Содержание
что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино / Хабр
Антивещество — штука достаточно популярная, как в научной фантастике, так и просто в околонаучных спорах о том, “как все устроено на самом деле”. Фантасты нам подарили звезды и целые планетные системы из антивещества. Дэн Браун через “Ангелов и демонов” донес этот феномен практически до каждого.
В общем, вымыслов и домыслов предостаточно. В статье немного окунемся в историю: как почти чистая математика предсказала такой феномен, как им пытались «пренебречь», до тех пор, пока антивещество само не залетело в детекторы. Потом пробежимся по тому, что известно сейчас и дойдем до самой большой головной боли физиков — почему вещества во Вселенной оказалось больше, чем антивещества?
Это статья написана в продолжении ну о-о-очень вялотекущего цикла о нейтринной физике: открытие нейтрино, нейтринные осцилляции для чайников, нейтрино от сверхновых.
Немного истории
Начало квантовой механики
Зайдем издалека, почти с самого создания квантмеха.
У физиков никак не получалось посчитать, как светится нагретое тело. То, что оно светится никто не спорит, благо невооруженным глазом видно, но вот в цифрах посчитать не получается — интеграл расходится, получается бесконечность. Макс Планк предлагает простой трюк — давайте будем считать, что свет излучается порциями, а не непрерывно. И вуаля — бесконечность исчезает, а результат расчетов отлично сходится с экспериментом. Забавно, что Планк очень долго доказывал, что это трюк чисто математический, и никакого физического смысла тут нет. Эйнштейн же сразу подхватил эту идею и предположил, что свет вообще существует исключительно в виде отдельных порций — фотонов. И потом еще долго спорил с Планком и объяснял ему, что тот открыл на самом деле.
Тут-то физики и развернулись. Возможность описать свет и как волну, и как летящую частицу сразу же вызвало предложение пройти обратным путем — описать частицу как волну, посчитать для нее волновые характеристики: длину, частоту. Экспериментальное подтверждение не заставило себя долго ждать, и в 1927 году удалось продемонстрировать интерференцию электронов при прохождении через две щели — чисто волновой эффект!
На волне этих идей Шредингер придумывает как описать любые частицы с помощью волнового уравнения.
Не будем погружаться глубоко в математику, скажем лишь, что это уравнение позволяло для заданных условий вычислить волновые характеристики частицы: вероятность найти ее в том или ином месте, вероятность иметь определенную скорость и тд. Так в те времена описывали феномен корпускулярно-волнового дуализма.
Антивещество выходит на сцену
За 20 лет до этого Эйнштейн сформулировал свою специальную теорию относительности. В контексте нашей статьи чрезвычайно важна установленная им связь между массой, энергией и импульсом. Большинство людей вспомнят это знаменитое выражение только для покоящейся частицы . Она простая, красивая, но, к сожалению, не применима для движущихся частиц. Для них еще нужно учитывать и импульс (р):
И вот тут и сидит множество проблем! Они и приведут к открытию антивещества!
Уравнение Шредингера хорошо работало для не очень быстрых частиц. В таких случаях оставались верными знакомые всем со школы уравнения ньютоновской механики.
Но нас окружает множество очень быстрых частиц и для них нужно использовать приведенное выше уравнение, связывающее энергию, импульс и массу. Проблема была в извлечении корня для нахождения энергии. Поль Дирак в 1930 придумал хитрый способ сделать это при помощи матриц и обобщил уравнение Шредингера на высокоэнергетичные частицы.
Тут он столкнулся с хорошо всем знакомой класса так с 7-го проблемой: извлечение корня дает два решения. Помните, решая задачи в школе, иногда вы получали отрицательные решения? Обычно при этом пишут «не имеет физического смысла» и в ответ старательно выписывают одно положительное решение. Например, считая когда встретятся движущиеся машины, вы получали ответы: -1 час и 3 часа, первый всегда отбрасывался. Он не лишен смысла, час назад машины действительно были в одной точке, но для ответа на вопрос: «Когда они встретятся в будущем?», — не годится.
Так вот, Дирак, обсчитывая движение электрона, получил решения с отрицательной энергией. Первой идеей было отбросить этот ответ как «не имеющий физического смысла».
Но, как и в случае с машинами, какой-то смысл за этим решением все же должен быть!
Если допустить существование таких состояний с отрицательной энергией (и положительным зарядом), то в физике наступит полнейший хаос. Давайте рассмотрим это на примере простой картинки:
Здесь по вертикальной оси отложена энергия частицы. Сверху на желтом фоне обычные электроны с положительной энергией и отрицательным зарядом. Чем больше энергия, тем больше скорость — все интуитивно понятно. Но вот внизу… Огромная синяя экзотическая область. Там, если энергия уменьшается, иными словами уходит глубже в минус, то скорость растет. Это вообще как?!
Дальше — хуже. Ведь любая система стремится к минимуму энергии, шарик всегда будет стремиться оказаться на дне ямки. Так и абсолютно все электроны будут стремиться упасть в самый-самый низ, безостановочно разгоняясь… В общем, не останется в мире электронов.
Дирак, будучи влюбленным в красоту математики, настаивал, что решение должно иметь смысл.
За это он был неоднократно критикован. Его объявляли в слепом следовании математике, несмотря на физический смысл. Достаточно привести цитату Гейзенберга, к слову, близкого друга Дирака:
Самой печальной главой современной физики есть и остается теория Дирака…
Я считаю ее попросту мусором, к которому никто не может относиться серьезно.
Но Дирак продолжил спасать свою теорию, а заодно и всю физику. Он предположил, что эта синяя область уже заполнена электронами, и именно поэтому они туда сверху не падают — места нет (помните принцип Паули?). Просто свойство вакуума такое, что вся синяя область заполнена. Такой заполненный слой частиц называют “морем Дирака”. Тут любопытно рассмотреть два случая:
- Можно электрон в синей области очень сильно пнуть, например, фотоном. Он получит большую энергию и выскочит в желтую зону. Теперь у нас будет электрон (с положительной энергией — все в порядке) и дырка (отсутствие электрона) в синей зоне, которая будет вести себя как положительная частица.
- Отрицательно заряженный электрон, естественно, будет притягиваться к положительной дырке и даже может в нее упасть. Тогда и электрон перестанет существовать, и дырка — она же заполнится.
Остался вопрос — с чем отождествить дырку в окружающем нас мире? Дирак предложил протон. На что Оппенгеймер справедливо заметил, что это ставит под угрозу существование атома водорода — ведь протон и электрон тогда могли бы встретиться и исчезнуть.
Экспериментальное открытие
Итак, мы приходим к экспериментальным поискам кандидата на роль «дырки» в дираковском море. Мы знаем, что она должна быть заряжена положительно и по массе примерно соответствовать электрону.
Предполагается, что первым странные частицы наблюдал Дмитрий Скобельцын в 20х годах. Ему удалось заметить в детекторе треки, похожие на электрон, но с положительным зарядом. Объяснить такой эффект он не смог, и статья опубликована не была.
После Скобельцына на историческую сцену выходят аспиранты нобелевского лауреата Роберта Милликена (премия за работы по фотоэффекту и измерению заряда электрона). Один их них — Чунг-Яо Чао, наблюдал прохождение фотонов через свинцовую фольгу. И тоже обнаружил необычные частицы. Но ни его руководитель, ни научное сообщество не поверило результатам, и признания они не получили. Второй аспирант, Карл Андерсон, к слову, друг Чао, наблюдал фотоны космических лучей в камере Вильсона. Его руководитель ожидал увидеть, как они будут раскалывать атомы на протоны и электроны. Частицы в камере летели в основном сверху вниз. И снова среди них обнаружились «электроны», отклоняющиеся в магнитном поле другую сторону — то есть положительно заряженные. Сначала Андерсон подумал, что это обычные электроны, но летящие снизу вверх. Он добавил в эксперимент свинцовую пластинку, чтобы убедиться, что частицы прилетели именно сверху. Но и тут Милликен не поверил своему аспиранту. Андерсон после продолжительных безуспешных попыток убедить шефа все же опубликовал свою работу.
Надо отметить, что ни Андерсон, ни Милликен, скорее всего, не знали о теории Дирака. Ни у кого не возникло идеи отождествить необычные частицы с «дырками» в «море Дирака».
Следующий шаг сделали в Кембридже Блэкетт и Оккиалини. Они сумели сфотографировать достаточно большое число треков легких положительных частиц. Они уже знали о теории Дирака, но все равно не воспринимали ее всерьез.
Андерсон, прочитав работу коллег, опубликовал второе, более подробное описание своих экспериментов. Наконец, под напором большого числа доказательств общественность признала открытие позитрона — именно так была названа предсказанная Дираком частица. За свое открытие Андерсон получил в 1936 году Нобелевскую премию.
Замечу, что на сегодняшний день наблюдать антивещество может каждый. Инструкций как сделать облачную камеру Вильсона полно (например). Остается только добавить к ней электромагнит для разделения разноименно заряженных частиц.
Теперь мы знаем, что антивещество существует.
В четком согласовании с теорией частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположные заряды. Обычно говорят об электрическом заряде. Но стоит помнить, что и другие квантовые заряды должны быть строго противоположны (или оба равны нулю). То есть, если частица участвует в сильном ядерном взаимодействии, то и античастица никуда не денется — будет участвовать.
Антивещество во вселенной
Первое антивещество было обнаружено при помощи космических лучей. Сами эти лучи до земли не долетали, но порождали целые ливни вторичных частиц в атмосфере планеты. Вот их-то и увидел Андерсон и компания. Совершенно логично задаться вопросом — а сколько этого антивещества во Вселенной и где его искать? Как мы видим, на Земле его нет, иначе оно бы активно аннигилировало с обычным веществом. Есть ли оно в космосе? Тут ответить не так-то просто. В основном мы наблюдаем космос в электромагнитных лучах. То есть к нам прилетают фотоны. Они являются сами себе античастицей.
И позитрон, и электрон породили бы абсолютно одинаковый фотон. Как и водород/антиводород. А вдруг все (кроме Земли) сделано из антивещества? И тогда при встрече нас ждет полное уничтожение в мощнейшей вспышке.
В реальности, космос не такой уж и пустой. В Солнечной системе полно астероидов, комет и пыли. Пыль, в астрономии — это, на всякий случай, все, что меньше метра в диаметре. Всё это постоянно сталкивается и взаимодействует друг с другом. Если бы где-то встретились мир и антимир, мы бы это сразу увидели. Давайте смотреть шире — галактика Млечный путь. Но и в ней полно газовых облаков, они не изолированы друг от друга. Граница мира и антимира должна была бы сиять очень и очень ярко. Хорошо, с галактикой понятно. Если идти в самые темные области Вселенной — в пространство между сверхскоплениями галактик, то и там найдется несколько атомов водорода на сотню кубометров. Да, это очень мало, но сигнал от аннигиляции должен приходить строго на одной частоте. Редкие события будут происходить во Вселенной постоянно и сигнал с четко определенной энергией не составит труда обнаружить.
Пока что наши наблюдения показывают, что антивещества в больших масштабах во Вселенной нет.
Возникает фундаментальнейший вопрос: как же образовалось полное доминирование вещества над антивеществом? Можно предложить два сценария:
- Давайте постулируем, что во Вселенной с самого начало было больше вещества. С самого начала Большого Взрыва.
- Изначально, вещество и антивещество были в равных пропорциях. Затем каким-то образом вещества оказалось больше.
Первый путь кажется очень простым. Но он плохо согласуется с нашим пониманием ранней Вселенной. На ранних этапах она состояла в основном из излучения (фотонов), а у них нет антипартнеров. То есть они не могли создавать только частицы или античастицы. К тому же, эта гипотеза не очень элегантна. Столкнувшись с проблемой, мы искусственным образом фиксируем нужное нам значение параметра модели. Физика же, наоборот, старается минимизировать количество рукотворных (начальных) параметров и по-максимуму предоставить природе свободу.
Так что необходимо придумать способ как сгенерировать превосходство вещества над антивеществом при равных исходных пропорциях. В первую очередь зададимся вопросом — а насколько больше вещества было в ранней Вселенной? Наши наблюдения показывают, что на 10 000 000 000 тождественных пар кварк-антикварк, приходился один лишний кварк. Со временем эти миллионы пар проаннигилировали, а из одной «лишней» частицы и вышло все вещество Вселенной, которое мы можем видеть вокруг. Нам всего лишь остается придумать как именно образовалась такая ничтожная асимметрия, положившая начало нашему миру вещества.
Условия Сахарова
Что же нам понадобится, чтобы создать такую асимметрию?
1) Необходим процесс, который меняет . Ведь понятно, что если мы рождаем/уничтожаем барионы и анти-барионы (читай, кварки/анти-кварки) вместе, то симметрию мы не нарушим.
Думаете это все? Как бы не так!
Вот нашли мы процесс, который создает больше барионов, чем анти-барионов.
Открываем шампанское? Нет. Может запросто отыскаться зеркальный процесс, который создает анти-барионов больше ровно на такое же количество.
2а) Необходимо отличие в процессах для частиц и для анти-частиц. Это называется нарушением С-симметрии (charge, зарядовая).
2б) Еще нам потребуется, чтобы законы физики отличались в зеркально отраженном мире. Зачем еще и это? Допустим, у нас разные законы для частиц и для античастиц. Но вдруг они выражаются в том, что античастицы вылетают «влево», а частицы «вправо»? Опять все компенсируется. Нужно и эту симметрию нарушать. Это называется P-симметрией (parity, пространственная).
Всего в физике три фундаментальных симметрии — C, P, T. С первыми двумя вы познакомились, третья — временная, меняем течение времени на противоположное. Все вместе они должны сохраняться. Иначе поломается.
Чтобы как-то упорядочить кашу в вашей голове, которая уже окончательно заварилась, давайте посмотрим на простую картинку, которая наглядно покажет, что и как каждая симметрия меняет.
Допустим у нас есть ядро кобальта. Оно представляет из себя маленький магнит, или, выражаясь более строго, имеет не нулевой спин. Ядро это радиоактивное и может испускать электроны. Как будет выглядеть эта картина, если мы применим разные симметрии?
С — меняет частицы на античастицы
P — меняет направление движения на обратное, но сохраняет направления вращения. Ведь если взять шарик летящий по кругу, развернуть его скорость и поместить в противоположную сторону окружности, он продолжит крутиться в ту же сторону. Спин (намагниченность) часто отождествляют именно с вращением, поэтому он при зеркальном отображении не меняется.
3) Все это должно сопровождаться дико неоднородными процессами: какой-нибудь фазовый переход или неоднородное расширение.
Третье условие во Вселенной соблюдалось, неоднородности там были страшные. Первое условия выходит за рамки этой и без того подробной статьи. Скажу только, что пути решения этой проблемы есть. Сосредоточимся на наиболее интересном, на мой взгляд, пункте под номером 2.
Нарушения в кварках
На первый взгляд условия кажутся фантастическими. Ведь мы же почти уверены, что частицы и античастицы абсолютно симметричны. А уж лево-право тем более! Не может же природа сама, без вмешательства человека определить, где лево, а где право? Оказывается может.
В 1956 году Ву проводит свой знаменитый эксперимент. Всё в точности, как на картинке, приведенной выше для пространственной (P) симметрии. Она сравнивает количество электронов, вылетевших вверх и вниз. И оно оказывается разным! Законы физики отличаются для нашего и зеркального мира.
Сказать, что физики удивились — ничего не сказать. Ландау потеря этой симметрии страшно разочаровала. Но он был уверен, что уж комбинированная симметрия частиц/античастиц и право/лево (CP) должна сохраняться.
Спойлер — нет. В 1964 году, наблюдая за К мезонами, удалось обнаружить нарушение CP симметрии. Спустя годы, этот эффект удалось открыть для B мезонов (2001), а этой весной (2019) было объявлено от открытии этого эффекта для D мезонов.
Почему для разных частиц это важно? Они состоят из разных кварков. То, что эффект работает одинаково для всех из них, очень хорошо показывает, что наша кварковая модель отлично описывает реальность.
Казалось бы, всё, что нам нужно для создания Вселенной готово. Но нет. Эффект оказался слишком мал. Его не хватало даже для того, чтобы создать тот самый один лишний кварк на 10 000 000 000 пар кварк-антикварк.
Как могут помочь нейтрино
Итак, решить эту проблему с помощью кварков не получилось. Что еще есть в Стандартной Модели элементарных частиц, что может помочь?
Лептоны (электрон, мюон, нейтрино и тд). Для них наблюдается такой интересный эффект: они могут по кругу менять свои сорта — превращаться друг в друга, этот процесс называется нейтринными осцилляциями. И вот именно в этом процессе можно найти так необходимое физике CP нарушение, которое может оказаться гораздо сильнее, чем для кварков.
В мире действует достаточно экспериментов, исследующих этот эффект.
Но для того, чтобы измерить разницу между свойствами нейтрино и антинейтрино нужно наблюдать в одинаковых условиях оба этих типа частиц. Причем необходима огромная статистика, ведь эффект ожидается чрезвычайно малым. Обычно природа не так сильно чувствительна к разнице частиц и античастиц. В настоящий момент на такие измерения способны только ускорительные эксперименты, которые измеряют осцилляции нейтрино при пролете им сотен километров. Давайте разберем что это такое и как такое реализуют.
Ускорительные эксперименты с нейтрино
Еще в 60х годах 20го века впервые удалось использовать ускорители для рождения большого числа нейтрино. В начале 21го века эту технологию начали применять для исследования нейтринных осцилляций. Схема получения интенсивного пучка нейтрино достаточно простая: пучок протонов направляется на графитовую мишень, где сталкивается с атомами углерода. При этих столкновениях вылетает большое количество мезонов (пар кварк-антикварк).
Это заряженные нестабильные частицы. Пока они не распались их фокусируют магнитным полем, чтобы создать интенсивный пучок, направленный строго в детектор. А потом они распадаются на нейтрино, и вот у нас уже огромное количество нейтрино летит строго в детектор.
Одним из ведущих экспериментов в мире в этой области — T2K (Tokai-to-Kamioka), построенный в Японии.
Нейтрино производятся на восточном побережья Японии с помощью ускорителя протонов. Затем они пролетают в толще Земли 300 километров и попадают в дальний детектор — 50 килотонную бочку с водой SuperKamiokande. На своем пути они могут менять свой тип: превращаются из мюонных нейтрино в электронные. Недавно были получены указания на то, что нейтрино и антинейтрино ведут себя по разному. А именно, нарушают ту самую CP симметрию.
Возможно, это составная часть механизма, который и позволил нашей Вселенной сформироваться почти исключительно из вещества.
Фотография внутри SuperKamiokande во время работ в прошлом году.
У дальней стены видны люди в лодке, слева на плоту также работает человек.
Сейчас в мире работают два ускорительных нейтринных детектора T2K в Японии и NOvA в США. В ближайшее десятилетие планируются эксперименты нового поколения HyperKamiokande в Японии и DUNE в США. Первый будет представлять из себя существенно улучшенную версию SuperKamiokande. Бочка с водой станет в 5 раз больше, светочувствительные элементы станут более точными — все это позволяет надеяться на окончательное решение вопроса с отличием в поведении нейтрино и антинейтрино.
А должны ли частицы отличаться от античастиц?..
Говоря о разнице между частицами и античастицами, нельзя не упомянуть еще одну интересную особенность нейтрино. С самого начала статьи мы подразумевали, что, например, кварк и антикварк отличаются друг от друга. То есть они суть разные частицы. Для заряженных частиц это всегда так, ведь ее партнер должен обладать противоположным зарядом.
Очевидно же, что они должны отличаться.
С нейтральными частицами все сложнее. Вдруг они могут являться и частицами и античастицами одновременно? Да, могут! Итальянский физик Этторио Майорана показал, что для нейтрино эти два состояния могут совпадать. Нейтрино уникально в том смысле, что ни кварки, ни заряженные лептоны (например, электрон/мюон) никак не могут обладать таким свойством.
Возможно, тут сообразительный читатель вспомнит про нейтрон — нейтральную частицу, которая вместе с протоном образует ядра атомов. Но нет, нейтрон — составная частица. Она состоит из кварков, а значит антинейтрон должен состоять из антикваров. Поскольку кварки обладают зарядом, то их антипартнеры должны отличаться от оригинальных частиц.
Нейтрино — уникальная в этом плане частица. И какую же пользу мы можем из этого извлечь? Представим себе нейтрино, которое родилось в обычном бета-распаде. Это будет анти-нейтрино. Вместе с ним из ядра вылетит электрон. Но вот взаимодействовать это анти-нейтрино может не как анти-частица, а как частица, ведь они могут быть одинаковые.
В результате получится еще один электрон.
В результате: из ничего мы получили два электрона. Не позитрона, а именно электрона! Вот пример того, как можно получить преимущество вещества над антивеществом. Сейчас ведутся активные поиски аналога такого процесса. Он называется безнейтринный двойной бета-распад. Невероятно чувствительные установки (раз, два, три и т.д.) стоят глубоко под землей для защиты от проникающих лучей, часто в очень чистой среде. Они пытаются зарегистрировать хоть одно такое событие, которое приведет к рождению двух электронов из двух нейтронов. Открытие такого эффекта позволит однозначно указать, что нейтрино и антинейтрино — тождественные частицы. Но пока такие события не найдены и поиски продолжаются.
Уже в ближайшие годы мы можем ожидать интересных открытий в нейтринной физике, которые могут пролить свет на проблему доминирования вещества во Вселенной.
Stay tuned!
(с) Symmetry Magazine
Спойлер для вдумчивых
Упомянутые в статье корпускулярно-волновой дуализм и «море Дирака» являются устаревшими концепциями.
Они красивы с эстетической точки зрения и легки для наглядных демонстраций. По факту «море» дает вакуум с бесконечным числом частиц и бесконечной плотностью энергии, что очень парадоксально. Создание квантовой электродинамики позволило решить эту проблему и сейчас процесс рождения/аннигиляции рассматривается исключительно с помощью инструментов квантовой теории поля.
Но предложенная идея «моря» нашла свое применение в физике твердого тела. Там вовсю оперируют понятиями электрона и «дырки». Но это уже не позитроны, а лишенные электрона атомы — ионы.
Спойлер для очень вдумчивых
На самом деле это даже не электроны и ионы — это просто удобные абстракции для описания процессов. Поэтому, в физике твердого тела, эти псевдочастицы могут иметь почти любую массу, а иногда и почти любую скорость. Так появляются статьи с провокационными на первый взгляд заголовками, вроде «Ученые получили в кристалле электрон с отрицательной массой»
Все, теперь моя совесть по уточнениям чиста:)
Хочется поблагодарить коллег и сообщество ЦЕРНач за помощь в работе над статьей.
Напоминаю, что в ЦЕРНаче можно найти свежие новости по физике частиц, а с недавних пор и стримы из самого ЦЕРНа.
Источники
www.popmech.ru/science/9812-etyud-ob-antichastitsakh-antimateriya-antiveshchestvo-chto-eto-takoe/#part1
multimidia.ufrgs.br/conteudo/frontdaciencia/dirac%20antimatter%20paper.pdf
Dirac, P. A. M. (1930). «A Theory of Electrons and Protons». Proc. R. Soc. Lond. A. 126 (801): 360–365. Bibcode:1930RSPSA.126..360D. doi:10.1098/rspa.1930.0013. JSTOR 95359
Почему контакт с другими мирами опасен для людей: запретная антиматерия
Античастицы способны складываться в антиатомы и антимолекулы. Теоретически могут существовать целые антигалактики, заполненные антизвездами, где на антипланетах живут разумные существа. Правда, контактировать с ними для нас будет крайне опасно.
Роман Фишман
Getty Images
Антиматерия – это ровно то же, что и обычная материя, только наоборот.
Она состоит из античастиц, которые во всем подобны соответствующим частицам, но несут противоположный заряд. Антипротон – отрицательный протон, позитрон – положительно заряженный электрон. Лишь для некоторых нейтральных частиц, например фотонов, античастицы одинаковы во всем. Антивещество, словно в Зазеркалье, отражает привычное нам вещество, из которого сложены видимые галактики и звезды, Земля и все, что есть на ней. Однако, сколько ученые ни искали, никаких признаков того, что где-то существуют состоящие из античастиц планеты и живые существа, пока не обнаружили.
Возможно, это и к лучшему, ведь при встрече вещества с антивеществом они моментально аннигилируют. Вся их масса переходит в энергию, выделяя на порядки больше, чем самая эффективная термоядерная реакция, – 90 000 ГДж на 1 г, то есть более 21 кт в тротиловом эквиваленте. Поэтому в обычных условиях антиматерия долго не живет. Античастицы возникают при столкновениях в коллайдерах, попадаются и в составе высокоэнергетического космического излучения – но в момент контакта с частицами они взаимоуничтожаются.
Антиподы
В современной Вселенной доминирует обычное вещество, но, возможно, так было не всегда. С точки зрения законов физики антивещество ничем не хуже, и вскоре после Большого взрыва, когда в новорожденном пространстве-времени стали появляться первые массивные частицы, наряду с ними должны были возникать и их антиподы. Куда они потом пропали, неизвестно. Согласно одной из самых авторитетных гипотез, вещества все же образовалось чуть больше. Поэтому после того, как вся антиматерия аннигилировала, сохранилось достаточно обычной материи, чтобы сложить окружающий нас мир. Однако такой сценарий оставляет возможность и для более интересного развития событий.
Космос настолько велик и расширяется так быстро, что отдельные его области могли оказаться не затронутыми «всеобщей аннигиляцией» молодой Вселенной. Вполне вероятно, что в далеких уголках сохранились скопления антивещества, защищенные от встречи с веществом огромными пустынными пространствами.
В середине 1950-х физикам впервые удалось искусственно создать антипротоны, а к настоящему времени получены отдельные атомы антиводорода и антигелия. Это антивещество часто называют самым дорогим материалом в мире: в самом деле, производство всего лишь 1 г. потребовало бы около 25 млрд долл. в ценах 2006 года.
Действуя на протяжении миллиардов лет, электрические и гравитационные силы могли произвести в этих изолированных участках то же, что и везде, сложив облака газа и пыли, планеты и звезды. Так почему бы не предположить, что там теперь есть антигалактики, населенные разумными антисуществами, которые дышат антикислородом и пьют антиводу?..
Антископления
Впрочем, в существовании целых антигалактик астрономы сомневаются. Такие количества антивещества обязательно нашли бы способ «утекать», а взаимодействие с веществом создавало бы заметное гамма-излучение, благодаря чему мы бы уже обнаружили такие структуры.
То же касается и более крупных образований, таких как скопления и сверхскопления галактик: ни одно из них не показывает характерного излучения в гамма-диапазоне. Однако «антиобъекты» поменьше могут скрываться даже от самых современных телескопов.
Взять хотя бы шаровые скопления – компактные и плотные, включающие сотни тысяч звезд, а не миллиарды, как полновесные галактики. Как правило, они содержат мало газа и пыли, новые светила в них уже не рождаются, а те, что есть, – старые, небольшие и довольно тусклые. В пределах Млечного Пути насчитывается около полутора сотен шаровых скоплений, и некоторые из них теоретически могут состоять из антизвезд. Недавно российские ученые во главе с профессором МИФИ Максимом Хлоповым показали, что если эти антископления не проходят сквозь плотные области галактики, а существуют на далекой периферии, то внешне они не должны слишком отличаться от обычных. Антизвезды в них точно так же живут и умирают, излучают, сливаются и взрываются сверхновыми.
Однако все эти процессы должны приводить к возникновению потоков античастиц – и возможно, некоторые из тех, что обнаруживаются в составе падающих на Землю космических лучей, появились именно в таких антископлениях.
Антиконтакт
Имеется и еще более невероятная, но теоретически допустимая возможность существования миров из антивещества. Дело в том, что ученые до сих пор не уверены в идентичности свойств частиц и античастиц. Некоторые модели предсказывают, что при взаимодействии между ними гравитация должна проявлять себя зеркально: не притягивать, а отталкивать вещество и антивещество. Физики, работающие с античастицами на ускорителях и коллайдерах, пока не сумели ни подтвердить, ни опровергнуть эту теорию.
Гипотеза не считается общепринятой, однако она оставляет шанс на существование «антимиров» куда больших, чем просто компактные скопления. Настоящих антигалактик и сверхскоплений, которые «расталкивают» обычное вещество – и именно поэтому почти не взаимодействуют с ним и не испускают гамма-лучей.
В таких крупномасштабных структурах действительно могли бы возникнуть и антипланеты, и даже разумные антисущества. Жаль только, что контакты с «антисобратьями» получатся крайне ограниченными, чтобы не привести к аннигиляции обеих высоких сторон.
Огромную проблему составляет хранение антивещества, норовящего аннигилировать при любом контакте с обычной материей. Такие частицы удерживают в ловушках электрических и магнитных полей, хотя и не слишком надежно. Рекорд составляет 405 дней для антипротонов и 17 минут – для атомов антиводорода.
«Современные представления о строении и эволюции Вселенной опираются на принципы космомикрофизики – науки о фундаментальной взаимосвязи микро- и макромира. Эти принципы позволяют связать глобальные свойства обозримой Вселенной и ее структуру с гипотетическими физическими процессами, которые идут при высоких энергиях частиц, недостижимых на существующих ускорителях и коллайдерах. При таком подходе, по сути, вся Вселенная оказывается лабораторией, а ее наблюдаемые свойства выступают как результат эксперимента.
В этом контексте особое место занимает изучение теоретических моделей происхождения наблюдаемого избытка вещества над антивеществом. Ряд моделей допускает, что при общем доминировании вещества во Вселенной существуют макроскопические области, где преобладает антивещество. А их эволюция может привести к образованию в том числе и шарового скопления антизвезд в нашей галактике. Доказательством существования такого скопления может быть регистрация ядер антигелия в космических лучах – указания на это появились в эксперименте АМS-02, проходящем на МКС. Если полученные данные подтвердятся, нам придется всерьез рассмотреть такую фантастическую возможность, как наличие антизвезд».
Антивещество: прорыв в физике или угроза всем живущим?
Электрон и позитрон – первая пара “частица-античастица”, открытая учеными
Вселенная полна удивительных тайн. Пугающие черные дыры, парадокс «темной материи», непредсказуемые двойные звезды. Одной из самых известных и интригующих загадок, несомненно, является антивещество, состоящее из «вывернутой наизнанку» материи.
Открытие данного феномена – одно из наиболее важных достижений физики в прошлом столетии.
До этого момента ученые были уверены, что элементарные частицы – фундаментальные и неизменные кирпичики мироздания, которые не рождаются заново и никогда не исчезают. Эта скучная и незамысловатая картина ушла в прошлое, когда выяснилось, что заряженный отрицательно электрон и его двойник из антимира позитрон при встрече взаимно уничтожаются, порождая кванты энергии. А позже стало очевидным, что элементарные частицы вообще любят превращаться друг в друга, причем самыми причудливыми способами. Открытие антивещества стало началом коренной трансформации представлений о свойствах мироздания.
Антиматерия уже давно стала излюбленной темой научной фантастики. Корабль «Энтерпрайз» из культового «Звездного пути» использует для покорения галактики двигатель на антивеществе. В книге Дэна Брауна «Ангелы и демоны» главный герой спасает Рим от бомбы, созданной на основе этой субстанции. Подчинив неисчерпаемые объемы энергии, которая получается при взаимодействии вещества с антивеществом, человечество обретёт могущество, превосходящее предсказания самых смелых фантастов.
Нескольких килограммов антиматерии вполне достаточно для пересечения Галактики.
Но до создания оружия и космических аппаратов еще очень далеко. В настоящее время наука занята теоретическим обоснованием существования антиматерии и исследованием ее свойств, причем ученые используют в своих опытах десятки, в крайнем случае, сотни атомов. Время их жизни исчисляется долями секунд, а стоимость экспериментов – десятками миллионов долларов. Физики уверены, что знания об антивеществе помогут нам лучше понять эволюцию Вселенной и события, происходившие в ней сразу после Большого взрыва.
Корабль из сериала “Стар трек”. Для покорения Галактики он использует антиматерию
Содержание
Что такое антивещество и каковы его свойства?
Антивещество – это особый вид материи, состоящей из античастиц. Они обладают тем же спином и массой, что и обычные протоны и электроны, но отличаются от них знаком электрического и цветового заряда, барионным и лептонным квантовым числом. Говоря простыми словами, если атомы обычного вещества состоят из положительно заряженного ядра и отрицательного электронов, то у антивещества все обстоит наоборот.
При взаимодействии материи и антиматерии происходит аннигиляция с выделением фотонов или других частиц. Энергия, получаемая при этом, огромна: одного грамма антивещества достаточно для взрыва мощностью в несколько килотонн.
Согласно современным представлениям, вещество и антивещество имеют одинаковую структуру, потому что силовое и электромагнитное взаимодействия, определяющие ее, действуют абсолютно идентично как на частицы, так и на их «двойников».
Считается, что антиматерия также может создавать гравитационную силу, но окончательно данный факт еще не доказан. Теоретически гравитация должна действовать на вещество и антивещество одинаково, но это еще предстоит выяснить экспериментальным путем. Сейчас над данным вопросом работают в проектах ALPHA, AEGIS и GBAR.
В конце 2015 года с помощью коллайдера RHIC ученым удалось измерить силу взаимодействия между антипротонами.
Оказалось, что она равна аналогичной характеристике протонов.
В настоящее время известны «двойники» практически всех существующих элементарных частиц, кроме так называемых «истинно нейтральных», которые при зарядовом сопряжении переходят в самих себя. К этим частицам относятся:
- фотон;
- бозон Хиггса;
- нейтральный пи-мезон;
- эта-мезон;
- гравитрон (пока не обнаруженный).
Антиматерия находится гораздо ближе, чем вы думаете. Источником антивещества, правда, не слишком мощным, являются обычные бананы. Они содержат изотоп калий-40, который распадается с образованием позитрона. Это происходит примерно один раз в 75 минут. Данный элемент также входит в состав человеческого тела, так что каждого из нас можно назвать генератором античастиц.
Из истории вопроса
Впервые допустил мысль о существовании материи «с другим знаком» британский ученый Артур Шустер еще в конце XIX века. Его публикация на эту тему была довольно туманной и не содержала никакой доказательной базы, скорее всего, на гипотезу ученого натолкнуло недавнее открытие электрона.
Он же первым ввел в научный обиход термины «антивещество» и «антиатом».
Экспериментально антиэлектрон был получен еще до своего официального открытия. Это удалось сделать советскому физику Дмитрию Скобельцину в 20-е годы прошлого столетия. Он получил странный эффект при исследовании гамма-лучей в камере Вильсона, но объяснить его так и не смог. Теперь мы знаем, что феномен был вызван появлением частицы и античастицы – электрона и позитрона.
В 1930 году известный британский физик Поль Дирак, работая над релятивистским уравнением движения для электрона, предсказал существование новой частицы с той же массой, но противоположным зарядом. В то время ученые знали только одну положительную частицу – протон, однако она была в тысячи раз тяжелее электрона, поэтому интерпретировать данные, полученные Дираком, так и не смогли. Двумя годами позже американец Андерсон обнаружил «двойника» электрона при исследовании излучения из космоса. Он получил название позитрон.
youtube.com/embed/g-BswhMnFp8″ frameborder=»0″ allowfullscreen=»allowfullscreen»>
К середине прошлого столетия физики успели неплохо изучить эту античастицу, было разработано несколько способов ее получения. В 50-е годы ученые открыли антипротон и антинейтрон, в 1965 году был получен антидейтрон, а в 1974 году советским исследователям удалось синтезировать антиядра гелия и трития.
В 60-е и 70-е годы античастицы в верхних слоях атмосферы искали с помощью воздушных шаров с научной аппаратурой. Этой группой руководил нобелевский лауреат Луис Альварец. Всего было «поймано» около 40 тыс. частиц, но ни одна из них к антиматерии не имела никакого отношения. В 2002 году аналогичными изысканиями занялись американские и японские физики. Они запустили огромный воздушный шар BESS (объем 1,1 млн м3) на высоту в 23 километра. Но и им за 22 часа эксперимента не удалось обнаружить даже простейших античастиц. Позже аналогичные опыты были проведены в Антарктиде.
В середине 90-х европейским ученым удалось получить атом антиводорода, состоящий из двух частиц: позитрона и антипротона.
В последние годы удалось синтезировать значительно большее количество этого элемента, что позволило продвинуться в изучении его свойств.
Для “ловли” античастиц используются даже космические аппараты
В 2005 году чувствительный детектор антивещества был установлен на Международной космической станции (МКС).
Антиматерия в условиях космоса
Первооткрыватель позитрона Поль Дирак считал, что во Вселенной существуют целые области, полностью состоящие из антивещества. Об этом он говорил в своей нобелевской лекции. Но пока ученым не удалось обнаружить ничего подобного.
Конечно, в космосе присутствуют античастицы. Они появляются на свет благодаря многим высокоэнергетическим процессам: взрывам сверхновых звезд или горению термоядерного топлива, возникают в облаках плазмы вокруг черных дыр или нейтронных звезд, рождаются при столкновениях высокоэнергетических частиц в межзвездном пространстве. Более того, небольшое количество античастиц постоянно «проливается» дождем на нашу планету.
Распад некоторых радионуклидов также сопровождается образованием позитронов. Но все вышеперечисленное – это только античастицы, но не антивещество. До сих пор исследователям не удалось отыскать в космосе даже антигелий, что уж говорить о более тяжелых элементах. Провалом завершились и поиски специфического гамма-излучения, которое сопровождает процесс аннигиляции при столкновении вещества и антивещества.
Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.
Существует гипотеза, что на ранних этапах жизни нашей Вселенной количество вещества и антивещества почти совпадало: на каждые миллиард антипротонов и позитронов приходилось ровно столько же их «визави», плюс один «лишний» протон и электрон. Со временем основная часть материи и антиматерии исчезла в процессе аннигиляции, а из избытка возникло все, что нас сегодня окружает. Правда, не совсем понятно, откуда и почему появились «лишние» частицы.
Получение антивещества и трудности этого процесса
В 1995 году ученым удалось создать всего лишь девять атомов антиводорода. Они просуществовали несколько десятков наносекунд, а затем аннигилировали. В 2002 году число частиц исчислялось уже сотнями, а срок их жизни увеличился в несколько раз.
Античастица, как правило, рождается вместе со своим обычным «двойником». Например, для получения позитрон-электронной пары необходимо взаимодействие гамма-кванта с электрическим полем атомного ядра.
Получение антиматерии – весьма хлопотное занятие. Этот процесс происходит в ускорителях, а хранятся античастицы в специальных накопительных кольцах в условиях высокого вакуума. В 2010 году физикам впервые удалось поймать в специальную ловушку «целых» 38 атомов антиводорода и удержать их на протяжении 172 миллисекунд. Для этого ученым пришлось охлаждать 30 тыс. антипротонов до температуры ниже -70 °C и два миллиона позитронов до -230 °C.
Для получения антиматерии нужны сложнейшие устройства
На следующий год исследователям удалось значительно улучшить результаты: увеличить срок жизни античастиц до целой тысячи секунд. В дальнейшем планируется выяснить отсутствие или наличие эффекта антигравитации для антиматерии.
Вопрос хранения антиматерии – настоящая головная боль для физиков, ведь антипротоны и позитроны мгновенно аннигилируют при встрече с любыми частицами обычного вещества. Для их удержания ученым пришлось придумывать хитрые приспособления, способные предотвращать катастрофу.
Заряженные античастицы хранятся в так называемой ловушке Пеннинга, которая напоминает миниатюрный ускоритель. Ее мощное магнитное и электрическое поле не дает позитронам и антипротонам столкнуться со стенками прибора. Однако подобное устройство не работает с нейтральными объектами, вроде атома антиводорода. Для этого случая была разработана ловушка Иоффе. Удержание антиатомов в ней происходит за счет магнитного поля.Стоимость антивещества и его энергетическая эффективность
Учитывая сложность получения и хранения антиматерии, не удивительно, что цена ее очень высока. Согласно расчетам НАСА, в 2006 году один миллиграмм позитронов стоил примерно 25 млн долларов. По более ранним данным, грамм антиводорода оцениваелся в 62 трлн долларов. Примерно такие же цифры дают и европейские физики из CERN.
Потенциально антиматерия – это идеальное топливо, сверхэффективное и экологически чистое. Проблема в том, что всей антиматерии, созданной до сих пор людьми, едва хватит, чтобы вскипятить хотя бы чашку кофе.
Синтез одного грамма антивещества требует затраты 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии, что делает любое практическое применение этой субстанции попросту абсурдным. Возможно, когда-нибудь мы и будем заправлять ею звездолеты, но для этого необходимо придумать более простые и дешевые методы получения и долговременного хранения.
Существующие и перспективные способы применения
В настоящее время антивещество используется в медицине, при проведении позитронно-эмиссионной томографии. Этот метод позволяет получить изображение внутренних органов человека в высоком разрешении. Радиоактивные изотопы наподобие калия-40 соединяют с органическими веществами типа глюкозы и вводят в кровеносную систему пациента. Там они испускают позитроны, которые аннигилируются при встрече с электронами нашего тела. Гамма-излучение, полученное в ходе этого процесса, формирует изображение исследуемого органа или ткани.
Антивещество также изучается в качестве возможного средства против онкологических заболеваний.
Применение антиматерии, несомненно, имеет огромные перспективы. Она сможет привести к настоящему перевороту в энергетике и позволит людям достичь звезд. Любимым коньком авторов фантастических романов являются звездолеты с так называемыми варп-двигателями, позволяющими перемещаться со сверхсветовой скоростью. Сегодня существует несколько математических моделей подобных установок, и большинство из них используют в работе антивещество.
Есть и более реалистичные предложения без сверхсветовых полетов и гиперпространства. Например, предлагается вбрасывать в облако антипротонов капсулу из урана-238 с находящимся внутри дейтерием и гелием-3. Разработчики проекта считают, что взаимодействие данных составляющих приведет к началу термоядерной реакции, продукты которой, будучи направленными магнитным полем в сопло двигателя, обеспечат кораблю значительную тягу.
Для полетов на Марс за один месяц американские инженеры предлагают использовать ядерное деление, инициируемое антипротонами.
По их подсчетам, для подобного путешествия необходимо всего лишь 140 нанограммов этих частиц.Учитывая значительное количество энергии, выделяемой при аннигиляции антивещества, эта субстанция – прекрасный кандидат для начинки бомб и других взрывоопасных предметов. Даже небольшого количества антивещества достаточно для создания боеприпаса, сопоставимого по мощности с ядерной бомбой. Но пока об этом преждевременно беспокоиться, ибо данная технология находится на самом раннем этапе своего развития. Вряд ли подобные проекты смогут осуществиться в ближайшие десятилетия.
Пока же антивещество – в первую очередь, предмет изучения теоретической науки, который очень много может рассказать об устройстве нашего мира. Подобное положение вещей вряд ли изменится пока мы не научимся получать его в промышленных масштабах и надежно сберегать. Только тогда можно будет говорить о практическом использовании этой субстанции.
Десять фактов об антиматерии, которые вы могли не знать
Антиматерия — это предмет научной фантастики.
В книге и фильме « Ангелы и демоны » профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антивещества. Звездный корабль Star Trek использует двигатель аннигиляции материи и антиматерии для путешествий со скоростью, превышающей скорость света.
Но антиматерия также является веществом реальности. Частицы антиматерии почти идентичны своим аналогам из материи, за исключением того, что они несут противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречается с материей, они немедленно аннигилируют в энергию.
Хотя бомбы на антиматерии и космические корабли, работающие на антиматерии, неправдоподобны, есть еще много фактов об антиматерии, которые пощекочут ваши мозговые клетки.
Иллюстрации Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
1. Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого взрыва.
Согласно теории, Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в равных количествах. Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют, не оставляя после себя ничего, кроме энергии.
Так что в принципе никто из нас не должен существовать.
Но мы знаем. И, насколько физики могут сказать, это только потому, что в конце концов на каждый миллиард пар материи и антиматерии приходилась одна лишняя частица материи. Физики усердно работают, пытаясь объяснить эту асимметрию.
Иллюстрации Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
2. Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете.
Небольшие количества антивещества постоянно падают на Землю в виде космических лучей, энергетических частиц из космоса. Эти частицы антивещества достигают нашей атмосферы со скоростью от менее одной на квадратный метр до более 100 на квадратный метр. Ученые также видели свидетельства образования антивещества над грозами.
Но другие источники антивещества еще ближе к дому. Например, бананы производят антиматерию, высвобождая один позитрон — эквивалент антиматерии электрона — примерно каждые 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия.
Когда калий-40 распадается, он иногда выбрасывает в процессе позитрон.
Наши тела также содержат калий-40, а это значит, что вы тоже излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует сразу же при контакте с материей, поэтому эти частицы антиматерии очень недолговечны.
Иллюстрации Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
3. Люди создали лишь незначительное количество антивещества.
Аннигиляции антиматерии и материи потенциально могут высвободить огромное количество энергии. Грамм антиматерии может произвести взрыв размером с ядерную бомбу. Однако люди произвели лишь незначительное количество антивещества.
Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватрон Фермилаб, в сумме составляют всего 15 нанограммов. Те, что сделаны в ЦЕРНе, составляют около 1 нанограмма. В DESY в Германии на сегодняшний день произведено около 2 нанограммов позитронов.
Если бы вся антиматерия, когда-либо созданная людьми, была уничтожена сразу, полученной энергии не хватило бы даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.
Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Для производства 1 грамма антивещества потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более миллиона миллиардов долларов.
Иллюстрации Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
4. Существует такая штука, как ловушка антивещества.
Чтобы изучать антиматерию, нужно предотвратить ее аннигиляцию с материей. Ученые создали способы сделать именно это.
Заряженные частицы антивещества, такие как позитроны и антипротоны, могут удерживаться в устройствах, называемых ловушками Пеннинга. Их можно сравнить с крошечными ускорителями. Внутри частицы вращаются по спирали, поскольку магнитное и электрическое поля не дают им столкнуться со стенками ловушки.
Но ловушки Пеннинга не работают с нейтральными частицами, такими как антиводород. Поскольку у них нет заряда, эти частицы не могут удерживаться электрическими полями. Вместо этого они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле увеличивается во всех направлениях.
Частица застревает в области с самым слабым магнитным полем, как шарик, катящийся по дну чаши.
Магнитное поле Земли также может действовать как своего рода ловушка для антиматерии. Антипротоны были обнаружены в зонах вокруг Земли, называемых радиационными поясами Ван Аллена.
Иллюстрации Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
5. Антиматерия может упасть.
Частицы антиматерии и материи имеют одинаковую массу, но различаются по своим свойствам, таким как электрический заряд и вращение. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна оказывать одинаковое влияние на материю и антиматерию; однако этого еще предстоит увидеть. Такие эксперименты, как AEGIS, ALPHA и GBAR, усердно работают, пытаясь это выяснить.
Наблюдать за действием гравитации на антивещество не так просто, как наблюдать за падением яблока с дерева. Эти эксперименты должны удерживать антивещество в ловушке или замедлять его, охлаждая до температуры чуть выше абсолютного нуля.
А поскольку гравитация является самой слабой из фундаментальных сил, физики должны использовать в этих экспериментах нейтральные частицы антивещества, чтобы предотвратить вмешательство более мощной электрической силы.
Иллюстрации студии Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
6. Антиматерия изучается в замедлителях частиц.
Вы слышали об ускорителях частиц, но знали ли вы, что существуют и замедлители частиц? В ЦЕРН находится машина под названием Antiproton Decelerator, накопительное кольцо, которое может захватывать и замедлять антипротоны для изучения их свойств и поведения.
В круговых ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, частицы получают заряд энергии каждый раз, когда совершают оборот. Замедлители работают в обратном направлении; вместо повышения энергии частицы получают толчок назад, чтобы замедлить их скорость.
Иллюстрации Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
7. Нейтрино могут быть античастицами самих себя.
Частица материи и ее партнер из антиматерии несут противоположные заряды, поэтому их легко различить. Нейтрино, почти безмассовые частицы, редко взаимодействующие с материей, не имеют заряда. Ученые полагают, что это могут быть майорановские частицы, гипотетический класс частиц, которые являются сами по себе античастицами.
Такие проекты, как Majorana Demonstrator и EXO-200, направлены на определение того, являются ли нейтрино майорановскими частицами, путем поиска поведения, называемого безнейтринным двойным бета-распадом.
Некоторые радиоактивные ядра одновременно распадаются, высвобождая два электрона и два нейтрино. Если бы нейтрино были сами по себе античастицами, они аннигилировали бы друг друга после двойного распада, и ученые наблюдали бы только электроны.
Обнаружение майорановских нейтрино может помочь объяснить, почему существует асимметрия антиматерии-материи. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть как тяжелыми, так и легкими.
Легкие существуют сегодня, а тяжелые появились бы только сразу после Большого взрыва. Эти тяжелые майорановские нейтрино распались бы асимметрично, что привело бы к крошечному избытку материи, который позволил бы существовать нашей Вселенной.
Иллюстрации Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
8. Антиматерия используется в медицине.
ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) использует позитроны для получения изображений тела с высоким разрешением. Радиоактивные изотопы, излучающие позитроны (такие, как обнаруженные в бананах), присоединены к химическим веществам, таким как глюкоза, которые естественным образом используются организмом. Они вводятся в кровоток, где естественным образом расщепляются, высвобождая позитроны, которые встречаются с электронами в организме и аннигилируют. Аннигиляции производят гамма-лучи, которые используются для построения изображений.
Ученые в рамках проекта CERN ACE изучили антиматерию в качестве потенциального кандидата для лечения рака.
Врачи уже обнаружили, что они могут воздействовать на опухоли пучками частиц, которые высвобождают свою энергию только после безопасного прохождения через здоровые ткани. Использование антипротонов добавляет дополнительный прилив энергии. Было обнаружено, что этот метод эффективен на клетках хомяка, но исследователям еще предстоит провести исследования на клетках человека.
Иллюстрации студии Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
9. Антиматерия, которая должна была помешать нашему существованию, возможно, все еще скрывается в космосе.
Один из способов, которым ученые пытаются решить проблему асимметрии антиматерии и материи, — поиск антиматерии, оставшейся после Большого взрыва.
Альфа-магнитный спектрометр — это детектор частиц, который находится на Международной космической станции и ищет эти частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют траекторию космических частиц, отделяя материю от антиматерии. Его детекторы оценивают и идентифицируют частицы по мере их прохождения.
Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия крайне мала из-за огромного количества энергии, которое для этого потребуется. Это означает, что наблюдение даже одного ядра антигелия будет убедительным доказательством существования большого количества антиматерии где-то еще во Вселенной.
Иллюстрации Sandbox Studio, Чикаго с Аной Ковой
10. Люди на самом деле изучают, как заправлять космические корабли антивеществом.
Даже горстка антивещества может производить огромное количество энергии, что делает его популярным топливом для футуристических транспортных средств в научной фантастике.
Ракетный двигатель на антивеществе гипотетически возможен; основным ограничением является сбор достаточного количества антивещества, чтобы это произошло.
В настоящее время нет доступных технологий для массового производства или сбора антиматерии в объеме, необходимом для этого приложения.
Тем не менее, небольшое количество исследователей провели исследования моделирования движения и хранения. Среди них Ронан Кин и Вей-Мин Чжан, работавшие в Академии Вестерн Резерв и Кентском государственном университете соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создавать или собирать большое количество антиматерии, их исследования могут помочь межзвездным путешествиям на антиматерии стать реальностью.
Чтобы узнать больше об антиматерии, см. Четыре (еще) факта об антиматерии, которые вы могли не знать.
Нравится то, что вы видите? Подпишитесь на бесплатную подписку на симметрия !
История антиматерии | timeline.web.cern.ch
История антивещества
Альберт Эйнштейн публикует свою специальную теорию относительности
59 июня
Немецкий журнал по физике 300007
Узнать больше
Виктор Гесс открывает космические лучи
В 1911 и 1912 годах австрийский физик Виктор Гесс…
Узнать больше
8
Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг разрабатывают квантовую теорию
В 1920-х годах физики пытались применить…
Узнать больше
Уравнение Дирака предсказывает появление античастиц
В 1928 году британский физик Поль Дирак записал…
Карл Андерсон открывает позитрон
В 1932 году Карл Андерсон, молодой профессор…
Узнать больше
Эрнест Лоуренс патентует циклотрон
В 1929 году Эрнест Лоуренс – затем ассоциированный…
Узнать больше
Запуск Беватрона в Беркли, Калифорния
Беватрон в 1958 году (Изображение: Лоуренс Беркли…
Узнать больше
Беватрон открывает антипротон
Статья под названием «Наблюдение за антипротонами», автор…
Узнать больше
Беватрон открывает антинейтрон
Журнал Physical Review получает статью…
Узнать больше
Кронин и Фитч обнаружили разницу между материей и антиматерией
В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч в Брукхейвене…
Первые наблюдения антиядер
К 1965 году все три частицы, из которых состоят атомы (…
Узнать больше
Первое хранилище антипротонов
ЦЕРН выпускает пресс-релиз о первом…
Узнать больше
Первые столкновения протон-антипротон
Пересекающиеся накопительные кольца создали мир…
Узнать больше
Получены первые антиатомы: антиводород, ЦЕРН
Группа под руководством Уолтера Олерта создала атомы…
Узнать больше
Утвержден антипротонный деселератор
В 1996 г. антипротонные установки ЦЕРН –…
Узнать больше
ATHENA и ATRAP создали «холодную» антиматерию
Два эксперимента CERN, ATHENA и ATRAP, создали…
АЛЬФА захватывает атомы антиматерии в ловушку на 1000 секунд
Эксперимент АЛЬФА в ЦЕРН сообщил сегодня, что…
ASACUSA взвешивает антивещество с точностью до одной миллиардной доли
В статье, опубликованной сегодня в журнале Nature…
Узнать больше
ЦЕРН взял курс на антипротоны сверхнизкой энергии
Эксперимент ATRAP позволяет провести самое точное в мире измерение магнитного момента антипротона
В Physical Review Letters антиводородная ловушка…
Узнать больше
Эксперимент LHCb наблюдает новую разницу между материей и антиматерией
Коллаборация LHCb в ЦЕРН публикует статью…
Первый прямой анализ влияния гравитации на антиматерию
Коллаборация ALPHA в ЦЕРН1 опубликовала…
Узнать больше
Эксперимент ЦЕРН ALPHA измеряет заряд антиводорода
В статье, опубликованной в журнале Nature…
Узнать больше
Схема в разрезе системы ловушек Пеннинга, используемой BASE. Эксперимент получает антипротоны из AD ЦЕРНа; отрицательные ионы водорода образуются при впрыске в аппарат.
(Изображение: ЦЕРН)Эксперимент BASE в ЦЕРНе сравнивает протоны и антипротоны с высокой точностью
Женева, 12 августа 2015 г.
В статье, опубликованной…Узнать больше
Эксперимент ASACUSA (Изображение: ЦЕРН)
(Изображение: ЦЕРН)Эксперимент ASACUSA повышает точность измерения массы антипротона с помощью нового инновационного охлаждения…
Альфа-эксперимент
(Изображение: ЦЕРН)Эксперимент АЛЬФА впервые наблюдает световой спектр антиматерии
Коллаборация АЛЬФА сообщает в Nature…
Узнать больше
Стефан Ульмер — представитель эксперимента BASE
(Изображение: ЦЕРН)Эксперимент BASE побил собственный рекорд точности измерения магнитного момента антипротона
Совместная работа BASE публикуется сегодня в Nature…
Узнать больше
В статье, опубликованной…Почему материи больше, чем антиматерии?
Share on Facebook
Share on Twitter
Share on Reddit
Share on LinkedIn
Share via Email
Print
A view of CERN’s LHCb experiment. Кредит: Брайс, Максимилиан; Ордан, Жюльен Мариус ЦЕРН
Следующее эссе перепечатано с разрешения The Conversation, интернет-издания, освещающего последние исследования.
Почему мы существуем? Возможно, это самый глубокий вопрос, который может показаться полностью выходящим за рамки физики элементарных частиц. Но наш новый эксперимент на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе приблизил нас к разгадке.
Чтобы понять почему, давайте вернемся примерно на 13,8 миллиарда лет назад, к Большому взрыву. Это событие произвело равное количество материи, из которой вы состоите, и чего-то, что называется антиматерией. Считается, что у каждой частицы есть компаньон из антивещества, который практически идентичен ей, но с противоположным зарядом. Когда частица и ее античастица встречаются, они аннигилируют друг друга — исчезают во вспышке света.
Почему вселенная, которую мы видим сегодня, полностью состоит из материи, является одной из величайших загадок современной физики. Если бы когда-либо существовало равное количество антивещества, все во Вселенной было бы уничтожено. Наше исследование раскрыло новый источник этой асимметрии между материей и антиматерией.
Антиматерия была впервые постулирована Артуром Шустером в 1896 году, теоретически обоснована Полем Дираком в 1928 году и открыта в форме антиэлектронов, названных позитронами, Карлом Андерсоном в 19 году.32. Позитроны возникают в естественных радиоактивных процессах, таких как распад калия-40.
Это означает, что ваш средний банан (который содержит калий) испускает позитрон каждые 75 минут. Затем они аннигилируют с электронами материи, чтобы произвести свет. Медицинские приложения, такие как ПЭТ-сканеры, производят антивещество в том же процессе.
Основными строительными блоками материи, из которых состоят атомы, являются элементарные частицы, называемые кварками и лептонами. Существует шесть видов кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, нижний и верхний. Точно так же существует шесть лептонов: электрон, мюон, тау и три нейтрино. Существуют также антивещественные копии этих двенадцати частиц, отличающиеся только своим зарядом.
Частицы антиматерии в принципе должны быть идеальными зеркальными отражениями своих обычных компаньонов. Но эксперименты показывают, что это не всегда так. Возьмем, к примеру, частицы, известные как мезоны, которые состоят из одного кварка и одного антикварка. Нейтральные мезоны обладают интересной особенностью: они могут спонтанно превращаться в свой антимезон и наоборот.
В этом процессе кварк превращается в антикварк или антикварк превращается в кварк. Но эксперименты показали, что это может происходить чаще в одном направлении, чем в противоположном, — со временем создается больше материи, чем антиматерии.
В третий раз — прелесть
Среди частиц, содержащих кварки, такие асимметрии обнаружены только у частиц, включающих странные и нижние кварки, и это были чрезвычайно важные открытия. Самое первое наблюдение асимметрии с участием странных частиц в 1964 году позволило теоретикам предсказать существование шести кварков — в то время, когда было известно только три. Открытие асимметрии у донных частиц в 2001 году стало окончательным подтверждением механизма, приведшего к шестикварковой картине. Оба открытия были отмечены Нобелевской премией.
И странный, и нижний кварк несут отрицательный электрический заряд. Единственный положительно заряженный кварк, который теоретически должен быть способен образовывать частицы, демонстрирующие асимметрию материи и антиматерии, — это шарм.
Теория предполагает, что если это так, то эффект должен быть крошечным и его трудно обнаружить.
Но в эксперименте LHCb впервые удалось наблюдать такую асимметрию в частицах, называемых D-мезонами, которые состоят из очарованных кварков. Это стало возможным благодаря беспрецедентному количеству очарованных частиц, произведенных непосредственно в столкновениях на БАК, которые я открыл десять лет назад. Результат показывает, что вероятность того, что это статистическая флуктуация, составляет около 50 на миллиард.
Если эта асимметрия не возникает из-за того же механизма, который вызывает асимметрию странного кварка и нижнего кварка, это оставляет место для новых источников асимметрии материи-антиматерии, которые могут добавить к общей такой асимметрии в ранней Вселенной. И это важно, поскольку несколько известных случаев асимметрии не могут объяснить, почему во Вселенной так много материи. Одного открытия очарования недостаточно, чтобы заполнить этот пробел, но оно представляет собой важную часть головоломки в понимании взаимодействий фундаментальных частиц.
Следующие шаги
За открытием последует увеличение числа теоретических работ, помогающих интерпретировать результат. Но что еще более важно, в нем будут намечены дальнейшие тесты для углубления понимания после нашего открытия, причем ряд таких тестов уже проводится.
В ближайшее десятилетие модернизированный эксперимент LHCb повысит чувствительность таких измерений. Это будет дополнено экспериментом Belle II в Японии, который только начинает работать. Это захватывающие перспективы для исследования асимметрии материи и антиматерии.
Антиматерия также лежит в основе ряда других экспериментов. Целые антиатомы производятся на антипротонном замедлителе ЦЕРН, который используется для ряда экспериментов, проводящих высокоточные измерения. Эксперимент AMS-2 на борту Международной космической станции направлен на поиск антиматерии космического происхождения. И ряд текущих и будущих экспериментов будет решать вопрос о том, существует ли асимметрия антиматерии среди нейтрино.