Антиматерія – це субстанція, що складається з античасток: ціна антиматерії. FAQ: Історія відкриття антиматерії Загальні відомості про антиречовину

Антиречовина - протилежність звичайної матерії.

Якщо більш конкретно, то субатомні частинки антиречовини мають протилежні властивості нормальної матерії з протилежним електричним зарядом внутрішніх частинок. Вчені стверджують, що антиречовина була створена разом з матерією після Великого вибуху, але антиречовина рідко зустрічається в сучасному Всесвіті і вчені не впевнені чому.

Для того щоб краще зрозуміти антиматерію, потрібно знати більше про матерію.

Речовина складається з молекул, до складу яких входять атоми, які є основними одиницями. хімічних елементів, таких як водень, гелій або кисень. Молекули мають декілька елементів: водень має один електрон, гелій має два електрони і так далі.

Найпростіші атоми антиводню

В останні 25 років вчені змогли створити найпростіші атоми антиматерії та тримати їх стабільними у вигляді антиводню. Проведено вимірювання та визначено внутрішню структуру антиводню.

Водень є першим елементом у періодичній таблиці та складається з одного електрона, що рухається навколо одного протона. Його дзеркало антиводень має один антиелектрон або позитрон та один антипротон.

Якщо позитрон та електрон стикаються, вони знищуватимуть один одного та виплескуватимуть енергію. Те саме для взаємодії протон – антипротон. Так як наш Всесвіт сповнений електронів, протонів і різних комбінацій, це виключно важко тримати античастинки навколо дуже довго.

Атомний Всесвіт є складним, тому що сповнений екзотичних частинок із властивостями спина (обертання навколо своєї осі) та особливостей, які фізики тільки починають розуміти. З простої точки зору, атоми мають частинки, які відомі як електрони, протони та нейтрони всередині них.

Античастинки

Центр атома називається ядро, в якому знаходяться протони (які мають позитивний електричний заряд) і нейтрони (які мають нейтральний заряд). Електрони, які мають негативний заряд, займають орбіти навколо ядра. Орбіти можуть змінюватися залежно від цього, як “збуджуються” електрони (тобто, скільки в них є).

Що стосується антиречовиною, електричний заряд відновлюється стосовно матерії. Анти-електрони (так звані позитрони) поводяться подібно до електронів, але мають позитивний заряд. Антипротони, як випливає з назви, є протонами з негативним зарядом.

Ці частинки антиматерії (які називаються «античастинки») були отримані та вивчені на величезних прискорювачах елементарних частинок, таких як Великий адронний колайдер, керований Європейською організацією ядерних досліджень.

У циркулярному прискорювачі на зустрічних пучках як великий адронний колайдер частинки одержують удар енергії щоразу, коли вони завершують обертання.

Для вивчення антиречовини необхідно запобігти його анулюванню з матерією. Вчені створили спеціальні пастки. Частинки як позитрони та антипротони заганяються у пристрої, звані пасткою Пеннінга. Пристрій схожий на крихітні прискорювачі. Усередині пристрою знаходяться спіралі, що створюють магнітні та електричні поля, які утримують частинки від їх зіткнення зі стінками пастки.

Але пастки Пеннінга не працюватимуть для нейтральних частинок, таких як антиводень, тому що він не має заряду. Вчені вигадали інші пастки, які працюють шляхом створення області простору, де магнітне поле випромінюється у всіх напрямках.

Антиречовина не підпорядкована антигравітації. Незважаючи на те, що не було підтверджено експериментально, теорія, що існує, передбачає, що антиматерія поводиться так само, як при гравітації робить нормальна матерія.

Як утворилася матерія Всесвіту

Частинки антиматерії утворюються при високошвидкісних зіткненнях. У перші моменти після Великого вибуху існувала лише енергія. Оскільки Всесвіт охолоджується і розширюється, частинки як речовини, так і антиречовини були зроблені в рівних кількостях. Чому одна матерія почала домінувати над іншою, це вченим ще належить відкрити.

Одна з теорій передбачає, що після взаємного знищення залишилося досить багато нормальної матерії, з якої сформувалися зірки, галактики і ми.

Фізики – теоретики античасток

Антивещество вперше було передбачено 1928 року англійським фізиком Поль Діраком, якого англійські вчені назвали «найбільшим теоретиком Британії, як сер Ісаак Ньютон».

Дірак зібрав спеціальне рівняння відносності Ейнштейна (у якому говориться, що світло має певну швидкість у Всесвіті) та квантову механіку (яка описує те, що відбувається в атомі). Він вивів рівняння для електронів із негативним та з позитивним зарядом. Дірак зрештою сказав, що кожна частка у Всесвіті матиме дзеркальне відображення. Американський фізик Карл Д. Андерсон виявив позитрони 1932 р.

Дірак отримав Нобелівську премію з фізики у 1933 році, а Андерсон отримав премію у 1936 році.

Антиречовина на космічному кораблі

Коли частинки антиречовини взаємодіють з частинками речовини, вони знищують один одного і виробляють енергію.

Це дало привід інженерам припустити, що антиречовина може бути колосальною та ефективною енергією для космічного корабля, щоб дослідити Всесвіт.

Проте, станом зараз антиматерія коштує близько $ 100 млрд, щоб створити міліграм антиречовини. Це той мінімум, який буде потрібний для застосування. Для того, щоб ця енергія була комерційно життєздатною, ця ціна мала б впасти приблизно в 10000 разів. Зараз електроенергії необхідно набагато більше, щоб створити антиматерію, ніж отримати назад від реакції антиречовини.

Але це не зупиняє вчених від робіт з удосконалення технології, щоб уможливити застосування антиматерії в космічних апаратах. Вчені стверджують, що цілком можливо, що антиречовину можна було б використати через 50-70 років у майбутньому.

Зараз опрацьовуються варіанти, як космічний апарат може працювати на цьому паливі.

Конструкція передбачає гранули дейтерію та тритію (важкі ізотопи водню з одним або двома нейтронами в ядрах, на відміну від загального водню, який не має нейтронів). Антипротонний промінь впливатиме на гранули. Після того, як антипротони досягнуть урану, вони будуть знищені зі створенням продуктів поділу, які були б іскрою реакції термоядерного синтезу. Використання цієї енергії може змусити космічний апарат рухатися.

Ракетні двигуни на антиматерії гіпотетично можливі, але основне обмеження - це збір достатньої кількості антиречовини, щоб це сталося. Найдорожчі речовини у світіТепер - це антиматерія.

В даний час немає технології для масового виробництва або збору антиматерії в обсязі, необхідної для всіх програм.

Антиматерія- Це протилежність нормальної матерії. Більш конкретно, субатомні частинки антиречовини мають властивості, протилежні властивостям речовини, характерного для звичайної речовини.

Електричний заряд цих частинок змінюється протилежний. Антиматерія була створена разом з матерією після Великого вибуху, але антиматерія рідко зустрічається у сьогоднішньому всесвіті, і вчені не знають, чому.

Щоб краще зрозуміти антиматерію, потрібно більше знати про матерію. Матерія складається з атомів, які є основними одиницями хімічних елементів, як водень, гелій або кисень. Кожен елемент має певну кількість атомів: водень має один атом; гелій має два атоми; і так далі.

Всесвіт атома складний, оскільки він сповнений екзотичних частинок, які фізики тільки починають розуміти. З простої точки зору, атоми мають частинки, які відомі як , протони і всередині них.

Що ви отримаєте, коли поєднаєте теорію відносності та квантову механіку? Тут немає жартів — просто революційна концепція, вигадана лауреатом Нобелівської премії П. Дірак після того, як він виявив дивну невідповідність у рівнянні.

У фізиці частинок кожен тип частинки має асоційовану античастинку з тією самою масою, але з протилежними фізичними зарядами (наприклад, електричний заряд). Наприклад, античастка електрона є антиелектроном (який часто називають позитроном). У той час, як електрон має негативний електричний заряд, позитрон має позитивний електричний заряд і природно генерується в деяких типах радіоактивного розпаду. Назад також вірно: античастинкою позитрона є електрон.

Деякі частинки, такі як фотон, є їхньою власною античастинкою. В іншому випадку для кожної пари частинок з античастинками одна позначається як нормальна матерія (з якої ми зроблені), а інша (зазвичай з приставкою анти), як в антиматерії.

Пари частинки-античастинки можуть анігілювати один одного, виробляючи фотони; оскільки заряди частинки та античастинки протилежні, загальний заряд зберігається. Наприклад, позитрони, що утворюються при природному радіоактивному розпаді, швидко анігілюють себе електронами, виробляючи пари гамма-променів, процес, що використовується в позитронно-емісійної томографії.

Закони природи майже симетричні щодо частинок та античасток. Наприклад, антипротон і позитрон можуть утворювати антиводневий атом, який, як вважають, має ті ж властивості, що і атом водню. Це призводить до питання, чому утворення матерії після Великого вибуху призвело до створення всесвіту, що складається майже повністю з матерії.

Де це?

Частинки антиречовини створюються у надшвидкісних зіткненнях. У перші моменти після Великого Вибуху існувала лише енергія. У міру того як всесвіт охолоджувався і розширювався, частинки як матерії, так і антиматерії були отримані в рівних кількостях. Чому матерія почала домінувати, це питання, яке вчені ще не виявили.

Одна теорія передбачає, що на початку було створено нормальнішу речовину, ніж антиматерія, так що навіть після взаємної анігіляції було достатньо нормальної матерії, що залишилася для утворення зірок, галактик і нас.

Відкриття антиматерії

Антиматерія була вперше відкрита 1928 року англійським фізиком Полом Діраком, якого журнал New Scientist назвав «найбільшим британським теоретиком, як сер Ісаак Ньютон».

Що саме було рівнянням Дірака? Коротше кажучи, це було широке розширення теорії відносності Ейнштейна у поєднанні з квантовою механікою так, як ніколи раніше не робилося математично. Дірак виявив, що це рівняння враховує існування частинок, як ми знаємо, а також протилежно заряджених частинок з магнітними моментами, протилежними моментам відповідних частинок речовини. Він назвав ці протилежно заряджені частинки античастинками чи антиречовинами.

За словами журналу, Дірак об'єднав спеціальне рівняння відносності Ейнштейна (що говорить, що світло — це найшвидша річ, що рухається у Всесвіті) і квантова механіка (що описує те, що відбувається в атомі). Він виявив, що рівняння працює для електронів із негативним зарядом або з позитивними зарядами.

Коли частинки антиречовини взаємодіють із частинками матерії, вони анігілюють одна одну і виробляють енергію. Це призвело до того, що інженери припустили, що двигун на антиматерії космічного апарату може бути ефективним способомдослідження Всесвіту.

НАСА попереджає, що існує величезний прийом з цією ідеєю: для створення міліграма антиматерії потрібно близько 100 мільярдів доларів.

"Щоб бути комерційно життєздатним, ця ціна має знизитися приблизно в 10 000 разів", - пише агентство. Вироблення енергії створює ще один біль голови: «Для створення антиречовини потрібно набагато більше енергії, ніж енергія, яку можна отримати від реакції антиречовини».

Але це не завадило НАСА та іншим групам працювати над покращенням технології, щоб зробити двигун на антиматерії можливим.

Майже все, що ми детектуємо на Землі і за допомогою штучних супутників, є речовиною. Антивещество виходить Землі з допомогою прискорювачів високих енергій. Так, наприклад, було отримано антипротони, ядра антидейтрону, антигелію, антиатоми.
Астрономічними методами безпосереднє спостереження антиматерії неможливе, т.к. фотони, що народжуються при взаємодії частинок антиматерії між собою, не відрізняються від фотонів, що народжуються при взаємодії частинок матерії. Причина в тому, що фотон є істинно нейтральною частинкою. У принципі матерію від антиматерії можна відрізнити за спостереженням нейтрино і антинейтрино, проте в даний час такі спостереження малореальні.
Якби в найближчому оточенні Землі були області, в яких домінувала антиматерія, це мало б виявлятися у вигляді анігіляційних γ-квантів, які утворюються при анігіляції матерії та антиматерії. Важливим аргументом на користь переважання матерії над антиматерією є космічні промені. Вони є частинками матерії - протони, електрони, атомні ядра, виготовлені з протонів і нейтронів.
Утворення частинок антиречовини спостерігається внаслідок взаємодії високоенергійних частинок космічного випромінювання з атмосферою Землі. Античастинки утворюються в областях із підвищеною концентрацією енергії. Так, наприклад, утворення античастинок відбувається у ядрах активних галактик. Як правило, у таких випадках частинки антиматерії з'являються разом із частинками матерії. На наступній стадії відбувається утворення та анігіляція частинок речовини та антиречовини. Так, наприклад, фотон з енергією більше 1 МеВ може у полі атомного ядра утворити електрон-позитронну пару. Позитрон, що утворився при зустрічі з електроном анігілює, утворюючи частіше 2 і рідше 3 γ-кванта.
Проблема існування антиречовини у Всесвіті є фундаментальною проблемою фізики, яка пов'язана з проблемою утворення та розвитку Всесвіту.
Існують різні гіпотези щодо того, чому спостерігається Всесвіт майже повністю складається з матерії. Чи існують області Всесвіту, де переважає антиматерія? Чи можна використовувати антиматерію? Причина очевидної асиметрії речовини та антиречовини у видимому Всесвіті одна з найбільших невирішених загадок у сучасної фізики. Процес, з якого виникає ця асиметрія між частинками і античастинками називається баріогенезисом.
До 50-х років ХХ століття переважала думка, що у Всесвіті однакова кількість матерії та антиматерії. Однак у середині 60-х років роботи в галузі теорії Великого Вибуху похитнули цю точку зору. Дійсно, якщо в перші моменти існування гарячого і щільного Всесвіту кількість частинок і античастинок була однаковою, то їх анігіляція призвела б до того, що у Всесвіті залишилося тільки випромінювання. В даний час більшість фізиків згідно з тим, що в результаті порушення СР-симетрії у Всесвіті в перші миті еволюції частинок утворилося дещо більше, ніж античастинок - приблизно одна частка на 109 пар частка-античастка. Через війну після анігіляції залишилося небагато часток.
Інша можливість пояснити домінування речовини в «ближньому» Всесвіті це припустити, що антиречовина зосереджена в далеких погано досліджених областях Всесвіту. У 1979 році Флойд Стекер (Floyd Stecker) припустив, що асиметрія речовини та антиречовини могла виникнути спонтанно в перші моменти після Великого вибуху, коли речовина та антиречовина розлетілися в різні боки.
Так як електромагнітне випромінювання однаково взаємодіє як з матерією, так і з антиматерією, планети, зірки і галактики з матерії та антиматерії в електромагнітному випромінюванні виглядають однаково. Тому потрібні інші методи пошуку антиречовини у Всесвіті. Одним із таких методів є спостереження антиядер у космічному просторі. Це повинні бути антиядра з масовим числом A > 4. Якби вдалося зареєструвати поблизу Землі ядра антигелія, ми отримали б досить сильне свідчення на користь існування у Всесвіті областей підвищеного вмісту антиречовини.
Чому для пошуку антиматерії слід шукати ядра антигелія чи важчі ядра? Справа в тому, що антипротони можуть утворюватися при взаємодії ультрарелятивістських протонів чи інших ядер космічних променів. В енергетичному спектрі таких антипротонів (зазвичай їх називають вторинними) повинен спостерігатися широкий максимум в області 2 ГеВ. Іншими джерелами антипротонів, які називають первинними, можуть бути анігіляція гіпотетичних суперсиметричних частинок, з яких, як передбачається, складається темна матерія, – нейтраліно та/або випаровування «первинних» чорних дірок. Парна анігіляція нейтраліно може призводити до народження кварк-антикваркових струменів, з подальшою їх адронізацією та утворенням антипротонів. Первинні чорні діри могли утворюватись у ранньому Всесвіті. Такі чорні дірки з масою 1014-15 можуть досить інтенсивно випаровувати частинки (випромінювання Хокінга). Внесок таких первинних антипротонів у енергетичний спектр, що реєструється, можна намагатися виявити в низькоенергетичній області< 1 ГэВ.
Потік вторинних антипротонів можна оцінити залежно від моделі Галактики. Він досягає максимуму за енергії ~10 ГеВ. В області енергією до кількох сотень ГеВ за характером спектру є надія отримати інформацію як про баріогенез так і/або про анігіляцію суперсиметричних частинок та/або WIMPів.
Утворення антидейтронів під впливом космічних променів значно менш імовірно. Спектр вторинних антидейтронів повинен бути зрушений в область більших енергій у порівнянні зі спектром вторинних антипротонів і швидко спадати при зменшенні енергії. Для первинних антидейтронів, що утворюються при анігіляції частинок темної матерії та/або випаровуванні первинних чорних дірок, максимум спектра очікується при енергії< 1 ГэВ. Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо разделены.
Імовірність утворення ядер антигелію під впливом космічних променів зникає мало. Дійсно, для цього повинні в одному місці і практично одночасно утворитися два антипротони і два антинейтрони, причому їх відносні швидкості повинні бути малі. У 1997 р. Паскаль Шардоне (Pascal Chardonnet) оцінив ймовірність такої події. За його оцінками, одне ядро ​​антигелію може утворитися на 10 15 ультрарелятивістських протонів космічних променів. Середній час очікування такої події становить 15 мільярдів років, що можна порівняти з віком Всесвіту.
Якщо у Всесвіті ранній стадії еволюції справді утворилися області простору, у яких переважає матерія чи антиматерія, всі вони повинні розділятися, т.к. на межі цих областей утворюється світловий тиск, який поділяє речовину та антиречовину. На кордоні між областями з матерією та антиматерією має відбуватися анігіляція, відповідно випромінюватимуться анігіляційні гамма-кванти. Проте сучасні гамма-телескопи таке випромінювання не фіксують. Виходячи з чутливості телескопів, було проведено оцінки. Згідно з ними, області антиречовини не можуть ближче 65 мільйонів світлових років. Таким чином, таких областей немає не тільки в нашій галактиці, але і в нашому скупченні галактик, що включає крім Чумацького шляху ще 50 інших галактик.
Реєстрація ядер антигелію утворених на таких відстанях є складною проблемою. Не так просто ядру антигелію долетіти з такої далекої відстані до детектора і бути зареєстрованим. Зокрема, воно може «заплутатися» у галактичних та міжгалактичних магнітних полях і таким чином ніколи не відлетіти далеко від місця своєї освіти. Крім того, антигелію постійно загрожуватиме небезпека анігіляції. І, нарешті, детектор невелика мета, щоб у нього можна було легко потрапити з такої гігантської відстані. Тому ефективність реєстрації ядер антигелію вкрай низька.
У разі «подорожі» антигелія дуже багато неясного, що дозволяє оцінити ймовірності реєстрації ядер . Завжди зберігається можливість того, що якби детектор трохи чутливіший, і відкриття б відбулося.
Зрозуміло лише, що час «подорожі» антиядра невеликої енергії може бути меншим, ніж час існування Всесвіту. Тому полювати треба за високоенергетичними антиядрами. Крім того, такі ядер мають більше шансів подолати галактичний космічний вітер.
Що стосується позитронів і антипротонів, то їх теж можуть випромінювати гіпотетичні області антиматерії і давати внесок у спектри, що вимірюються поблизу Землі. Порівняно з антипротонами, позитрони складніше реєструвати. Це з тим, що потоки протонів, які є джерелом фону, в 10 3 більше, ніж потоки позитронів. Сигнали від позитронів, що прилетіли від областей антиматерії, можуть потонути в сигналах від позитронів, що виникли внаслідок інших процесів. Тим часом походження позитронів у космічних променях також до кінця не відомо. Чи є в космічних променях первинні позитрони? Чи є зв'язок між надлишком антипротонів та позитронів? Для прояснення ситуації необхідний вимір спектрів позитронів у широкому енергетичному діапазоні.
Перший запуск приладу для дослідження космічних променів у верхні шари атмосфери за допомогою повітряної кулі здійснив у 1907 році Віктор Гесс. Аж до початку 50-х років ХХ століття вивчення космічних променів було джерелом найважливіших відкриттів у фізиці частинок. Починаючи з 1979 р. в таких експериментах спостерігалися антипротони (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, p.330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Вони відкрили нові можливості у дослідженні антиматерії та темної матерії. У сучасних дослідженнях космічних променів використовуються методики, розроблені для експериментів на прискорювачах.
До останнього часу майже всю інформацію про античастинки в космічних променях було отримано за допомогою детекторів, що запускаються у високі шари атмосфери на повітряних кулях. При цьому виникла підозра, що антипротонів більше, ніж випливало з оцінок ймовірності їх виникнення внаслідок взаємодії космічних променів із міжзоряним середовищем (вторинних антипротонів). Запропоновані для пояснення «надлишкових» антипротонів механізми давали різні передбаченнядля енергетичних спектрів антипротонів Однак нетривалий час польоту повітряної кулі та наявність залишків земної атмосфери обмежували можливості такого роду експериментів. Дані мали велику невизначеність, крім того, не сягали енергії далі 20 ГеВ.
Для реєстрації античастинок використовуються великі повітряні кулі (до 3 млн. кубічних метрів), здатні підняти на висоту ~40 км важкі детектори масою до 3 т. Як правило, як Монгольф'є вони відкриті внизу, і втрачають гелій при падінні зовнішньої температури. Найчастіше тривалість польоту вбирається у 24 години. Крім того, температури атмосфери після швидкого зменшення з нуля до 20–25 км починає зростати, досягаючи максимуму на висоті ~40 км, після чого починає знову зменшуватися. Так як при зниженні температури зовнішнього повітря об'єм повітряної кулі зменшується, максимальна висота підйому не може бути вищою, ніж ~40 км. На цій висоті атмосфера ще досить щільна, і потік антипротонів з енергіями в кілька десятків ГеВ, що утворюються при взаємодії первинних космічних променів із залишковою атмосферою, перевищує потік антипротонів, що утворюються в галактичному середовищі. Для більш високих енергій зареєстрованих частинок помилки стають надто більшими, щоб отримати надійні результати.
Останнім часом почали здійснюватися триваліші польоти (до 20 днів). У них також використовуються відкриті кулі, але втрати гелію були суттєво знижені, за рахунок того, що запуски куль-зондів здійснювалися у дуже високих широтах поблизу полюсів під час полярного дня. Однак, маса їх корисного навантаження при польотах на висоту 40км не перевищує 1 т. Це занадто мало для вимірювання потоків антиречовини при високих енергіях. Для реалізації надтривалих польотів на повітряних кулях (близько 100 днів) передбачається використовувати й закриті кулі. Вони товстіші і важчі, не втрачають гелію і можуть витримати різницю тисків усередині та зовні. Вони можуть піднімати відносно легкі інструменти менше 1 т.

Мал. 20.1. Запуск кулі-зонда з фізичною апаратурою.

Мал. 20.2. Детектор космічного випромінювання BESS-Polar II Спектрометр (1) з сонячними батареями (2).

Пошук антигелію за допомогою спектрометрів на повітряних кулях здійснювався в рамках експерименту BESS (B alloon-borne E xperiment with S uperconducting S pectrometer) (рис. 20.2). З 1993 по 2000 р. спектрометри BESS неодноразово запускалися у верхні шари атмосфери в північній Канаді. Тривалість польотів була близько однієї доби. Спектрометр постійно вдосконалювався та підвищувалася чутливість. Сумарна чутливість для відношення гелій/антигелій досягнута в цій серії польотів ~6.8×10 -7 в діапазоні жорсткості 1-14 ГВ. В експерименті BESS-TeV (2001) діапазон жорсткості спектрометра був збільшений до 500 ГВ і досягнута чутливість 1.4×10 -4 . Для збільшення статистики у 2004-2008 роках. багатоденні польоти удосконалених спектрометрів (0.6-20 ГВ) здійснювалися в Антарктиці. У 2004-2005 рр. – у польоті BESS-Polar I, який тривав 8.5 днів, було досягнуто чутливості 8×10 −6 . У 2007-2008 роках. у польоті BESS-Polar II (тривалість вимірювань 24.5 дня) досягнуто чутливість 9.8×10 −8 . Сумарна чутливість з урахуванням усіх польотів BESS досягла величини 6.7×10−8. Жодного ядра антигелія виявлено не було.
Магнітний спектрометр, який використовувався в польоті BESS-Polar II, складається з надпровідного соленоїдального магніту з надтонкими стінками, центрального трекера (JET/IDC), часопрольотного рокоскопа (TOF) та черенківського детектора (рис. 20.3).

Мал. 20.3. Спектрометр експерименту BESS-Polar II у розрізі.

Час-прогоновий годоскоп дозволяє вимірювати швидкість (β) та енергетичні втрати (dE/dx). Він складається з верхнього та нижнього пластикових сцинтиляційних лічильників, складених з 10 та 12 сцинтиляційних смужок (100×950×10 мм). Тимчасовий дозвіл системи часу прольоту ~70 пс. Крім того, є ще третій сцинтиляційний лічильник (Middle-TOF), який знаходиться всередині соленоїда та складається з 64 стрижнів пластикового сцинтилятора. Він дозволяє знизити енергетичний поріг реєстрації за рахунок частинок, які не здатні пролетіти нижню частину соленоїда.
Дрейфові камери знаходяться у однорідному полі магніту. По 28 точках, у кожній з точністю 200 мкм, розраховується кривизна траєкторії частки, що влітає в спектрометр, що дозволяє визначити її магнітну жорсткість R = pc/Ze і знак заряду.
Аерогелійовий черенківський лічильник дозволяє сепарувати сигнали від антипротонів та антидейтронів від фону e-/μ-.

Мал. 20.4. Ідентифікація частинок в установці BESS.

Ідентифікація частинок проводиться за масою (рис. 20.4), яка пов'язана з виміряними за допомогою час-прогонових лічильників і дрейфових камер жорсткістю R, швидкістю частинки β і втратами енергії dE/dx співвідношенням

І тому виділяються відповідні області на двовимірних розподілах dE/dx – |R| та β -1 – R.

Антипротонний радіаційний пояс Землі

Колаборацією PAMELA було виявлено радіаційний пояс навколо Землі у сфері Південної Атлантичної аномалії. Були виміряні спектри антипротонів та протонів безпосередньо в радіаційному поясі та поза радіаційним поясом (рис. 20.5, 20.6).
Показано, що антипротони, які реєструвалися детекторними установками, встановленими на балонах та супутниках, мають вторинне походження. Вони утворюються в результаті взаємодії галактичних космічних променів з міжзоряною речовиною або атмосферою реакції pp → ppp. Однак істотно більший внесок робить розпад альбедних антинейтронів (антинейтронів, потік яких спрямований від Землі), що виникають у реакції
pp → ppn . Ці антинейтрони проходять крізь геомагнітне поле і розпадаються, утворюючи антипротони → + e + + e. Частина з антипротонів, що утворилися, може бути захоплена магнітосферою, утворюючи радіаційний пояс антипротонів. Як основним джерелом радіаційного поясу протонів є розпад нейтронів альбедо, і розпад антинейтронів призводить до утворення поясу антипротонів.
З експериментальних даних випливає, що щільність антипротонів у радіаційному поясі на 3–4 порядки більша, ніж щільність антипротонів поза радіаційним поясом. Форма спектру антипротонів, утворених безпосередньо в результаті взаємодії галактичних космічних променів, практично збігається з формою спектра антипротонів поза радіаційним поясом антипротонів.
Проблема виявлення антиматерії у Всесвіті далека від рішення. Активний пошук антиматерії передбачено у програмах космічних телескопів Фермі та інших.

Антиматерія - це матерія, що складається з античастинок, тобто частинок з такими ж, але зворотними за значенням і властивостями тих частинок, протилежностями яких вони є. Кожна частка має свою дзеркальну копію - античастинку. Античастинки протона, нейтрону і називаються антипротоном, антинейтроном та позитроном, відповідно. Протони і нейтрони, у свою чергу, складаються з ще менших частинок, які називаються кварками. Антипротони та антинейтрони складаються з антикварків.

Античастинки переносять аналогічний, але протилежний за значенням заряд, як і їх прототипи зі звичайної матерії, але мають ту ж масу і схожі на них у всіх інших відносинах. Як припускають вчені, можуть існувати цілі галактики з антиматерії. Також є думка, що антиречовини у Всесвіті може бути навіть більшою, ніж звичайної речовини. Але побачити антиматерію неможливо, так само як об'єкти навколишнього нас звичайного світу. Вона не видно людського зору.

Більшість астрономів, все ж таки сходяться на думці, що антиречовини все-таки не так вже й багато чи взагалі немає в природі, інакше, як вони міркують, у Всесвіті було б багато місць де звичайна матерія та антиматерія стикаються один з одним, що супроводжувалося б потужним потоком гамма-променів, спричинених їх анігіляцією. Анігіляція – це взаємознищення частинок матерії та антиматерії, що супроводжується виділенням енергії. Однак таких регіонів не було знайдено.

Одна з потенційних гіпотез виникнення антиматерії пов'язана з теорією великого вибуху. Ця теорія стверджує, що вся наша виникла в результаті розширення певної точки в просторі. Після вибуху виникла рівна кількість матерії та антиматерії. Відразу розпочався процес їх взаємознищення. Однак з якоїсь причини матерії виявилося трохи більше, що дозволило утворитися Всесвіту у звичній формі.

Через відсутність можливості вивчити властивості антиматерії, вчені вдаються до штучних способів утворення антиречовини. Для його одержання використовують спеціальні наукові прилади – прискорювачі частинок, у яких атоми матерії розганяються до світлової швидкості (300 000 км/сек). Зіткнувшись, деякі частинки руйнуються, у результаті утворюються античастинки, у тому числі можна отримати антиматерію. Складною проблемою є зберігання антиречовини, оскільки, доторкнувшись до звичайної матерії, антиречовина знищується. Для цього отримані крупинки антиматерії поміщають у вакуум і в яке утримує їх у підвішеному стані і не дає доторкнутися до стінок сховища.

Незважаючи на всю складність отримання та дослідження антиречовини, воно може надавати для нашого життя безліч переваг. Всі вони ґрунтуються на тому факті, що при взаємодії антиматерії з матерією виділяється величезна кількість енергії. Причому ставлення енергії, що вивільняється, до маси речовини, що бере участь, не перевищена жодним видом або вибухової речовини. Внаслідок анігіляції немає жодних побічних продуктів, лише чиста енергія. Тому вчені вже зараз мріють про її застосування. Наприклад, про антиматерії з нескінченним ресурсом. Космічні кораблі з анігіляторними двигунами зможуть пролітати тисячі світлових років на світловій швидкості. Військовим це дасть можливість створити величезну потужність, набагато руйнівнішу, ніж атомна або воднева. Однак усім цим мріям не судиться здійсниться, поки ми не зможемо отримувати недорогу антиречовину у промислових масштабах.

Парадокс "темної матерії", непередбачувані подвійні зірки. Однією з найвідоміших та інтригуючих загадок, безсумнівно, є антиречовина, що складається з «вивернутої навиворіт» матерії. Відкриття цього феномена - одне з найважливіших досягнень фізики в минулому столітті.

До цього моменту вчені були впевнені, що елементарні частинки – фундаментальні та незмінні цеглини світобудови, які не народжуються заново і ніколи не зникають. Ця нудна і невигадлива картина пішла в минуле, коли з'ясувалося, що заряджений негативно електрон та його двійник з антисвіту позитрон при зустрічі взаємно знищуються, породжуючи кванти енергії. А пізніше стало очевидним, що елементарні частинки взагалі люблять перетворюватися одна на одну, причому найхимернішими способами. Відкриття антиречовини стало початком докорінної трансформації уявлень про властивості світобудови.

Антиматерія вже давно стала улюбленою темою наукової фантастики. Корабель «Ентерпрайз» із культового «Зоряного шляху» використовує для підкорення галактики двигун на антиречовині. У книзі Дена Брауна «Ангели та демони» головний геройрятує Рим від бомби, створеної з урахуванням цієї субстанції. Підкоривши невичерпні обсяги енергії, що виходить при взаємодії речовини з антиречовиною, людство набуде могутності, яка перевершуватиме прогнози найсміливіших фантастів. Кілька кілограмів антиматерії цілком достатньо для перетину Галактики.

Але до створення зброї та космічних апаратівще дуже далеко. В даний час наука зайнята теоретичним обґрунтуванням існування антиматерії та дослідженням її властивостей, причому вчені використовують у своїх дослідах десятки, у крайньому випадку, сотні атомів. Час їхнього життя обчислюється частками секунд, а вартість експериментів – десятками мільйонів доларів. Фізики впевнені, що знання про антиречовину допоможуть нам краще зрозуміти еволюцію Всесвіту та події, що відбувалися в ньому відразу після Великого вибуху.

Що таке антиречовина та які його властивості?

Антивещество - це особливий вид матерії, що складається з античасток. Вони мають той же спину і масу, що і звичайні протони і електрони, але відрізняються від них знаком електричного і колірного заряду, баріонним і лептонним квантовим числом. Говорячи простими словами, Якщо атоми звичайної речовини складаються з позитивно зарядженого ядра і негативного електронів, то в антиречовини все навпаки.

При взаємодії матерії та антиматерії відбувається анігіляція із виділенням фотонів чи інших частинок. Енергія, одержувана при цьому, величезна: одного грама антиречовини достатньо для вибуху потужністю кілька кілотонн.

Згідно з сучасними уявленнями, речовина та антиречовина мають однакову структуру, тому що силова та електромагнітна взаємодії, що визначають її, діють абсолютно ідентично як на частинки, так і на їх «двійників».

Вважається, що антиматерія також може створювати гравітаційну силу, але цей факт ще не доведений. Теоретично гравітація має діяти на речовину та антиречовину однаково, але це ще належить з'ясувати експериментальним шляхом. Зараз над цим питанням працюють у проектах ALPHA, AEGIS та GBAR.

Наприкінці 2015 року за допомогою колайдера RHIC вченим вдалося виміряти силу взаємодії між антипротонами. Виявилося, що вона дорівнює аналогічній характеристиці протонів.

В даний час відомі «двійники» практично всіх існуючих елементарних частинок, крім так званих «справжньо нейтральних», які при зарядовій парі переходять у самих себе. До цих частинок належать:

• фотон;
• бозон Хіггса;
• нейтральний пі-мезон;
• ця-мезон;
• гравітрон (поки не виявлений).

Антиматерія є набагато ближче, ніж ви думаєте. Джерелом антиречовини, щоправда, не надто потужним, є звичайні банани. Вони містять ізотоп калій-40, який розпадається із заснуванням позитрона. Це відбувається приблизно один раз на 75 хвилин. Цей елемент також входить до складу людського тіла, тому кожного з нас можна назвати генератором античасток.

З історії питання

Вперше припустився думки про існування матерії «з іншим знаком» британський вчений Артур Шустер ще наприкінці XIX століття. Його публікація на цю тему була досить туманною і не містила жодної доказової бази, швидше за все, гіпотезу вченого наштовхнуло недавнє відкриття електрона. Він же першим увів у науковий побут терміни «антиречовина» та «антиатом».

Експериментально антиелектрон було отримано ще до свого офіційного відкриття. Це вдалося зробити радянському фізику Дмитру Скобельцину у 20-ті роки минулого сторіччя. Він отримав дивний ефект при дослідженні гамма-променів у камері Вільсона, але пояснити його не зміг. Тепер ми знаємо, що феномен був викликаний появою частинки та античастинки – електрона та позитрону.

1930 року відомий британський фізик Поль Дірак, працюючи над релятивістським рівнянням руху для електрона, передбачив існування нової частинки з тією ж масою, але протилежним зарядом. На той час вчені знали лише одну позитивну частинку – протон, проте вона була в тисячі разів важча за електрон, тому інтерпретувати дані, отримані Діраком, так і не змогли. Через два роки американець Андерсон виявив «двійника» електрона при дослідженні випромінювання з космосу. Він отримав назву позитрон.

До середини минулого століття фізики встигли непогано вивчити цю античастинку, було розроблено кілька способів її отримання. У 50-ті роки вчені відкрили антипротон та антинейтрон, у 1965 році було отримано антидейтрон, а у 1974 році радянським дослідникам вдалося синтезувати антиядра гелію та тритію.

У 60-ті та 70-ті роки античастинки у верхніх шарах атмосфери шукали за допомогою повітряних куль з науковою апаратурою. Цією групою керував нобелівський лауреат Луїс Альварець. Усього було «спіймано» близько 40 тис. частинок, але жодна з них до антиматерії не мала жодного відношення. У 2002 році аналогічними дослідженнями зайнялися американські та японські фізики. Вони запустили величезну повітряну кулю BESS (обсяг 1,1 млн м3) на висоту 23 кілометри. Але й їм за 22 години експерименту не вдалося виявити навіть найпростіших античасток. Пізніше аналогічні досліди провели в Антарктиді.

У середині 90-х європейським ученим вдалося отримати атом антиводню, що складається з двох частинок: позитрону та антипротону. У Останніми рокамивдалося синтезувати значно більшу кількість цього елемента, що дозволило просунутися у вивченні його властивостей.

У 2005 році чутливий детектор антиречовини було встановлено на Міжнародній космічній станції (МКС).

Антиматерія в умовах космосу

Першовідкривач позитрона Поль Дірак вважав, що у Всесвіті існують цілі області, що повністю складаються з антиречовини. Про це він говорив у своїй нобелівській лекції. Але поки що вченим не вдалося виявити нічого подібного.

Звичайно, в космосі є античастинки. Вони з'являються на світ завдяки багатьом високоенергетичним процесам: вибухам наднових зірок або горінню термоядерного палива, виникають у хмарах плазми навколо чорних дірок або нейтронних зірок, народжуються при зіткненнях високоенергетичних частинок у міжзоряному просторі. Більше того, невелика кількість античастинок постійно проливається дощем на нашу планету. Розпад деяких радіонуклідів також супроводжується утворенням позитронів. Але все вищеперелічене – це лише античастинки, але не антиречовина. До цих пір дослідникам не вдалося знайти в космосі навіть антигелій, що вже говорити про більш важкі елементи. Провалом завершилися і пошуки специфічного гамма-випромінювання, яке супроводжує процес анігіляції при зіткненні речовини та антиречовини.

Судячи з наявних сьогодні даних, немає антигалактик, антизірок чи інших великих об'єктів з антиречовини. І це дуже дивно: згідно з теорією Великого вибуху, у момент зародження нашого Всесвіту з'явилася однакова кількість речовини та антиречовини, і куди поділося останнє – незрозуміло. В даний час є два пояснення цього феномену: або антиречовина зникла відразу після вибуху, або вона існує в якихось віддалених частинах світобудови, і ми її просто ще не виявили. Подібна асиметрія – одне з найважливіших нерозгаданих завдань сучасної фізики.

Існує гіпотеза, що на ранніх етапах життя нашого Всесвіту кількість речовини та антиречовини майже збігалася: на кожні мільярд антипротонів і позитронів припадало рівно стільки ж їхньої «візаві», плюс один «зайвий» протон та електрон. Згодом основна частина матерії та антиматерії зникла в процесі анігіляції, а з надлишку виникло все, що нас оточує сьогодні. Щоправда, не зовсім зрозуміло, звідки і чому з'явилися зайві частки.

Отримання антиречовини та труднощі цього процесу

У 1995 році вченим вдалося створити лише дев'ять атомів антиводню. Вони проіснували кілька десятків наносекунд, а потім анігілювали. У 2002 році кількість частинок обчислювалося вже сотнями, а термін їхнього життя збільшився у кілька разів.

Античастка, як правило, народжується разом зі своїм звичайним «двійником». Наприклад, для отримання позитрон-електронної пари потрібна взаємодія гамма-кванту з електричним полем атомного ядра.

Отримання антиматерії – дуже клопітне заняття. Цей процес відбувається у прискорювачах, а зберігаються античастинки у спеціальних накопичувальних кільцях за умов високого вакууму. У 2010 році фізикам вперше вдалося спіймати в спеціальну пастку "цілих" 38 атомів антиводню і утримати їх протягом 172 мілісекунд. Для цього вченим довелося охолоджувати 30 тис. антипротонів до температури нижче -70 °C та два мільйони позитронів до -230 °C.

на наступний рікдослідникам вдалося значно покращити результати: збільшити термін життя античастинок до тисячі секунд. Надалі планується з'ясувати відсутність чи наявність ефекту антигравітації антиматерії.

Питання зберігання антиматерії – справжнє головний більдля фізиків, адже антипротони та позитрони миттєво анігілюють при зустрічі з будь-якими частинками звичайної речовини. Для їх утримання вченим довелося вигадувати хитрі пристосування, здатні запобігати катастрофі. Заряджені античастинки зберігаються в так званій пастці Пеннінга, що нагадує мініатюрний прискорювач. Її потужне магнітне та електричне поле не дає позитронам та антипротонам зіткнутися зі стінками приладу. Однак такий пристрій не працює з нейтральними об'єктами, на зразок атома антиводню. Для цього випадку була розроблена пастка Іоффе. Утримання антиатомів у ній відбувається за рахунок магнітного поля.

Вартість антиречовини та її енергетична ефективність

Враховуючи складність одержання та зберігання антиматерії, не дивно, що ціна її дуже висока. Згідно з розрахунками НАСА, 2006 року один міліграм позитронів коштував приблизно 25 млн доларів. За попередніми даними, грам антиводню оцінювався в 62 трлн доларів. Приблизно такі ж цифри дають і європейські фізики із CERN.

Потенційно антиматерія – це ідеальне паливо, надефективне та екологічно чисте. Проблема в тому, що всієї антиматерії, створеної досі людьми, ледь вистачить, щоб закип'ятити хоч чашку кави.

Синтез одного грама антиречовини вимагає витрати 25 мільйонів мільярдів кіловат-годин енергії, що робить будь-яке практичне застосування цієї субстанції просто абсурдним. Можливо, колись ми і заправлятимемо нею зорельоти, але для цього необхідно придумати простіші та дешевші методи отримання та довготривалого зберігання.

Існуючі та перспективні способи застосування

В даний час антиречовина використовується в медицині при проведенні позитронно-емісійної томографії. Цей метод дозволяє отримати зображення внутрішніх органівлюдини в високому дозволі. Радіоактивні ізотопи на кшталт калію-40 з'єднують з органічними речовинами типу глюкози та вводять у кровоносну систему пацієнта. Там вони випускають позитрони, які анігілюються під час зустрічі з електронами нашого тіла. Гамма-випромінювання, отримане під час цього процесу, формує зображення досліджуваного органу чи тканини.

Антивещество також вивчається як можливий засіб проти онкологічних захворювань.

Застосування антиматерії, безперечно, має величезні перспективи. Вона зможе привести до справжнього перевороту в енергетиці та дозволить людям досягти зірок. Улюбленим коником авторів фантастичних романів є зорельоти з так званими варп-двигунами, що дозволяють переміщатися з надсвітловою швидкістю. Сьогодні існує кілька математичних моделей подібних установок, і більшість із них використовують у роботі антиречовину.

Є й більш реалістичні пропозиції без надсвітлових польотів та гіперпростору. Наприклад, пропонується вкидати в хмару антипротонів капсулу з урану-238 з дейтерієм і гелієм-3, що знаходиться всередині. Розробники проекту вважають, що взаємодія цих складових призведе до початку термоядерної реакції, продукти якої, будучи спрямованими магнітним полем у сопло двигуна, забезпечать кораблю значну тягу.

Для польотів на Марс за місяць американські інженери пропонують використовувати ядерний поділ, ініційований антипротонами. За їх підрахунками, для подібної подорожі необхідно лише 140 нанограмів цих частинок.

Враховуючи значну кількість енергії, що виділяється під час анігіляції антиречовини, ця субстанція – чудовий кандидат для начинки бомб та інших вибухонебезпечних предметів. Навіть невеликої кількості антиречовини достатньо для створення боєприпасу, який можна порівняти за потужністю з ядерною бомбою. Але поки що про це передчасно турбуватися, бо дана технологія знаходиться на ранньому етапі свого розвитку. Навряд чи подібні проекти зможуть здійснитись у найближчі десятиліття.

Поки що антиречовина – насамперед предмет вивчення теоретичної науки, який дуже багато може розповісти про будову нашого світу. Подібний стан речей навряд чи зміниться, поки ми не навчимося отримувати його в промислових масштабах і надійно зберігати. Тільки тоді можна буде говорити про практичне використання цієї субстанції.

Якщо у вас виникли питання – залишайте їх у коментарях під статтею. Ми чи наші відвідувачі з радістю відповімо на них