Содержание
- Эксперимент Tokai to Kamioka
- Как получить антиматерю?
- Где все антивещество?
- Оружие, катализируемое антивеществом
- Получение антивещества
- Идеальные отражения
- О темной материи
- Свойства
- Нейтрино могут быть своими собственными античастицами
- 9.
- Существующие и перспективные способы применения
- 5.
- Очарование асимметрии
- Как охладить антиматерию?
Эксперимент Tokai to Kamioka
Результаты эксперимента под названием Tokai to Kamioka (T2K) показали, что существует 95% вероятность того, что нейтрино распадаются на неравномерную долю материи и антиматерии.
В ходе эксперимента ученые наблюдали нейтрино, когда те проносились 295 километров под землей и меняли свой сорт – это своеобразная способность нейтрино, называемая нейтринной осцилляцией. Подземный детектор в лаборатории города Камиока в Японии представляет собой резервуар, заполненный 55 000 тоннами чистой воды. Когда нейтрино взаимодействует с нейтроном в резервуаре, в результате может родиться мюон (неустойчивые элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом) или электрон. Именно этот переход мюонных нейтрино и мюонных антинейтрино в их «зеркальные» формы – электронные нейтрино и электронные антинейтрино интересовал ученых. Подробнее о том, что такое мюоны и какими еще способами ученые ищут нейтрино, читайте в нашем материале.
Полностью частицы нейтрино человечество пока не может изучить
Однако для точного измерения того, насколько сильно отличаются нейтрино и антинейтрино, потребуются дополнительные данные и, возможно, будущие эксперименты
Важно понимать, что полностью решить проблему космической антиматерии ученые не смогут. Дело в том, что для решения этого фундаментального вопроса необходимо еще одно требование: нейтрино и антинейтрино должны быть одним и тем же веществом
Но как такое возможно?
Если такая возможность действительно существует, то она может объяснить, почему нейтрино так легки – меньше одной шестимиллионной массы электрона. А если нейтрино и антинейтрино – это одно и то же, то они могут получить массу не за счет взаимодействия с полем Хиггса (которое связано с бозоном Хиггса), как это делает большинство частиц, а за счет нейтринной осцилляции. Это своего рода качели, которые позволяют призрачным частицам меняться – когда одна поднимается, другая опускается, и так далее. Однако полученные исследователями данные все еще нужно перепроверить. К тому же пока не известно, насколько они соответствуют наблюдаемому расхождению количества частиц и античастиц. И все же, невозможно не испытывать трепет, постепенно разгадывая тайны Вселенной. Согласны?
Как получить антиматерю?
Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. В лабораторных условиях этого добиваются на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около чёрных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества. Выше мы говорили, что антивещество не образуется в природе – так оно и есть. Антивещество должно состоять из античастиц, но они не объединяются в него, то есть мы не видим, например, антизвёзд или антипланет.
Для примера возьмём атом водорода, который является простейшим веществом, состоящим из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород – это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.
Звучит довольно просто, вот только синтезировать антиводород – крайне сложная задача. Впервые целых 9 атомов такого антивещества физикам удалось создать в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе. Правда просуществовали они до распада всего 40 наносекунд.
Работа продолжалась и специалистами была придумана и создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода, что по массе около 10^-18 грамм. Это самый настоящий успех.
Цена антиматерии — стоимость создания антивещества
Согласно расчётам NASA, создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около $25 миллионов, а 1 г антиводорода оценивается в $62,5 триллиона.
За 10 лет в экспериментах ЦЕРНа использован один нанограмм антивещества и его стоимость оценивается в несколько сотен миллионов долларов. Не стоит пугаться таким суммам, ведь, например, компьютер в семидесятые годы прошлого столетия, когда запускали «Вояджеры», эквивалентный по мощности современному мобильнику, стоил несколько десятков миллионов долларов.
Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии — не больше 2 нанограммов позитронов.
Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.
Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире.
Антиматерия рядом с нами
Небольшие количества антиматерии постоянно проливаются дождем на Землю в виде космических лучей, энергетических частиц из космоса. Эти частицы антивещества достигают нашей атмосферы с уровнем от одной до более сотни на квадратный метр. Ученые также располагают свидительствами того, что антивещество рождается во время грозы.
Есть и другие источники антивещества, которые находятся ближе к нам. Бананы, например, вырабатывают антивещество, испуская один позитрон — антивещественный экивалент электрона — примерно раз в 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. При распаде калия-40 иногда рождается позитрон.
Наши тела тоже содержат калий-40, а значит, и вы излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует мгновенно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества живут не очень долго.
Есть ли во Вселенной объекты, состоящие из антиматерии?
Если и есть, то очень мало. Убедительных доказательств существования больших объектов, состоящих из антиматерии, нет.
Фантасты рассматривают аннигиляцию как идеальный способ получения энергии. Сейчас на получение антиматерии уходит намного больше энергии, чем потом дает аннигиляция.
Есть проекты фотонных двигателей, можно представить электростанции, но это все пока из области фантастики. Принципиально все понятно, а реализовать на практике ученым пока не удалось.
Где все антивещество?
Один из самых важных и сложных вопросов современности – почему все, что мы наблюдаем, состоит лишь из материи, и где все антивещество? На самом деле, если бы материи и антиматерии было одинаковое количество, Вселенная давно бы аннигилировала и просто самоуничтожилась. Наука не стоит на месте и недавно было проведено исследование, результаты которого пролили свет на эту асимметричность.
Впервые понятие антиматерии прозвучало еще в девятнадцатом веке от английского физика Артура Шустера. Уже в двадцатом веке идею подхватил его британский коллега по цеху Поль Дирак и в 1928 году вывел теорию антивещества. Четырьмя годами позже Карл Андерсон, американский физик-испытатель (не путать с американским рестлером) открыл позитроны – положительно заряженные электроны. Они появляются при определенных радиоактивных процессах, как например, распад калия. То есть любое вещество, содержащее калий, с некой периодичностью рождает позитроны. Потом происходит аннигиляция и вспышка света, которая, естественно, на столько мала, что мы не можем заметить ее невооруженным взглядом.
Не для кого уже не секрет, что атомы состоят из кварков и лептонов – элементарных частиц. Последние включают в себя электроны, три различных нейтрино, мюоны и тау. Видов кварков также шесть: верхний, нижний, истинный, странный, очарованный и красивый. Не спрашивайте, просто примите это как факт. Это значит, что у каждой из этих частиц есть партнеры в антиматерии с противоположным зарядом.
По сути такие частицы должны быть идентичны частицам вещества, однако это не совсем так. Не всегда так. Простой пример – мезоны, состоящие из кварков и антикварков. Казалось бы, они должны просто аннигилировать, но мезон может обратиться антимезоном и обратно. В таком интересном событии кварки также становятся антикварками и наоборот.
Но чаще всего такой процесс возможен лишь в одну сторону – антивещество становится веществом. Вот поэтому во Вселенной больше материи, чем антиматерии. И со временем это соотношение лишь увеличивает свой разрыв.
Оружие, катализируемое антивеществом
Катализируемый антивеществом ядерный импульсный двигатель предлагает использовать антивещество в качестве «спускового механизма» для инициирования небольших ядерных взрывов; взрывы создают тягу к космическому кораблю. Теоретически та же технология может быть использована для создания очень маленького и, возможно, «неделительного» (с очень низким уровнем ядерных осадков ) оружия (см. Чисто термоядерное оружие ). Оружие, катализируемое антивеществом, могло бы быть более дискриминационным и приводить к менее длительному загрязнению, чем обычное ядерное оружие, и поэтому его использование могло бы быть более политически приемлемым .
Получение антивещества
Водород и антиводород
Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. Если при столкновении электрона и его античастицы – позитрона, высвобождается два гамма-кванта, то для создания электрон-позитронной пары понадобится высокоэнергетический гамма-квант, взаимодействующий с электрическим полем ядра атома. В лабораторных условиях это может происходить на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около черных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества.
Что такое антивещество? Для понимания достаточно привести следующий пример. Простейшее вещество, атом водорода состоит из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород – это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.
Общий вид установки ASACUSA в ЦЕРНе, предназначенной для получения и изучения антиводорода
Несмотря на простую формулировку, синтезировать антиводород достаточно сложно. И все же в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе ученым удалось создать 9 атомов такого антивещества, которые прожили всего 40 наносекунд и распались.
Позже, при помощи массивных устройств была создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода – 0,28 аттограмм (10-18 грамм). Такого объема антивещества может быть достаточно для дальнейшего изучения, и это успех.
Идеальные отражения
Ученые обнаружили, что отношение заряда к массе у протонов и антипротонов «идентично с точностью до 69 частей на триллион», заявил Ульмер. Это измерение в четыре раза лучше, чем предыдущие измерения этого показателя.
Кроме того, ученые также обнаружили, что измеренные отношения заряда к массе изменяются не больше чем на 720 частей на триллион в день, по мере вращения Земли вокруг своей оси и Солнца. Это говорит о том, что протоны и антипротоны ведут себя точно так же с течением времени, когда проносятся через пространство с одной скоростью, а значит, не нарушают так называемую СРТ-симметрию, где T означает время.
СРТ-симметрия — ключевой компонент Стандартной модели физики элементарных частиц, лучшего описания на сегодняшний день того, как ведут себя элементарные частицы, составляющие Вселенную. Не существует известных нарушений СРТ-симметрии. Опять же, любое обнаруженное нарушение СРТ-симметрии окажет огромное влияние на наше понимание природы.
Кроме того, эти отношения заряда к массе не будут отличаться больше, чем на 870 частей на миллиард в гравитационном поле Земли. Это означает, что слабый принцип эквивалентности, согласно которому вся материя падает с одинаковой скоростью в одном гравитационном поле, также сохраняется на этом уровне точности. Слабый принцип эквивалентности является ключевой частью общей теории относительности Эйнштейна, которая, наряду с другими вещами, остается лучшим объяснением того, как работает гравитация. Не существует известных нарушений слабого принципа эквивалентности, любые обнаруженные нарушения также могут привести к революции в понимании природы пространства-времени и гравитации, а также их влияния на материю и энергию.
Используя более стабильные магнитные поля и другие подходы, ученые планируют провести в 10 раз более точные измерения, говорит Ульмер. Работа ученых была опубликована в журнале Nature 13 августа.
О темной материи
По факту обнаружить темную материю, как это вышло с антивеществом, не удалось. Однако, открыты довольно убедительные доказательства ее существования. Длительные наблюдения позволили ученым сделать выводы, что должно существовать больше темного вещества, чем есть в нашей вселенной.
Как вспомогательное доказательство того, что темная материя есть, ученые используют спиральные галактики. С какой скоростью будет вращаться такая галактика, зависит от ее массы, они увеличиваются прямо пропорционально. Большинство спиральных галактик, включая наш Млечный путь, вращаются быстрее, чем предполагалось изначально. Выходит, что их масса должны быть выше, чем та, что специалисты наблюдают. Разница представлена отсутствующей или ненаблюдаемой материей, теоретически ее можно отнести к темной материи.
В соответствии с теми теориями, от которых отталкивается современная наука, темная материя может взаимодействовать только через слабые и гравитационные взаимодействия. Гравитационное влияние однозначно существует, оно заметно. Однако, темную материю, нельзя увидеть, и поэтому она труднодоступная, ее очень трудно обнаружить. Все было бы по-другому, если бы она могла производить электромагнитные и сильные взаимодействия.
Свойства
Структура атома антигелия
По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.
Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях).
При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино[источник не указан 2871 день], которые практически не взаимодействуют с веществом). Аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов ведёт к образованию нескольких π-мезонов, а аннигиляция электронов и позитронов — к образованию γ-квантов. В результате последующих распадов π-мезоны превращаются в γ-кванты.
При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8⋅1017джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (масса 26,5 т), при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57—58,6 мегатоннам. Теллеровский предел для термоядерного оружия подразумевает, что самый эффективный выход энергии не превысит 6 кт/кг массы устройства.[источник не указан 70 дней]
В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии.
В ноябре 2015 года группа российских и зарубежных физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов.
В 2016 году учёным коллаборации ALPHA впервые удалось измерить оптический спектр атома антиматерии, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено.
Проводятся эксперименты по обнаружению антивещества во Вселенной.
Нейтрино могут быть своими собственными античастицами
Частица материи и ее антиматериальный партнер переносят противоположные заряды, что позволяет легко их различить. Нейтрино, почти безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с материей, не имеют заряда. Ученые считают, что они могут быть майорановскими частицами, гипотетическим классом частиц, которые являются своими собственными античастицами.
Проекты вроде Majorana Demonstrator и EXO-200 направлены на определение того, действительно ли нейтрино являются майорановскими частицами, наблюдая за поведением так называемого безнейтринного двойного бета-распада.
Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, испуская два электрона и два нейтрино. Если нейтрино были бы собственными античастицами, они бы аннигилировали после двойного распада, и ученым осталось бы наблюдать только электроны.
Поиск майорановских нейтрино может помочь объяснить, почем существует асимметрия материи-антиматерии. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть либо тяжелыми, либо легкими. Легкие существуют в наше время, а тяжелые существовали сразу после Большого Взрыва. Тяжелые майорановские нейтрино распались асимметрично, что привело к появлению крошечного количества вещества, которым наполнилась наша Вселенная.
9.
Антиматерия может скрываться в космосе
Один из путей, которым ученые пытаются разрешить проблему асимметрии материи-антиматерии, является поиск антиматерии, оставшейся после Большого Взрыва.
Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) — это детектор частиц, который располагается на Международной космической станции и ищет такие частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют путь космических частиц и отделяют материю от антиматерии. Его детекторы должны обнаруживать и идентифицировать такие частицы по мере прохождения.
Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия остается чрезвычайно малой из-за гигантского количества энергии, которое требуется для этого процесса. Это означает, что наблюдение хотя бы одного ядрышка антигелия будет мощным доказательством существования гигантского количества антиматерии где-либо еще во Вселенной.
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.
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.
5.
Антиматерия может падать (в прямом смысле слова)
Частицы материи и антиматерии обладают одной массой, но различаются в свойствах вроде электрического заряда и спина. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна одинаково воздействовать на материю и антиматерию, однако это еще предстоит выяснить наверняка. Эксперименты вроде AEGIS, ALPHA и GBAR работают над этим.
Наблюдать за гравитационным эффектом на примере антиматерии не так просто, как смотреть на падающее с дерева яблоко. Эти эксперименты требуют удержания антиматерии в ловушке или замедления ее путем охлаждения до температур чуть выше абсолютного нуля. И поскольку гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, физики должны использовать нейтральные частицы антиматерии в этих экспериментах, чтобы предотвратить взаимодействие с более мощной силой электричества.
Очарование асимметрии
Подобная асимметрия найдена лишь в странных и красивых кварках
Это на самом деле очень важное открытие, которое помогло предположить о существовании шести видов кварков еще в далеком 1964. Хотя на то время физики считали, что их всего три
И лишь в начале нашего века была открыта асимметрия красивых кварков, что только подтвердило наличие всех шести видов. За оба этих открытия были получены Нобелевские премии.
Как же все это работает? Красивый и странный кварки отрицательно заряжены. Кварк, несущий в себе положительный заряд – очарованный. Именно он и должен стать катализатором асимметрии материи и антиматерии во Вселенной, в теории, конечно же.
Еще больше приоткрыть завесу тайны помог БАК. Именно там ученые впервые обнаружили асимметрию мезонов, состоящих из очарованных частиц. D-мезоны сталкивали между собой на ускорителе и наблюдали за рождением очарованных частиц. В условиях эксперимента вероятность того, что это лишь случайное отклонение от нормы, ничтожно мала, примерно 50 на 1 000 000 000.
Что же получается, если это не тот же процесс, что в случае странного и красивого кварков, значит есть еще как минимум один, а может и больше, источников асимметрии материи и антиматерии во Вселенной
И это на самом деле очень важно, потому что такое малое количество известных механизмов сего процесса все равно не объясняет наличие такой огромной разницы в глобальных масштабах. Понятно, что одного такого открытия для ответа на вопрос будет мало, но все же это значительная часть пазла, которая поможет собрать его быстрее
А чем дальше продвигаются физики, тем больше им хочется продолжать, поэтому новые открытия тоже не заставят себя долго ждать. Очарование асимметрии касается не только кварков.
Как охладить антиматерию?
Разгоняя обычные частицы материи до скорости, близкой к скорости света, а затем разбивая их вместе, команда исследователей из Канады смогла создать античастицы. Затем ученые управляли и замедляли ускоряющиеся античастицы, используя чрезвычайно сильные магнитные и электрические поля. В конце концов, им удалось заключить облака позитронов и антипротонов в магнитное поле, пока те не объединились в антиводород. Когда это произошло, физики охладили антиводородное облако, взорвав его лазером. Но как вообще можно охладить что-то лазером?
В ходе исследования, результаты которого опубликованы в журнале Nature, физики подобрали для лазеров особую частоту работы, при которой пучки порождаемых ими частиц света активно взаимодействовали только с теми атомами антиводорода, что двигались в сторону детекторов ускорительной установки. Это позволило ученым быстро получить разреженное облако из атомов материи и антиматерии, которые двигались очень медленно и практически не сталкивались друг с другом.
Ведущий автор исследования Макото Фудзивара стоит перед экспериментальным аппаратом ALPHA в ЦЕРН в Швейцарии.
Облучая атомы антиводорода таким образом, ученым в конечном итоге удалось охладить их на одну двадцатую градуса выше абсолютного нуля, что сделало антиматерию более чем в 3000 раз холоднее, чем самая холодная точка на нашей планете (самая низкая температура на Земле зарегистрирована в Антарктике и составляет -98°C). Также физики проследили за взаимодействием частиц антиводорода с фотонами (частицами света). Как отмечают авторы исследования, первое в истории охлаждение антиматерии увеличивает точность подобных измерений как минимум в четыре раза.
Между тем, новые исследования в этой области должны помочь ученым раскрыть некоторые из самых больших секретов Вселенной, например, как на антиматерию влияет гравитация и реальны ли некоторые из фундаментальных теоретических симметрий, предложенных физикой.»В будущем мы хотим получить один антиатом в вакууме и разделить его на квантовую суперпозицию, чтобы он создал интерференционную картину с самим собой», – объясняют авторы исследования в интервью Live Science.
Все потому, что квантовая суперпозиция позволяет очень маленьким частицам, таким как антиводород, появляться более чем в одном месте одновременно. Поскольку квантовые частицы ведут себя и как частица, и как волна, они могут интерферировать друг с другом, создавая картину пиков и впадин, подобно тому, как волны из моря движутся через буруны. Одним словом, впереди еще очень много работы, но будущее определенно точно принесет с собой серьезные изменения в нашем понимании окружающей Вселенной.
