proton của hạt nhân hydro, một hạt nhân oxy và tám electron. Lý thuyết hạt hiện đại có thể dự đoán rằng phản nước sẽ đóng băng ở 0°C, sôi ở 100°C và nếu không thì sẽ hoạt động giống như nước thông thường. Tiếp tục lập luận như vậy, chúng ta có thể đi đến kết luận rằng phản vật chất được tạo ra từ phản vật chất sẽ cực kỳ giống với thế giới bình thường xung quanh chúng ta. Kết luận này đóng vai trò là điểm khởi đầu cho các lý thuyết về một vũ trụ đối xứng dựa trên giả định rằng vũ trụ có một lượng vật chất và phản vật chất thông thường bằng nhau. Chúng ta sống trong phần đó của nó, bao gồm vật chất thông thường. Nếu hai mảnh giống hệt nhau của các chất đối diện được tiếp xúc với nhau, thì sự hủy diệt của các electron với positron và hạt nhân với phản hạt nhân sẽ xảy ra. Trong trường hợp này, lượng tử gamma sẽ phát sinh, qua sự xuất hiện của nó, người ta có thể phán đoán điều gì đang xảy ra. Vì Trái đất, theo định nghĩa, bao gồm vật chất thông thường, nên không có lượng phản vật chất đáng kể nào trong đó, ngoại trừ một số lượng nhỏ phản hạt được tạo ra trong các máy gia tốc lớn và trong các tia vũ trụ. Điều tương tự áp dụng cho tất cả hệ mặt trời. Các quan sát cho thấy rằng chỉ có một lượng bức xạ gamma hạn chế xảy ra trong thiên hà của chúng ta. Từ đó, một số nhà nghiên cứu kết luận rằng không có lượng phản vật chất đáng chú ý nào trong đó. Nhưng kết luận này không phải là không thể chối cãi. Hiện tại không có cách nào để xác định, ví dụ, liệu một ngôi sao lân cận từ vật chất hay phản vật chất; một ngôi sao phản vật chất phát ra quang phổ giống hệt như một ngôi sao bình thường. Hơn nữa, rất có thể vật chất hiếm lấp đầy không gian xung quanh ngôi sao và giống hệt với vật chất của chính ngôi sao được tách ra khỏi các vùng chứa đầy vật chất thuộc loại đối diện - "các lớp Leidenfrost" rất mỏng ở nhiệt độ cao. Do đó, người ta có thể nói về cấu trúc "tế bào" của không gian giữa các vì sao và giữa các thiên hà, trong đó mỗi tế bào chứa vật chất hoặc phản vật chất. Giả thuyết này được hỗ trợ bởi nghiên cứu hiện đại cho thấy từ quyển và nhật quyển (không gian liên hành tinh) có cấu trúc tế bào. Các tế bào có từ hóa khác nhau và đôi khi cũng có nhiệt độ và mật độ khác nhau được ngăn cách bởi các vỏ bọc dòng điện rất mỏng. Do đó dẫn đến kết luận nghịch lý rằng những quan sát này không mâu thuẫn với sự tồn tại của phản vật chất ngay cả trong Thiên hà của chúng ta. Nếu trước đó không có lập luận thuyết phục nào ủng hộ sự tồn tại của phản vật chất, thì giờ đây, những thành công của thiên văn học tia X và tia gamma đã thay đổi tình hình. Hiện tượng liên quan đến một số lượng lớn và thường ở bằng cấp cao nhất giải phóng năng lượng ngẫu nhiên. Nhiều khả năng, nguồn giải phóng năng lượng như vậy là sự hủy diệt. Nhà vật lý người Thụy Điển O. Klein đã phát triển lý thuyết vũ trụ học dựa trên giả thuyết về sự đối xứng giữa vật chất và phản vật chất, đồng thời đi đến kết luận rằng các quá trình hủy diệt đóng vai trò quyết định trong sự tiến hóa của Vũ trụ và sự hình thành cấu trúc của các thiên hà.
Ngày càng rõ ràng rằng lý thuyết thay thế chính - lý thuyết "vụ nổ lớn" - mâu thuẫn nghiêm trọng với dữ liệu quan sát và "vũ trụ học đối xứng" có thể sẽ chiếm vị trí trung tâm trong việc giải quyết các vấn đề vũ trụ học trong tương lai gần. Vai trò của phản vật chất trong các vấn đề của vũ trụ học là chủ đề trong cuốn sách của tác giả Worlds - Antiworlds: Antimatter in Cosmology (1966).
Xem thêm
VŨ TRỤ HỌC;
CÁC HẠT CƠ BẢN.
VĂN HỌC
Weinberg S. Ba phút đầu tiên. M., 1981 Silk J. Vụ nổ lớn. M., 1982 Davis P. Siêu năng lực; tìm kiếm lý thuyết thống nhất thiên nhiên. M., 1989

Bách khoa toàn thư Collier. - Xã hội mở. 2000 .

từ đồng nghĩa:

Xem "ANTI-MATTER" là gì trong các từ điển khác:

phản vật chất... từ điển chính tả

phản vật chất- phản vật chất/, a/ … sáp nhập. Riêng biệt. Thông qua một dấu gạch nối.

MỘT; xem vật lý. Vật chất được cấu tạo từ các phản hạt. ◁ Phản vật chất, ôi, ôi. * * * Phản vật chất là vật chất được cấu tạo từ các phản hạt. Hạt nhân của các nguyên tử phản vật chất bao gồm các phản proton và phản nơtron, và vỏ nguyên tửđược xây dựng từ positron. từ điển bách khoa

Phản vật chất là chất được tạo thành từ các phản hạt. Nội dung 1 Thuộc tính 2 Nhận 3 Chi phí ... Wikipedia

CHỐNG VẬT CHẤT Vật chất được tạo thành từ các phản hạt. Hạt nhân của các nguyên tử phản vật chất bao gồm các phản proton và phản nơtron, và vai trò của các electron được thực hiện bởi các positron. Người ta cho rằng trong những khoảnh khắc đầu tiên của sự hình thành Vũ trụ, phản vật chất và vật chất ... ... bách khoa toàn thư hiện đại

Vật chất được cấu tạo từ các phản hạt. Hạt nhân của các nguyên tử phản vật chất bao gồm phản proton và phản nơtron, và vỏ nguyên tử được cấu tạo từ positron. Sự tích tụ của phản vật chất trong vũ trụ vẫn chưa được khám phá. Trên máy gia tốc hạt tích điện thu được ... ... Từ điển bách khoa toàn thư lớn

PHI VẬT CHẤT, một chất bao gồm các phản hạt, giống hệt các hạt thông thường về mọi mặt, ngoại trừ ĐIỆN TÍCH, XOAY VÀ MÚC TỪ, mà chúng có dấu ngược lại. Khi một phản hạt, chẳng hạn như positron... ... Từ điển bách khoa khoa học kỹ thuật

Thứ Tư Vật chất hình thành từ phản hạt (trong vật lý học). Từ điển giải thích của Efremova. T. F. Efremova. 2000... Từ điển giải thích hiện đại của tiếng Nga Efremova

Vật chất được cấu tạo từ các phản hạt. Hạt nhân của các nguyên tử trong va bao gồm các proton và neutron, và các electron tạo thành vỏ nguyên tử. Trong hạt nhân A. bao gồm các phản proton và phản nơtron, và vị trí của các electron trong lớp vỏ của chúng bị positron chiếm giữ. Theo hiện đại lý thuyết, chất độc... bách khoa vật lý

Tồn tại., số từ đồng nghĩa: 1 phản vật chất (2) Từ điển Từ đồng nghĩa ASIS. V.N. Trisín. 2013... từ điển đồng nghĩa

PHẢN VẬT- vấn đề bao gồm (xem). Câu hỏi về sự phổ biến của A. trong Vũ trụ vẫn còn bỏ ngỏ ... Đại bách khoa toàn thư

Sách

• Universe trên gương chiếu hậu. Chúa có thuận tay phải không? Hoặc đối xứng ẩn, phản vật chất và boson Higgs, Goldberg, Dave. Không thích vật lý? Bạn chưa đọc sách của Dave Goldberg! Cuốn sách này sẽ giới thiệu cho bạn một trong những chủ đề hấp dẫn nhất trong vật lý hiện đại - các đối xứng cơ bản. Rốt cuộc, trong…

Hầu hết mọi thứ mà chúng ta phát hiện trên Trái đất và với sự trợ giúp của các vệ tinh nhân tạo đều là vật chất. Phản vật chất thu được trên Trái đất với sự trợ giúp của các máy gia tốc năng lượng cao. Như vậy, chẳng hạn, đã thu được phản proton, phản deuteron, phản helium và phản nguyên tử.
Quan sát trực tiếp phản vật chất bằng các phương pháp thiên văn là không thể, bởi vì các photon được tạo ra bởi sự tương tác của các hạt phản vật chất với nhau không thể phân biệt được với các photon được tạo ra bởi sự tương tác của các hạt vật chất. Lý do là photon là một hạt trung tính thực sự và. Về nguyên tắc, có thể phân biệt vật chất với phản vật chất bằng cách quan sát neutrino ν và phản neutrino, nhưng những quan sát như vậy hiện không thực tế.
Nếu có những khu vực trong môi trường trực tiếp của Trái đất trong đó phản vật chất chiếm ưu thế, thì điều này sẽ tự biểu hiện dưới dạng hủy diệt lượng tử γ, được hình thành trong quá trình hủy diệt vật chất và phản vật chất. Các tia vũ trụ là một lập luận quan trọng ủng hộ ưu thế của vật chất so với phản vật chất. Chúng là các hạt vật chất - proton, electron, hạt nhân nguyên tử được tạo thành từ proton và neutron.
Sự hình thành các hạt phản vật chất được quan sát là kết quả của sự tương tác giữa các hạt năng lượng cao của bức xạ vũ trụ với bầu khí quyển của Trái đất. Phản hạt được hình thành ở những khu vực có nồng độ năng lượng tăng lên. Ví dụ, sự hình thành các phản hạt xảy ra trong nhân của các thiên hà đang hoạt động. Như một quy luật, trong những trường hợp như vậy, các hạt phản vật chất xuất hiện cùng với các hạt vật chất. Giai đoạn tiếp theo là sự hình thành và hủy diệt của các hạt vật chất và phản vật chất. Ví dụ, một photon có năng lượng lớn hơn 1 MeV có thể tạo thành cặp electron-positron trong trường của hạt nhân nguyên tử. Positron thu được sẽ hủy khi gặp một electron, thường tạo thành 2 lượng tử γ và ít thường xuyên hơn là lượng tử 3 γ.
Vấn đề về sự tồn tại của phản vật chất trong Vũ trụ là một vấn đề cơ bản của vật lý học, nó gắn liền với vấn đề hình thành và phát triển của Vũ trụ.
Hiện hữu giả thuyết khác nhau về lý do tại sao vũ trụ quan sát được bao gồm gần như hoàn toàn bằng vật chất. Có những vùng nào trong vũ trụ mà phản vật chất chiếm ưu thế không? Có thể sử dụng phản vật chất? Lý do cho sự bất đối xứng rõ ràng của vật chất và phản vật chất trong vũ trụ hữu hình là một trong những bí ẩn lớn nhất chưa có lời giải trong vật lý hiện đại. Quá trình xảy ra sự bất đối xứng này giữa các hạt và phản hạt được gọi là quá trình tạo bary.
Cho đến những năm 1950, quan điểm phổ biến là vũ trụ có cùng lượng vật chất và phản vật chất. Tuy nhiên, vào giữa những năm 1960, nghiên cứu trong lĩnh vực lý thuyết Big Bang đã làm lung lay quan điểm này. Thật vậy, nếu trong những khoảnh khắc đầu tiên về sự tồn tại của Vũ trụ nóng và đặc, số lượng hạt và phản hạt là như nhau, thì sự hủy diệt của chúng sẽ dẫn đến thực tế là chỉ còn lại bức xạ trong Vũ trụ. Hiện tại, hầu hết các nhà vật lý đều đồng ý rằng do vi phạm CP trong Vũ trụ, trong những khoảnh khắc đầu tiên của quá trình tiến hóa của các hạt, nhiều hơn một chút so với phản hạt đã được hình thành - khoảng một hạt trên 10 9 cặp hạt-phản hạt. Kết quả là, sau khi tiêu diệt, một số lượng nhỏ các hạt vẫn còn.
Một khả năng khác để giải thích sự thống trị của vật chất trong Vũ trụ "gần đó" là giả định rằng phản vật chất tập trung ở những vùng rất kém được khám phá của Vũ trụ. Năm 1979, Floyd Stecker gợi ý rằng sự bất đối xứng của vật chất và phản vật chất có thể phát sinh một cách tự phát trong những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ nổ lớn, khi vật chất và phản vật chất bay ra xa nhau.
Vì bức xạ điện từ tương tác theo cùng một cách với cả vật chất và phản vật chất, các hành tinh, ngôi sao và thiên hà từ vật chất và phản vật chất thành bức xạ điện từ nhìn giống nhau. Do đó, các phương pháp khác là cần thiết để tìm kiếm phản vật chất trong Vũ trụ. Một phương pháp như vậy là quan sát các phản hạt nhân trong không gian vũ trụ. Đây phải là những phản hạt nhân có số khối A > 4. Nếu có thể phát hiện hạt nhân phản heli gần Trái đất, chúng ta sẽ có đủ bằng chứng ủng hộ sự tồn tại của các vùng có hàm lượng phản vật chất cao trong Vũ trụ.
Tại sao người ta phải tìm kiếm hạt nhân antihelium hoặc hạt nhân nặng hơn để tìm kiếm phản vật chất? Thực tế là các phản proton có thể được hình thành do sự tương tác của các proton siêu tương đối tính hoặc các hạt nhân khác của các tia vũ trụ. Phổ năng lượng của các phản proton như vậy (thường được gọi là phản proton thứ cấp) sẽ thể hiện cực đại rộng trong vùng 2 GeV. Các nguồn phản proton khác, được gọi là sơ cấp, có thể là sự hủy diệt của các hạt siêu đối xứng giả thuyết, trong đó vật chất tối được cho là bao gồm - neutron và / hoặc sự bay hơi của các lỗ đen "sơ cấp". Sự hủy cặp của các neutron trung tính có thể dẫn đến việc tạo ra các tia phản quark-phản quark, tiếp theo là quá trình hadron hóa chúng và hình thành các phản proton. Lỗ đen nguyên thủy có thể hình thành trong vũ trụ sơ khai. Những lỗ đen như vậy với khối lượng 10 14-15 có thể làm bay hơi các hạt khá mạnh (bức xạ Hawking). Sự đóng góp của các phản proton sơ cấp như vậy vào phổ năng lượng được ghi lại có thể được cố gắng phát hiện trong vùng năng lượng thấp< 1 ГэВ.
Dòng phản proton thứ cấp có thể được ước tính tùy thuộc vào kiểu mẫu được chấp nhận của Thiên hà. Nó đạt cực đại ở mức năng lượng ~10 GeV. Trong phạm vi năng lượng lên tới vài trăm GeV, có hy vọng thu được thông tin về cả quá trình tạo bary và/hoặc sự hủy của các hạt siêu đối xứng và/hoặc WIMP theo bản chất của phổ.
Sự hình thành các antideuteron dưới tác động của các tia vũ trụ ít có khả năng xảy ra hơn nhiều. Phổ của các phản proton thứ cấp nên được chuyển sang năng lượng cao hơn so với phổ của các phản proton thứ cấp và giảm nhanh khi năng lượng giảm. Đối với các phản deuteron nguyên thủy được tạo ra bởi sự hủy diệt của các hạt vật chất tối và/hoặc sự bay hơi của các lỗ đen nguyên thủy, cực đại của quang phổ được mong đợi ở mức năng lượng< 1 ГэВ. Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо разделены.
Xác suất hình thành các hạt nhân antihelium dưới tác động của các tia vũ trụ là rất nhỏ. Thật vậy, đối với điều này, hai phản proton và hai phản nơtron phải được hình thành ở một nơi và gần như đồng thời, và vận tốc tương đối của chúng phải nhỏ. Năm 1997, Pascal Chardonnet ước tính xác suất của một sự kiện như vậy. Theo ước tính của ông, cứ 10 15 proton tia vũ trụ siêu tương đối tính thì có thể hình thành một hạt nhân antihelium. Thời gian chờ đợi trung bình cho một sự kiện như vậy là 15 tỷ năm, tương đương với tuổi của vũ trụ.
Nếu trong Vũ trụ ở giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa, các vùng không gian thực sự được hình thành trong đó vật chất hoặc phản vật chất chiếm ưu thế, thì chúng nên được tách ra, bởi vì. Tại ranh giới của các vùng này, áp suất ánh sáng được hình thành, phân tách vật chất và phản vật chất. Sự hủy diệt sẽ diễn ra ở ranh giới giữa các vùng có vật chất và phản vật chất, và theo đó, lượng tử gamma hủy diệt sẽ được phát ra. Tuy nhiên, kính viễn vọng tia gamma hiện đại không phát hiện ra bức xạ như vậy. Dựa trên độ nhạy của kính viễn vọng, các ước tính đã được thực hiện. Theo họ, các vùng phản vật chất không thể ở gần hơn 65 triệu năm ánh sáng. Do đó, không chỉ có những vùng như vậy trong thiên hà của chúng ta mà còn trong cụm thiên hà của chúng ta, bao gồm, ngoài dải Ngân Hà thêm 50 thiên hà khác.
Việc đăng ký các hạt nhân antihelium hình thành ở những khoảng cách như vậy là một vấn đề phức tạp. Không dễ để một hạt nhân antihelium đến được máy dò từ một khoảng cách xa như vậy và được đăng ký. Đặc biệt, nó có thể "vướng" vào từ trường thiên hà và liên thiên hà, do đó không bao giờ bay xa khỏi nơi hình thành. Ngoài ra, antihelium sẽ liên tục có nguy cơ bị hủy diệt. Và cuối cùng, máy dò không phải là mục tiêu quá lớn để dễ dàng bị bắn trúng từ một khoảng cách khổng lồ như vậy. Do đó, hiệu quả phát hiện hạt nhân antihelium là cực kỳ thấp.
Trong điều kiện "di chuyển" của antihelium, có rất nhiều điều không chắc chắn, điều này không cho phép chúng ta ước tính xác suất phát hiện hạt nhân. Luôn có khả năng là nếu máy dò nhạy hơn một chút, thì việc khám phá sẽ xảy ra.
Rõ ràng là thời gian "hành trình" của một phản hạt nhân năng lượng nhỏ có thể nhỏ hơn thời gian tồn tại của Vũ trụ. Do đó, cần phải săn lùng các phản hạt nhân năng lượng cao. Ngoài ra, những hạt nhân như vậy có nhiều khả năng vượt qua gió vũ trụ thiên hà.
Đối với positron và phản proton, chúng cũng có thể được phát ra từ các vùng phản vật chất giả định và đóng góp vào quang phổ được đo gần Trái đất. So với phản proton, positron khó phát hiện hơn. Điều này là do thông lượng của các proton, là nguồn gốc của nền, lớn hơn 10 3 so với thông lượng của positron. Tín hiệu từ positron đến từ vùng phản vật chất có thể bị "chìm" trong tín hiệu từ positron do các quá trình khác tạo ra. Trong khi đó, nguồn gốc của positron trong các tia vũ trụ cũng chưa được biết hoàn toàn. Có positron sơ cấp trong các tia vũ trụ không? Có mối liên hệ nào giữa sự dư thừa phản proton và positron không? Để làm rõ tình hình, cần phải đo quang phổ của positron trong một dải năng lượng rộng.
Lần đầu tiên phóng một thiết bị nghiên cứu các tia vũ trụ vào thượng tầng khí quyển bằng khinh khí cầu được thực hiện vào năm 1907 bởi Victor Hess. Cho đến đầu những năm 1950, việc nghiên cứu các tia vũ trụ là nguồn gốc của những khám phá quan trọng nhất trong vật lý hạt cơ bản. Phản proton đã được quan sát thấy trong các thí nghiệm như vậy từ năm 1979 (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), tập 1, trang 330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev .Let., 43, 1196). Chúng đã mở ra những khả năng mới trong việc nghiên cứu phản vật chất và vật chất tối. nghiên cứu hiện đại tia vũ trụ, một kỹ thuật được phát triển cho các thí nghiệm trên máy gia tốc được sử dụng.
Cho đến gần đây, hầu như tất cả thông tin về các phản hạt trong tia vũ trụ đều thu được bằng cách sử dụng các máy dò phóng vào các tầng cao của khí quyển trên bóng bay. Đồng thời, một nghi ngờ nảy sinh rằng có nhiều phản proton hơn so với ước tính về xác suất xuất hiện của chúng do sự tương tác của các tia vũ trụ với môi trường giữa các vì sao(phản proton thứ cấp). Các cơ chế được đề xuất để giải thích các phản proton "quá mức" đã cho dự đoán khác nhau cho quang phổ năng lượng của các phản proton. Tuy nhiên, thời gian bay ngắn của khinh khí cầu và sự hiện diện của tàn dư bầu khí quyển trái đất đã hạn chế khả năng của những thí nghiệm như vậy. Dữ liệu có độ không đảm bảo lớn, hơn nữa, không vượt quá 20 GeV năng lượng.
Để đăng ký phản hạt, người ta sử dụng những quả bóng bay lớn (lên tới 3 triệu mét khối), có khả năng nâng các máy dò nặng tới 3 tấn lên độ cao ~ 40 km, theo quy luật, giống như Montgolfier, chúng mở ở phía dưới và mất heli khi nhiệt độ bên ngoài giảm xuống. Trong hầu hết các trường hợp, thời gian của chuyến bay không quá 24 giờ. Ngoài ra, nhiệt độ khí quyển, sau khi giảm nhanh từ 0 xuống 20–25 km, bắt đầu tăng lên, đạt cực đại ở độ cao ~40 km, sau đó bắt đầu giảm trở lại. Vì thể tích của quả bóng giảm khi nhiệt độ của không khí bên ngoài giảm, chiều cao tối đađi lên không thể cao hơn ~40 km. Ở độ cao này, bầu khí quyển vẫn còn khá dày đặc và dòng phản proton có năng lượng vài chục GeV, được hình thành trong quá trình tương tác của các tia vũ trụ sơ cấp với khí quyển còn sót lại, vượt quá dòng phản proton được tạo ra trong môi trường thiên hà. Đối với năng lượng cao hơn của các hạt đã đăng ký, sai số trở nên quá lớn để thu được kết quả đáng tin cậy.
Gần đây, các chuyến bay dài hơn (lên đến 20 ngày) đã bắt đầu được thực hiện. Họ cũng sử dụng khí cầu mở, nhưng tổn thất khí heli đã giảm đáng kể bằng cách phóng khí cầu ở vĩ độ rất cao, gần các cực, trong ngày vùng cực. Tuy nhiên, khối lượng tải trọng của chúng khi bay lên độ cao 40 km không vượt quá 1 tấn, quá nhỏ để đo các dòng phản vật chất ở năng lượng cao. Để thực hiện các chuyến bay siêu dài trong khinh khí cầu (khoảng 100 ngày), người ta cũng nên sử dụng khinh khí cầu kín. Chúng dày hơn và nặng hơn, không mất khí heli và có thể chịu được chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài. Chúng có thể nâng các dụng cụ tương đối nhẹ, dưới 1 tấn.

Cơm. 20.1. Phóng khinh khí cầu thăm dò bằng thiết bị vật lý.

Cơm. 20.2. Máy dò bức xạ vũ trụ BESS-Polar II. Máy quang phổ (1) với Tấm năng lượng mặt trời (2).

Việc tìm kiếm antihelium bằng quang phổ kế trên khinh khí cầu được thực hiện như một phần của thí nghiệm BÚP BÊ (b sinh ra e thí nghiệm với S siêu dẫn S quang kế) (Hình 20.2). Từ năm 1993 đến năm 2000, máy quang phổ BESS đã nhiều lần được phóng lên bầu khí quyển phía trên ở miền bắc Canada. Thời gian của các chuyến bay là khoảng một ngày. Máy quang phổ không ngừng được cải tiến và độ nhạy tăng lên. Tổng độ nhạy đối với tỷ lệ helium/antihelium đạt được trong loạt chuyến bay này là ~6,8×10 −7 trong phạm vi độ cứng 1-14 GV. Trong thí nghiệm BESS-TeV (2001), phạm vi độ cứng của máy quang phổ được tăng lên 500 GV và đạt được độ nhạy 1,4 × 10 −4. Để tăng số liệu thống kê trong năm 2004-2008. các chuyến bay kéo dài nhiều ngày của máy quang phổ cải tiến (0,6-20 GV) đã được thực hiện ở Nam Cực. Vào năm 2004-2005, trong chuyến bay BESS-Polar I kéo dài 8,5 ngày, độ nhạy 8×10 −6 đã đạt được. Năm 2007-2008 Trong chuyến bay BESS-Polar II (thời gian đo 24,5 ngày), độ nhạy 9,8 × 10 −8 đã đạt được. Tổng độ nhạy, có tính đến tất cả các chuyến bay BESS, đạt 6,7×10 −8 . Không một hạt nhân antihelium nào được tìm thấy.
Máy quang phổ từ tính được sử dụng trong chuyến bay BESS-Polar II bao gồm một nam châm điện từ có thành siêu mỏng siêu dẫn, một bộ theo dõi trung tâm (JET/IDC), một kính soi thời gian bay (TOF) và một máy dò Cherenkov (Hình 20.3 ).

Cơm. 20.3. Mặt cắt của máy quang phổ thí nghiệm BESS-Polar II.

Máy đo thời gian bay cho phép đo vận tốc (β) và tổn thất năng lượng (dE/dx). Nó bao gồm các quầy nhấp nháy bằng nhựa trên và dưới, bao gồm 10 và 12 dải nhấp nháy (100×950×10 mm). Độ phân giải thời gian của hệ thống thời gian bay là ~70 ps. Ngoài ra, còn có một bộ đếm nhấp nháy thứ ba (Middle-TOF), được đặt bên trong điện từ và bao gồm 64 thanh nhấp nháy bằng nhựa. Nó cho phép bạn hạ thấp ngưỡng đăng ký năng lượng do các hạt không thể bay qua đáy điện từ.
Buồng trôi được đặt trong một từ trường đều. Sử dụng 28 điểm, mỗi điểm có độ chính xác 200 μm, độ cong quỹ đạo của hạt đi vào máy quang phổ được tính toán, giúp xác định độ cứng từ tính R = pc/Ze và dấu điện tích của nó.
Bộ đếm Cherenkov airhelium cho phép tách các tín hiệu từ phản proton và phản deuteron ra khỏi nền e - /μ - .

Cơm. 20.4. Xác định các hạt trong thiết lập BESS.

Việc xác định các hạt được thực hiện theo khối lượng (Hình 20.4), có liên quan đến độ cứng R, vận tốc hạt β và tổn thất năng lượng dE/dx được đo bằng cách sử dụng bộ đếm thời gian bay và buồng trôi theo tỷ lệ

Đối với điều này, các vùng tương ứng được chọn trên phân phối hai chiều dE/dx – |R| và β-1-R.

vành đai bức xạ phản proton của trái đất

Sự hợp tác của PAMELA đã phát hiện ra một vành đai bức xạ xung quanh Trái đất ở khu vực Dị thường Nam Đại Tây Dương. Phổ của phản proton và proton được đo trực tiếp trong vành đai bức xạ và bên ngoài vành đai bức xạ (Hình 20.5, 20.6).
Nó chỉ ra rằng các phản proton, được đăng ký bởi các thiết bị dò được lắp đặt trên khinh khí cầu và vệ tinh, có nguồn gốc thứ cấp. Chúng được hình thành do sự tương tác của các tia vũ trụ thiên hà với vật chất giữa các vì sao hoặc bầu khí quyển trong phản ứng pp → ppp. Tuy nhiên, một đóng góp lớn hơn nhiều được tạo ra bởi sự phân rã của phản nơtron albedo (phản nơtron có dòng hướng ra khỏi Trái đất), phát sinh trong phản ứng
pp → ppn . Các phản nơtron này đi qua địa từ trường và phân rã, tạo thành các phản proton → + e + + ν e . Một số phản proton được tạo ra có thể bị từ quyển bắt giữ, tạo thành vành đai bức xạ phản proton. Giống như nguồn chính của vành đai bức xạ proton là sự phân rã suất phản xạ của neutron, do đó, sự phân rã của phản neutron dẫn đến sự hình thành vành đai phản proton.
Từ dữ liệu thực nghiệm, mật độ của phản proton trong vành đai bức xạ lớn hơn 3–4 bậc độ lớn so với mật độ của phản proton bên ngoài vành đai bức xạ. Hình dạng của phổ phản proton được hình thành trực tiếp do sự tương tác của các tia vũ trụ thiên hà gần như trùng khớp với hình dạng của phổ phản proton bên ngoài vành đai bức xạ phản proton.
Vấn đề phát hiện phản vật chất trong Vũ trụ còn lâu mới được giải quyết. Một cuộc tìm kiếm tích cực về phản vật chất được dự kiến ​​trong các chương trình của kính viễn vọng không gian của Fermi et al.