Антиматерія давно була предметом наукової фантастики. У книзі і фільмі «Ангели і демони» професор Ленгдон намагається врятувати Ватикан від бомби з антиматерії. Космічний корабель «Ентерпрайз» з «Зоряного шляху» використовує двигун на основі анігилюючої антиматерії для подорожей швидше швидкості світла. Але антиматерія також предмет нашої з вами реальності. Частинки антиматерії практично ідентичні своїм матеріальним партнерам, за винятком того, що переносять протилежний заряд і спін. Коли антиматерія зустрічає з матерію, вони миттєво анігілюються в енергію, і це вже не вигадка.
Хоча бомби з антиматерії і кораблі на основі цього ж палива поки не представляються можливими на практиці, є багато фактів про антиматерії, які вас здивують чи дозволять освіжити в пам’яті те, що ви вже знали.
1. Антиматерія повинна була знищити всю матерію Всесвіту після Великого Вибуху
Згідно теорії, Великий Вибух породив матерію і антиматерію в рівних кількостях. Коли вони зустрічаються, відбувається взаємне знищення, анігіляція, і залишається тільки чиста енергія. Виходячи з цього, ми не повинні існувати.
Але ми існуємо. І наскільки знають фізики, це тому, що на кожен мільярд пар матерії-антиматерії була одна зайва частинка матерії. Фізики всіма силами намагаються пояснити цю асиметрію.
2. Антиматерія ближче до вас, ніж ви думаєте
Невеликі кількості антиматерії постійно проливаються дощем на Землю у вигляді космічних променів, енергетичних частинок з космосу. Ці частинки антиречовини досягають нашої атмосфери з рівнем від однієї до сотні на квадратний метр. Вчені також мають свідоцтва того, що антиречовина народжується під час грози.
Є й інші джерела антиречовини, які знаходяться ближче до нас. Банани, наприклад, виробляють антиречовину, випускаючи один позитрон — антиматеріальний еквівалент електрона — приблизно раз на 75 хвилин. Це відбувається тому, що банани містять невелику кількість калію-40, що зустрічається в природі ізотопу калію. При розпаді калію-40 іноді народжується позитрон.
Наші тіла теж містять калій-40, а значить, і ви випромінюєте позитрони. Антиматерія анігілюється миттєво при контакті з матерією, тому ці частинки антиречовини живуть не дуже довго.
3. Людям вдалося створити зовсім небагато антиматерії
Анігіляція антиматерії і матерії володіє потенціалом вивільнення величезної кількості енергії. Грам антиматерії може здійснити вибух розміром з ядерну бомбу. Втім, люди зробили не так багато антиматерії, тому боятися нічого.
Всі антипротони, створені на прискорювачі часток Теватроні в Лабораторії Фермі, не наберуть 15 нанограмів. У CERN на сьогоднішній день виробили лише близько 1 нанограм. У DESY в Німеччині — не більше 2 нанограмів позитронів.
Якщо вся антиматерія, створена людьми, анігілює миттєво, її енергії не вистачить навіть на те, щоб закип’ятити філіжанку чаю.
Проблема полягає в ефективності і вартості виробництва і зберігання антиречовини. Створення 1 грама антиматерії вимагає близько 25 мільйонів мільярдів кіловат-годин енергії і вартує більше мільйона мільярда доларів. Не дивно, що антиречовину іноді включають в список десяти найдорожчих речовин в нашому світі.
4. Існує така річ, як пастка для антиматерії
Для вивчення антиматерії вам потрібно запобігти її анігіляцію з матерією. Вчені знайшли кілька способів це здійснити.
Заряджені частинки антиречовини, позитрони і антипротони, можна зберігати у так званих пастках Пеннінга. Вони схожі на крихітні прискорювачі частинок. Всередині них частинки рухаються по спіралі, поки магнітні і електричні поля утримують їх від зіткнення зі стінками пастки.
Однак пастки Пеннінга не працюють для нейтральних частинок антиводню. Оскільки у них немає заряду, ці частинки не можна обмежити електричними полями. Вони утримуються в пастках Іоффе, які працюють, створюючи область простору, де магнітне поле стає більшим у всіх напрямках. Частинки антиречовини застряють в області з найбільш слабким магнітним полем.
Магнітне поле Землі може виступати в якості пасток антиречовини. Антипротони знаходили в певних зонах навколо Землі радіаційних поясах Ван Аллена.
5. Антиматерія може падати (в прямому сенсі слова)
Частинки матерії і антиматерії володіють однією масою, але розрізняються властивостями на зразок електричного заряду і спіна. Стандартна модель пророкує, що гравітація повинна однаково впливати на матерію і антиматерію, однак це ще належить з’ясувати напевно. Експерименти на зразок AEGIS, ALPHA і GBAR працюють над цим.
Спостерігати за гравітаційним впливом на прикладі антиматерії не так просто, як дивитися на падаюче з дерева яблуко. Ці експерименти вимагають утримання антиматерії у пастці або уповільнення її шляхом охолодження до температури трохи вище абсолютного нуля. І оскільки гравітація — найслабша з фундаментальних сил, фізики повинні використовувати нейтральні частинки антиматерії в цих експериментах, щоб запобігти взаємодії з більш потужною силою електрики.
6. Антиматерія вивчається в сповільнювачах частинок
Ви чули про прискорювач частинок, а про сповільнювач частинок чули? У CERN знаходиться машина під назвою Antiproton Decelerator, в кільці якого вловлюються і сповільнюються антипротони для вивчення їх властивостей та поведінки.
У кільцевих прискорювачах частинок на кшталт Великого адронного коллайдера частинки отримують енергетичний поштовх кожен раз, коли завершують коло. Сповільнювачі працюють протилежним чином: замість того щоб розганяти частинки, їх штовхають у протилежний бік.
7. Нейтрино можуть бути власними античастинами
Частинка матерії і її антиматеріальний партнер переносять протилежні заряди, що дозволяє легко їх розрізнити. Нейтрино, майже безмасові частинки, які рідко взаємодіють з матерією, не мають заряду. Вчені вважають, що вони можуть бути майорановськими частками, гіпотетичним класом частинок, які є власними античастинами.
Проекти на кшталт Majorana Demonstrator і EXO-200 спрямовані на визначення того, чи дійсно нейтрино є майорановськими частками, спостерігаючи за поведінкою так званого безнейтринного подвійного бета-розпаду.
Деякі радіоактивні ядра розпадаються одночасно, випускаючи два електрони і два нейтрино. Якщо нейтрино були б власними античастинами, вони будуть після подвійного розпаду, і вченим залишилося б спостерігати тільки електрони.
Пошук майоранівських нейтрино може допомогти пояснити, чому існує асиметрія матерії-антиматерії. Фізики припускають, що майоранівські нейтрино можуть бути важкими або легкими. Легкі існують в наш час, а важкі існували відразу після Великого Вибуху. Важкі майоранівські нейтрино розпалися асиметрично, що призвело до появи маленької кількості речовини, яким наповнився наша Всесвіт.
8. Антиматерія використовується в медицині
PET, ПЕТ (позитронно-емісійна топографія) використовує позитрони для отримання зображень тіла у високому дозволі. Позитрони, що випромінюють радіоактивні ізотопи (на зразок тих, що ми знайшли в бананах) кріпляться до хімічних речовин таких як глюкоза, яка присутня в тілі. Вони вводяться в кровотік, де розпадаються природним шляхом, випускаючи позитрони. Ті, в свою чергу, зустрічаються з електронами тіла і анігілюють. Анігіляція виробляє гамма-промені, які використовуються для побудови зображення.
Вчені проекту ACE при CERN вивчають антиматерію як потенційного кандидата для лікування раку. Лікарі вже з’ясували, що можуть направляти на пухлини промені частинок, що випускають свою енергію тільки після того, як безпечно пройдуть через здорову тканину. Використання антипротонів додасть додатковий вибух енергії. Ця техніка була визнана ефективною для лікування хом’яків, тільки от на людях поки що не випробовувалася.
9. Антиматерія може ховатися в космосі
Один з шляхів, яким вчені намагаються вирішити проблему асиметрії матерії-антиматерії, є пошук антиматерії, що залишилася після Великого Вибуху.
Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) — це детектор частинок, який розташовується на Міжнародній космічній станції і шукає такі частинки. AMS містить магнітні поля, які викривляють шлях космічних частинок і відокремлюють матерію від антиматерії. Його детектори повинні виявляти й ідентифікувати такі частинки у міру проходження.
Зіткнення космічних променів зазвичай виробляють позитрони і антипротони, але ймовірність створення атома антигелія залишається надзвичайно малою через гігантську кількість енергії, яка потрібна для цього процесу. Це означає, що спостереження хоча б одного ядерця антигелія буде потужним доказом існування гігантської кількості антиматерії де-небудь ще у Всесвіті.
10. Люди насправді вивчають, як оснастити космічний апарат паливом на антиречовині
Зовсім трохи антиматерії може виробити величезну кількість енергії, що робить її популярним паливом для футуристичних кораблів у науковій фантастиці.
Рух ракети на антиречовині гіпотетично можливо; основним обмеженням є збір достатньої кількості антиречовини, щоб це могло здійснитися.
Поки що не існує технологій для масового виробництва або збору антиречовини в обсягах, необхідних для такого застосування. Проте вчені ведуть роботи над імітацією такого руху та зберігання цієї самої антиречовини. Одного разу, якщо ми знайдемо спосіб створити велику кількість антиречовини, їх дослідження можуть допомогти міжзоряним подорожам втілитися в реальності.
За матеріалами symmetrymagazine.org
Натхнення: hi-news.ru