Как получить антиматерию


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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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


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

Источник: www.SunHome.ru

Антиматерия – субстанция необычайно популярная в научной и ненаучной фантастике. Аннигиляционные двигатели, аннигиляционное оружие и прочие полезные для звездных первопроходцев предметы так или иначе используют антиматерияю – или, говоря более точно, антивещество. Что же оно собой представляет, и насколько фантастично ее использование?

Начнем с того, что само антивещество – это не плод воображения фантастов. Предположения о существовании антивещества высказывало множество ученых еще более века назад. Сегодня существование антивещества ни у кого возражений не вызывает, более того, забегая вперед скажем, что оно уже получено в лабораториях.

Если обычное вещество состоит из элементарных частиц, то антивещество состоит из элементарных античастиц, которые предположительно отсутствуют в природе в стабильном состоянии. Предположительно – потому что в наблюдаемой части Вселенной его не нашли.


Возможно, существуют некие области Вселенной, которые целиком состоят из антивещества, но это только догадки. В целом, наблюдаемая нами картина Вселенной демонстрирует значительное преобладание вещества. И эта асимметрия является одной из нерешенных проблем современной физики. Возможно, эта асимметрия связана с наличием темной материи, но это всего лишь предположения.

Античастицы, из которых состоит антивещество, такие же, как и знакомые всем элементарные частицы, только с противоположным знаком: ядра атомов состоят из антипротонов и антинейтронов, вокруг которых находятся антиэлектроны, у которых есть своё название – позитроны.

Антиводород и водород

При взаимодействии вещества и антивещества друг с другом происходит так называемая аннигиляция – взаимодействие частиц с испусканием либо фотонов с высокой энергией, либо пары «частица-античастица». Выделение большой энергии при аннигиляции и приводит к фантастическим проектам двигателей или оружия.


Впервые синтез античастицы был произведен в европейском CERNе. Это был антиводород. Если обычный водород состоит из одного протона и электрона, то антиводород – из антипротона и позитрона. В последующие годы технология синтеза была усовершенствована, и антиводород сегодня возможно получать в больших количествах. Антиводород в среде обычного вещества, разумеется, нестабилен, поэтом для его удержания используют специальные ловушки, при помощи которых антиводород может оставаться стабильным на протяжении многих минут.

Аннигиляция вещества и антивещества

Что касается свойств антивещества, то они полностью аналогичны свойствам обычного вещества, что показали лабораторные исследования. Более глубокое изучение антивещества сможет помочь понять природу гравитации и – если, конечно, такое возможно – антигравитации.


На сегодняшний день антивещество считается самым дорогим веществом на нашей планете. Предположительная стоимость одного грамма антиводорода (если бы он был произведен в таком количестве) составляет более 60 триллионов долларов.

Источник: zen.yandex.ru

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.


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.

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.
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.

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.

Источник: MilitaryArms.ru

Антиматерия — вещество, состоящее из античастиц, стабильно образующийся в природе в лишь микроскопических количествах. При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц. Во время аннигиляции 1 грамма антиматерии с 1 граммом материи, выделяется 1.8×1014 джоулей энергии или около 43 килотонн.

Антиматерия используется в катализационные реакциях, позволяя проходить высокоэнергетическим реакциям ядерного и термоядерного синтеза, а также позволяя синтезировать экзотические частицы. Широкое использование антиматерии и зависимость от неё в большом количестве сфер, особенно при создании и использовании сверхсветового транспорта информации и массы делает антиматерию самым дорогим и самым важным ресурсом всей человеческой сферы.

AC (Antimatter credit) — основная межзвездная валюта Альянса, напрямую привязана к антиматерии — 1 кредит = 1 микрограмм. Соответственно за миллион кредитов — грамм антиматерии.

Стоит заметить, что при этом антиматерия не является топливом или энергетическим ресурсом, она является лишь катализатором и переносчиком энергии. Невозможно создать аннигиляционные реакторы, поскольку вся свободная антиматерия добывается либо в слишком малых количествах, а получаемая на ускорителях частиц производится с колоссальными затратами энергии.

Добыча и производство антиматерии[править | править код]

Антиматерия может быть получена двумя основыми методами: добычей с помощью магнитных ловушек и производством на специальных ускорителях частиц, но в обоих случаях количество добытой антиматерии крайне мало.

Добыча

Добыча осуществляется благодаря взаимодействию высокоэнергетических космических лучей с атмосферой планет или с другими космических объектов. Планеты с мощным магнитными полями улучшают производство антиматерии, но лишь в том случае, если поле не слишком мощное. В Солнечной системе наибольшее количество антиматерии получает Сатурн — 270 микрограмм в год до обогащения колец, 640 миллиграмм после.

Процесс создания или обогащения колец называют сатурнизацией. В ходе нее, используя материал комет, астероидов или спутников создают искусственные кольца вокруг планеты гиганта. При эффективном размещение колец, данный процесс может улучшить генерацию антиматерии на несколько порядков, при этом оставаясь возобновляемым источником ресурсов. Одним из неприятных последствия становится сложности с навигацией через плотные слои астероидно-пылевых колец, занимающих практически все орбиты.

С точки зрения экономии энергии добыча антиматерии с помощью магнитных ловушек на 6 порядков величины более дешевле чем производство её при помощи ускорителей частиц.

Производство

Основной проблемой при производстве антиматерии является низкая эффективность перехода электрической энергии в антиматерию. Первые ускорители частиц, которые могли добывать антиматерию имели эффективность в 0.000001% при превращении электричества а антиматерию. Современные ускорители частиц, задействуют высокотемпературные проводники, эффективные системы захвата антиматерии, а также монополь производство позитронов и имеют эффективность в 0.025%.

Для производства антиматерии требуется большое количество свободной энергии. Как правило это достигается при размещении фабрик антиматерии вблизи с звездой и обеспечение их работы через энергию солнечных батарей. Одна станция, с площадью батареи в 100,000 квадратных километров может обеспечить выработку около 3-х миллиграммов антиматерии в сутки.

В Солнечной системе на данный момент располагаются 170 производящих ускорителей, суммарно производящих 330 граммов антиматерии за год. При производстве антиматерии необходимо постоянно обеспечивать защиту, обслуживание и плотный контроль над структурами и процессами, но даже при тщательном контроле в среднем на 3 станциях в год происходит аварии, вызывая потери драгоценного ресурса.

Аннигиляция[править | править код]

На субатомном уровне, протон антиматерии является антипротоном, аналог нейтрона называется антинейтроном, а электрон — позитроном. Распространенным заблуждением является то, что сочетая материю и антиматерию можно получить энергию, что как показывает практика не совсем так. Частицы аннигилируют только с противоположными античастицами. Если позитрон врежется в протон, то они просто разлетятся в стороны.

Аннигиляция электрона и позитрона действительно выделяет энергию, в виде гамма излучения. Но при этом масса и как следствие энергия позитрона и электрона меньше чем масса и энергия протона и нейтрона на порядок. Аннигиляция электрона и позитрона дает энергию в 1.6×10-15 джоулей, в то время как аннигиляция протона и нейтрона — 2.9376×10-12 джоулей.

Проблематичным является аннигиляция протонов и антипротонов, в связи с появлением в ходе реакции нейтральных и заряженных пионов, с высокими энергиями, что проявляется в крайне высоких скоростях, с которыми частицы двигаются. Нейтральные пионы практически сразу превращаются в задержанное гамма излучение, практически не несущее полезной работы. Заряженные пионы, двигающиеся с субсветовой скоростью, отлетят на дистанцию около 21 метра, до того как разложиться на мюоны и нейтрино. Они выполняют основную работу при катализационных реакциях и в работе двигателей, так как их можно направлять используя магнитные поля.

Постоянный и достаточно сильный поток гамма излучения требует использование радиационных щитов, как для защиты структуры корабля, так и для защиты команды. В свою очередь радиационный щит должен быть оснащен системами охлаждения, так как энергия гамма излучения переходит в тепловую, и без отвода тепла щит неминуемо расплавится.

Хранение антиматерии[править | править код]

Хранение антиматерии, невероятно сложная задача. При соприкосновении материи и антиматерии, происходит взрывообразное выделение энергии, уничтожая емкость с антиматерией и соседние емкости, вызывая катастрофическую цепную реакцию. Единственный способ сохранить в целостности антиматерию и не вызывать аннигиляцию — хранить ее, используя электромагнитные или электростатические поля.

Для хранения антиматерии подходят три основных метода: магнитная левитация, стабилизированные молекулярно связанные состояния и хранение в материи. Каждый из видов хранения имеет свои собственные преимущества и недостатки и свою область применения.

Магнитная левитация

Диамагентический шар из ледяного антиводорода, поддерживаемый в одном месте при помощи магнитного поля. Магнитная левитация работает на антивещество точно также как на обычное вещество, но основной проблемой является поддержание шара в твердом состоянии и предотвращение испарения антиводорода с его поверхности. Еще одной сложностью становится извлечение антиматерии из одного сосуда в другой в связи с тем, что магнитные полей создают помехи друг для друга.

Магнитная левитация используется для хранения антиматерии в особо крупных размерах, до 10 грамм антиматерии в крупных контейнерах. Системы охлаждения должны работать постоянно, представляя из себя систему из криогенной установки, в котором находится контейнер и охлаждающих лазеров, которые предотвращают испарение отдельных атомов антиводорода. Эти же лазеры используются для расщепления и переноса антиводорода для его транспорта в другую емкость или в рабочую зону.

Стабилизированные молекулярно связанные состояния

При определенных обстоятельств позитрон может вступить в связь с обычной молекулой. В случае ее стабилизации при помощи магнитных полей и охлаждающих лазеров можно добиться состояния, обеспечивающее стабильное хранение данного состояния в течении десятилетий. Подобные структуры также крайне стабильны при транспортировке, что делает их основным методом хранения позитронов, полученных при монополь индуцировнном распаде обычной материи.

Также существуют версии катализационных двигатели и реакторы, которые не подводят монополи к активной зоне напрямую, а используют заранее накопленные в молекулах такого типа антипозитроны. Это снижает мощность двигателя, но гарантирует то, что монополи не будут потеряны в выхлопе двигателя или среди продуктов реакции.

Хранение в материи

В этом методе используются фуллереновая губка, которая ловит атомы антиводороды в молекулу C60. Емкость может оставаться работоспособной при комнатной температуре. Энергетическая плотность данного вещества более чем в 7000 раз больше чем у динамита.

Данная емкость используется для хранения катализационной антиматерии, фуллерены вместе с антиматерией отправляют в емкости с проходящей ядерной или термоядерной реакцией для ее инициации или ее поддержания. Легкость хранения привела к тому, что стали распространенными катализацированные микроядерные батареи, дающие хорошую емкость энергии, при минимальном ущербе пользователю.

Источник: admiral.fandom.com

Что такое антиматерия?

Объекты Вселенной — галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди — состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы — кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами «оригиналов», а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название «антиматерия».

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.

Антиматерия — материя, состоящая из античастиц — «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковыми спином и массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия: электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Некоторые частицы, например, фотон, не имеют античастиц или, что то же самое, являются античастицами по отношению к самим себе.

Как сегодня считается, античастицы реагируют на фундаментальные силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаково, поэтому структура антивещества должна быть такой же, как структура «нормального» вещества.

А что значит приставка «анти»?

Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии — к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).

Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719(98) мегаэлектронвольт, спин ½. Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона — минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно.

Некоторые частицы, например, бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.

Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом «рождение пар». Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители.

Где «добывают» и хранят антиматерию?

Антиматерию добывают в Большом адронном коллайдере, собирая облака антипротонов после столкновения пучка протонов с металлической мишенью и аккуратного замедления разлетающихся частиц, чтобы их можно было использовать в последующих экспериментах. 

Автор: Maximilien Brice, CERN — CERN Document Server, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29068932

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

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

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

Почему антивещество так сложно получить?

Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при «соприкосновении» аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно — правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считанных минут.

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.

На что способна антиматерия?

Всего горстка антиматерии может произвести огромное количество энергии. Это делает ее популярным топливом для футуристических транспортных средств в научной фантастике. Вообще ракетный двигатель на антивеществе гипотетически возможен; главное ограничение — это накопление достаточного количества антивещества, чтобы использовать его.

Кстати, энергии 1 миллиграмма антивещества хватит для полета на Марс. 

В настоящее время нет доступных технологий для массового производства или сбора антивещества в объеме, необходимом для этого приложения. Однако небольшое количество ученых провели исследования по моделированию движения и хранения. К ним относятся Ронан Кин и Вэй-Мин Чжан, которые работали в Западной резервной академии и Кентском государственном университете соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создать или собрать большое количество антивещества, их исследования могут помочь воплотить в реальность межзвездные путешествия с использованием антивещества.

Почему мы до сих пор не используем этот источник энергии?

Аннигиляция антивещества и материи может высвободить огромное количество энергии. Грамм антивещества может вызвать взрыв размером с ядерную бомбу. Однако люди произвели очень незначительное количество антивещества.

Неэффективность производства антивещества огромна. Учитывая затраты на получение антиматерии, назад можно получить лишь десятую часть миллиарда (10-10) вложенной энергии. Если бы ученые могли собрать все антивещество, которое мы когда-либо производили в ЦЕРНе, и аннигилировать его материей, то энергии хватило бы лишь чтобы включить одну электрическую лампочку на несколько минут.

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватрон в Фермилабе, составляют всего 15 нанограмм. Те, которые производятся в ЦЕРНе, составляют около 1 нанограмма. На сегодняшний день в DESY в Германии произведено примерно 2 нанограмма позитронов.

Если бы все антивещество, когда-либо производимое людьми, было уничтожено сразу, произведенной энергии не хватило бы даже для кипячения чашки 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.

Источник: hightech.fm


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.