Антиматерія – це субстанція, що складається з античасток: ціна антиматерії. Антивещество: прорив у фізиці чи загроза всім, хто живе? Загальні відомості про антиречовину

Антиматерія давно була предметом наукової фантастики. У книзі та фільмі «Ангели та демони» професор Ленгдон намагається врятувати Ватикан від бомби з антиматерії. Космічний корабель «Ентерпрайз» із «Зоряного шляху» використовує двигун на основі анігілюючої антиматерії для подорожей швидше за швидкість світла. Але антиматерія також є предметом нашої з вами реальності. Частинки антиматерії практично ідентичні своїм матеріальним партнерам, крім того, що переносять протилежний заряд і спин. Коли антиматерія зустрічає матерію, вони миттєво анігілюють в енергію і це вже не вигадка.

Хоча бомби з антиматерії та кораблі на основі цього ж палива поки що не можливі на практиці, є багато фактів про антиматерії, які вас здивують або дозволять освіжити в пам'яті те, що ви вже знали.

Антиматерія мала знищити всю матерію у Всесвіті після Великого Вибуху

Згідно з теорією, Великий Вибух породив матерію та 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 є. І наскільки знають фізики, це тому, що на кожний мільярд пар матерії-антиматерії була одна зайва частка матерії. Фізики всіма силами намагаються пояснити цю асиметрію.

Антиматерія ближча до вас, ніж ви думаєте

Невеликі кількості антиматерії постійно проливаються дощем Землю як космічних променів, енергетичних частинок з космосу. Ці частинки антиречовини досягають нашої атмосфери з рівнем від однієї до сотні на квадратний метр. Вчені також мають свідчення того, що антиречовина народжується під час грози.

Є й інші джерела антиречовини, що знаходяться ближче до нас. Банани, наприклад, виробляють антиречовину, випускаючи один позитрон - антиречовий еківалент 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 також містять калій-40, а отже, і ви випромінюєте позитрони. Антиматерія анігілює миттєво при контакті з матерією, тому ці частинки антиречовини живуть не дуже довго.

Людям вдалося створити зовсім небагато антиматерії

Анігіляція антиматерії та матерії має потенціал вивільнення величезної кількості енергії. Грам антиматерії може зробити вибух розміром із ядерну бомбу. Втім, люди зробили не так багато антиматерії, тому боятися нема чого.

Усі антипротони, створені на прискорювачі частинок Теватроне у Лабораторії Фермі, навряд чи наберуть 15 нанограмів. У CERN на сьогоднішній день виробили лише близько 1 нанограма. У DESY у Німеччині - не більше 2 нанограмів позитронів.

Якщо вся антиматерія, створена людьми, анігілює миттєво, її енергії не вистачить навіть закип'ятити чашку чаю.

Проблема полягає в ефективності та вартості виробництва та зберігання антиречовини. Створення 1 грама антиматерії вимагає близько 25 мільйонів мільярдів кіловат-годин енергії і коштує понад мільйон мільярдів доларів. Не дивно, що антиречовина іноді включають до списку десяти найдорожчих речовин у світі.

Існує така річ, як пастка для антиматерії

Для вивчення антиматерії вам потрібно запобігти її анігіляції з матерією. Вчені знайшли кілька способів це здійснити.

Заряджені частинки антиречовини, на кшталт позитронів та антипротонів, можна зберігати в так званих пастках Пеннінга. Вони схожі на крихітні прискорювачі частинок. Всередині них частинки рухаються спіраллю, поки магнітні та електричні поля утримують їх від зіткнення зі стінками пастки.

Однак пастки Пеннінга не працюють для нейтральних частинок на зразок антиводню. Оскільки вони не мають заряду, ці частки 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 найслабшим магнітним полем.

Магнітне поле Землі може виступати як пастки антиречовини. Антипротони знаходили у певних зонах навколо Землі – радіаційних поясах Ван Аллена.

Антиматерія може падати (у прямому значенні слова)

Частинки матерії та антиматерії мають одну масу, але різняться у властивостях на кшталт електричного заряду та спина. передбачає, що гравітація повинна однаково впливати на матерію та антиматерію, проте це ще належить з'ясувати напевно. Експерименти на кшталт AEGIS, ALPHA та GBAR працюють над цим.

Спостерігати за гравітаційним ефектом на прикладі антиматерії не так просто, як дивитися на яблуко, що падає з дерева. Ці експерименти вимагають утримання антиматерії в пастці або уповільнення її шляхом охолодження до температур трохи вище за абсолютний нуль. І оскільки гравітація - найслабша з фундаментальних сил, фізики повинні використовувати нейтральні частки антиматерії в цих експериментах, щоб запобігти взаємодії з потужнішою силою електрики.

Антиматерія вивчається у сповільнювачах частинок

Ви чули про прискорювачі частинок, а про сповільнювачі частинок чули? У CERN знаходиться машина під назвою Antiproton Decelerator, в кільці якого вловлюються та уповільнюються антипротони для вивчення їх властивостей та поведінки.

У кільцевих прискорювачах частинок на зразок Великого адронного колайдера частки отримують енергетичний поштовх щоразу, коли завершують коло. Уповільнювачі працюють протилежним чином: замість того, щоб розганяти частинки, їх штовхають у зворотний бік.

Нейтрино можуть бути своїми власними античастинками

Частка матерії та її антиматеріальний партнер переносять протилежні заряди, що дозволяє їх легко розрізнити. Нейтрино, майже безмасові частинки, які рідко взаємодіють із матерією, немає заряду. Вчені вважають, що вони можуть бути гіпотетичним класом частинок, які є своїми власними античастинками.

Проекти на зразок Majorana Demonstrator та EXO-200 спрямовані на визначення того, чи справді нейтрино є майоранівськими частинками, спостерігаючи за поведінкою так званого безнейтринного подвійного бета-розпаду.

Деякі радіоактивні ядра розпадаються одночасно, випускаючи два електрони і два нейтрино. Якби нейтрино були власними античастинками, вони б анігілювали після подвійного розпаду, і вченим залишилося б спостерігати лише електрони.

Пошук майоранівських нейтрино може допомогти пояснити, чому існує асиметрія матерії-антиматерії. Фізики припускають, що майоранівські нейтрино можуть бути важкими або легкими. Легкі існують у наш час, а тяжкі існували одразу після Великого Вибуху. Важкі майоранівські нейтрино розпалися асиметрично, що призвело до появи крихітної кількості речовини, якою наповнилася наша Всесвіт.

Антиматерія використовується в медицині

PET, ПЕТ (позитронно-емісійна топографія) використовує позитрони для отримання зображень тіла у високій роздільній здатності. Випромінюючі позитрони радіоактивні ізотопи (на кшталт тих, що ми знайшли у бананах) кріпляться до хімічним речовинамна кшталт глюкози, яка є у тілі. Вони вводяться в кровотік, де розпадаються природним шляхом, випромінюючи позитрони. Ті, у свою чергу, зустрічаються з електронами тіла та анігілюють. Анігіляція виробляє гамма-промені, які використовуються для побудови зображення.

Вчені проекту ACE при CERN вивчають антиматерію як потенційного кандидата на лікування раку. Лікарі вже з'ясували, що можуть спрямовувати на пухлини промені частинок, які випромінюють свою енергію тільки після того, як безпечно пройдуть через здорову тканину. Використання антипротонів додасть додаткового вибуху енергії. Ця техніка була визнана ефективною для лікування хом'яків, тільки ось на людях поки що не випробовувалась.

Антиматерія може ховатися в космосі

Один із 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 та шукає такі частинки. AMS містить магнітні поля, які викривляють шлях космічних частинок та відокремлюють матерію від антиматерії. Його детектори повинні виявляти та ідентифікувати такі частинки у міру проходження.

Зіткнення космічних променів зазвичай виробляють позитрони та антипротони, але ймовірність створення атома антигелію 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 десь у Всесвіті.

Люди насправді вивчають, як оснастити космічний апарат паливом на антиречовині

Зовсім небагато антиматерії може виробити величезну кількість енергії, що робить її популярним паливом для футуристичних кораблів у науковій фантастиці.

Рух ракети на антиречовині гіпотетично можливий; основним обмеженням є збирання 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. Якось, якщо ми знайдемо спосіб зробити велику кількість антиречовини, їх дослідження можуть допомогти міжзоряним подорожам втілитись у реальності.

За матеріалами symmetrymagazine.org

Як дістатися до Марса за місяць? Для цього потрібно надати космічному кораблю добрий імпульс. На жаль, найкраще наявне у розпорядженні людини паливо - ядерне дає питомий імпульс 3000 секунд, і політ розтягується на довгі місяці. А чи немає під рукою чогось енергійнішого? Теоретично є: термоядерний синтез; він забезпечує імпульс у сотні тисяч секунд, а використання антиречовинидозволить отримати імпульс у мільйони секунд.

Будова атіречовини

Ядра антиречовинипобудовані з антинуклонів, а зовнішня оболонка складається з позитронів. Внаслідок інваріантності сильної взаємодії щодо зарядового сполучення (C-інваріантності) антиядра володіють масою та енергетичним спектром такими ж, як у ядер, що складаються з відповідних нуклонів, причому атоми антиречовини та речовини повинні мати ідентичну структуру та Хімічні властивості, з одним єдиним АЛЕ, зіткнення об'єкта, що складається з речовини, з об'єктом з антиречовини призводить до анігіляції частинок і античастинок, що входять до їх складу.

Анігіляціяповільних електронів і позитронів веде до утворення гамма-квантів, а анігіляція повільних нуклонів та антинуклонів - до утворення кількох пі-мезонів. В результаті наступних розпадів мезонів утворюється жорстке гамма-випромінювання з енергією гамма-квантів понад 70 МеВ.

Антиелектрони(позитрони) були передбачені П. Діраком і слідом за цим експериментально виявлені в “зливах” П. Андерсоном, що навіть не знав тоді про передбачення Дірака. Це відкриття було відзначено Нобелівської премії з фізики 1936 р. Антипротон було відкрито 1955 р. на "Беватроні" в Берклі, що також було удостоєно Нобелівської премії. У 1960 році там же виявили антинейтрон. Із введенням у дію Серпухівського прискорювача та нашим фізикам у дечому вдалося вийти вперед – у 1969 році там були відкриті ядра антигелію. Але атоми антиречовини отримає не вдавалося. Та якщо бути відвертим, то й античастинок за весь час існування прискорювачів отримали незначні кількості – всіх антипротонів, синтезованих у ЦЕРНі за рік, вистачить на роботу однієї електричної лампочки протягом кількох секунд.

Синтез антиречовини

Перше повідомлення про синтез дев'яти атомів антиречовини- антиводню в рамках проекту ATRAP (ЦЕРН) з'явилося в 1995 році. Проіснувавши приблизно 40 нс, ці поодинокі атоми загинули, виділивши належну кількість випромінювання (що було зареєстровано). Цілі були зрозумілі і виправдовували зусилля, завдання визначені, і в 1997 році, поблизу Женеви, завдяки міжнародній фінансовій допомозі, ЦЕРН розпочав будівництво десселератора (не будемо його перекладати неблагозвучним еквівалентом “гальмувальник”), який дозволив уповільнити («охолодити») анти десять мільйонів разів, порівняно з установкою 1995 року. Цей пристрій, названий «Антипротонний сповільнювач» (AD), вступив в дію в лютому 2002 року.

Установка - після виходу антипротонів з кільця, що уповільнює - складається з чотирьох основних частин: пастки для захоплення антипротонів, накопичувача позитронів, пастки-змішувача і детектора антиводню. Потік антипротонів спочатку гальмується за допомогою мікрохвильового випромінювання, потім охолоджується в результаті теплообміну з потоком низькоенергетичних електронів, після чого потрапляє в пастку - змішувач, де знаходиться при температурі 15 К. Позитронний накопичувач послідовно уповільнює, захоплює та накопичує позитрони від радіоактив; близько половини з яких потрапляє в пастку-змішувач, де додатково охолоджуються синхротронним випромінюванням. Усе це необхідно значного підвищення ймовірності утворення атомів антиводню.

На «Антипротонному сповільнювачі» і розпочалася жорстка конкуренція двох груп вчених, учасників експериментів «ATHENA» (39 вчених із різних країнсвіту) та «ATRAP».

У номері Nature (Nature 2002, vol.419, p.439, ibid p.456), що вийшов 3 жовтня 2002 року, учасники експерименту «ATHENA» заявили, що їм вдалося отримати 50 000 атомів антиречовини - антиводню. Наявність атомів антиречовини фіксували в момент їх анігіляції, свідченням якої вважали перетинання в одній точці слідів двох жорстких квантів, що утворилися при електрон-позитронної анігіляції, і слідів півонії, які при анігіляції антипротону і протона. Було отримано перший "портрет" антиречовини (фото на початку) - синтезоване з таких точок комп'ютерне зображення. Оскільки анігілювали лише ті атоми, які “вислизнули” з пастки (а таких, достовірно перерахованих, виявилося лише 130), заявлені 50 000 атомів антиводню лише створюють невидимий фон “портрета”.

Проблема в тому що анігіляція антиводнюреєструвалася на загальному, сильнішому фоні анігіляцій позитронів та антипротонів. Це, природно, викликало здоровий скепсис колег із суміжного конкуруючого проекту ATRAP. Вони, у свою чергу, синтезувавши антиводень на тій же установці, змогли за допомогою складних магнітних пасток зареєструвати атоми антиводню без будь-якого фонового сигналу. Атоми антиводню, що утворилися в експерименті, ставали електрично нейтральними і на відміну від позитронів і антипротонів могли вільно залишати ту область, де утримувалися заряджені частинки. Ось там, без тла, їх і реєстрували.

За оцінками, у пастці утворилося приблизно 170 000 атомів антиводню, про що дослідники і розповіли у статті, опублікованій у «Physical Review Letters».

І це вже успіх. Тепер отриманої кількості антиводню цілком може вистачити вивчення його властивостей. Для атомів антиводню, наприклад, передбачається вимірювання частоти електронного переходу 1s-2s (з основного стану в перший збуджений) методами лазерної спектроскопії високого дозволу. (Частота цього переходу у водні відома з точністю до 1.8 · 10-14 - не дарма водневий мазер вважається стандартом частоти.) Відповідно до теорії, вони повинні бути таким же, як і у звичайного водню. Якщо ж, наприклад спектр поглинання, виявиться іншим, доведеться вносити корективи в фундаментальні основи сучасної фізики.

Двигун на антиречовині

Але інтерес до антиречовини - антиматерії аж ніяк не суто теоретичний. Двигун на антиречовині може працювати, наприклад, таким чином. Спочатку створюють дві хмари з кількох трильйонів антипротонів, які від зіткнення з матерією утримує електромагнітна пастка. Потім між ними вводять частинку палива вагою 42 нанограми. Вона являє собою капсулу з урану-238, в яку міститься суміш дейтерію і гелію-3 або дейтерію і тритію.

Антипротони миттєво анігілюють з ядрами урану та викликають їхній розпад на фрагменти. Ці фрагменти, разом з гамма-квантами, що утворилися, так сильно розігрівають нутрощі капсули, що там починається термоядерна реакція. Її продукти, що мають величезну енергію, ще сильніше розганяються магнітним полем і відлітають через сопло двигуна, забезпечуючи космічному кораблю нечувану тягу.

Що ж до польоту до Марса за один місяць, то для нього американські фізики рекомендують використовувати іншу технологію - ядерний поділ, що каталізується антипротонами. Тоді на весь політ потрібно 140 нанограм антипротонів, не рахуючи радіоактивного палива.

Нові виміри, проведені у стендфордському дослідному центрі (Каліфорнія), де встановлено лінійний прискорювач елементарних частинок, дозволили вченим просунутися у відповіді питання, чому у всесвіту речовина переважає антиречовиною.

Результати експерименту підтверджують зроблені раніше припущення розвитку дисбалансу цих протилежних сутностей. Проте вчені кажуть, що проведені дослідження порушили більше запитань, ніж відповідей: досліди з прискорювачем не можуть дати повного пояснення, чому в космосі так багато речовини – мільярди галактик, наповнених зірками та планетами.

Вчені, які працюють із прискорювачем, вимірювали параметр, відомий як синус двох бета (0,74 плюс або мінус 0,07). Цей показник відбиває ступінь асиметрії між речовиною та антиречовиною.

Антиречовина та великий вибух

В результаті Великого вибуху мала утворитися однакова кількість речовини і антиречовини, які потім анігілювали та не залишили нічого крім енергії. Однак всесвіт, що ми розглядаємо, є незаперечним доказом перемоги речовини над антиречовиною.

Щоб зрозуміти, як це могло статися, фізики розглянули ефект, який називають порушенням рівності зарядів. Для спостереження такого ефекту вчені вивчали B-мезони та анти-B-мезони, частки з дуже коротким періодом життя – трильйонні частки секунди.

Відмінності у поведінці цих абсолютно протилежних частинок показують різницю між речовиною і антиречовиною і частково пояснюють, чому одне переважає над іншим. Мільйони B-мезонів та анти-B-мезонів, необхідних для експерименту, утворилися внаслідок зіткнення у прискорювачі променів електронів та позитронів. Перші результати, отримані ще 2001 року, чітко показують порушення рівності зарядів у B-мезонів.

"Це було важливим відкриттям, але необхідно зібрати ще безліч даних, щоб затвердити синус двох бета як фундаментальну константу квантової фізики, - вважає Стюарт Сміт (Stewart Smith) з Прінстонського університету. - Нові результати були оголошені після трьох років інтенсивних досліджень та аналізу 88 мільйонів подій”.

Нові виміри узгоджуються з так званою "стандартною моделлю", яка описує елементарні частинки та їхню взаємодію. Підтверджена ступінь порушення рівності зарядів як така недостатня пояснення дисбалансу речовини і антиречовини у всесвіті.

"Зважаючи на все, крім нерівності зарядів сталося щось ще, що викликало переважання речовини, що перетворилася на зірки, планети і живі організми, - прокоментував Хассан Джоері (Hassan Jawahery), співробітник університету в Меріленді - У майбутньому ми, можливо, зможемо зрозуміти ці приховані процеси і відповісти на питання, що привело всесвіт до її нинішнього стану і це буде найзахоплююче відкриття.

Нещодавно членам колаборації ALICE в ЦЕРН з рекордною точністю виміряти маси ядер антиречовини і навіть оцінити енергію, яка в них зв'язує антипротони з антинейтронами. Поки значної різниці між цими параметрами в речовині та антиречовині не було знайдено, але не це головне. Важливо, що саме зараз, в останні кілька років, для вимірювань та спостережень стають доступними не лише античастинки, а й антиядра і навіть антиатоми. Отже, саме час розібратися з тим, що таке антиматерія і яке її дослідження займають у сучасній фізиці.

Давайте спробуємо вгадати деякі з ваших перших питань про антиматерію.

А чи правда, що на основі антиматерії можна зробити надпотужну бомбу? А що, в ЦЕРНі дійсно накопичують антиречовину, як показано у фільмі «Ангели та демони», і що це дуже небезпечно? А чи правда, що антиматерія буде виключно ефективним паливом для космічних перельотів? А чи є хоч частка правди в ідеї про позитронний мозок, яким Айзек Азімов у своїх творах наділив роботів?

Не секрет, що для більшості антиматерія асоціюється з чимось винятково (вибухо)небезпечним, з чимось підозрілим, з чимось збуджуючим уяву фантастичними обіцянками та величезними ризиками - звідси й подібні питання. Зізнаємось: закони фізики всього цього прямо не забороняють. Проте реалізація цих ідей настільки далека від реальності, від сучасних технологій та від технологій найближчих десятиліть, що прагматична відповідь проста: ні, сучасного світуце все не правда. Розмова на ці теми - це просто фантастика, що спирається не на реальні наукові та технічні досягнення, а на їхню екстраполяцію далеко за межі сучасних можливостей. Якщо хочете серйозно поспілкуватися на ці теми, приходьте ближче до 2100 року. А поки що давайте поговоримо про реальні наукових дослідженняхантиматерії.

Що таке антиматерія?

Наш світ влаштований так, що для кожного сорту частинок – електронів, протонів, нейтронів тощо. - Існують античастинки (позитрони, антипротони, антинейтрони). Вони володіють тією ж масою і, якщо вони нестабільні, тим часом напіврозпаду, але протилежними за знаком зарядами та іншими числами, що характеризують взаємодію. У позитронів та ж маса, що й у електронів, але тільки позитивний заряд. У антипротонів – заряд негативний. Антинейтрони електрично нейтральні, так само як і нейтрони, але мають протилежне баріонне число і складаються з антикварків. З антипротонів та антинейтронів можна зібрати антиядро. Додавши позитронів, ми створимо антиатоми, а накопичивши їх – отримаємо антиречовину. Це все і є антиматерією.

І тут одразу є кілька цікавих тонкощів, про які варто розповісти. Насамперед, саме собою існування античастинок - це величезний тріумф теоретичної фізики. Ця неочевидна, а для деяких навіть ідея, що шокує, була виведена Полем Діраком теоретично і спочатку сприймалася в багнети. Більше того, навіть після відкриття позитронів багато хто все одно сумнівався в існуванні антипротонів. По-перше, говорили вони, Дірак вигадав свою теорію для опису електрона, і не факт, що для протона вона спрацює. Ось, наприклад, магнітний момент протона в кілька разів відрізняється від прогнозу теорії Дірака. По-друге, сліди антипротонів довго шукали у космічних променях, і щось нічого не знайшлося. По-третє, вони стверджували, - буквально повторюючи наші слова, - що якщо є антипротони, тоді повинні існувати й антиатоми, антизірки та антигалактики, і ми обов'язково їх помітили б за грандіозними космічними вибухами. Якщо ми цього не бачимо, то напевно тому, що антиречовини не буває. Тому експериментальне відкриття антипротону в 1955 році на щойно запущеному прискорювачі Беватрон стало досить нетривіальним результатом, відзначеним Нобелівською премією з фізики за 1959 рік. У 1956 році на тому ж прискорювачі було відкрито й антинейтрон. Розповідь про ці пошуки, сумніви та досягнення можна знайти у численних історичних нарисах, наприклад, ось у цій доповіді чи в нещодавній книзі Франка Клоуза Antimatter.

Втім, треба окремо сказати, що здоровий сумнів у суто теоретичних твердженнях завжди корисний. Наприклад, твердження, що античастинки мають таку ж масу, як і частинки - це теж теоретично отриманий результат, він випливає з дуже важливої ​​CPT-теореми. Так, на цьому твердженні побудовано сучасну, багаторазово перевірену на досвіді фізику мікросвіту. Але все одно це рівність: хто знає, можливо так ми намацаємо межі застосування теорії.

Інша особливість: не всі сили мікросвіту ставляться однаково до частинок та античасток. Для електромагнітних та сильних взаємодій різниці між ними немає, для слабких – є. Через це розрізняються деякі тонкі деталі взаємодій частинок і античастинок, наприклад, ймовірності розпаду частинки A на набір частинок B і анти-A на набір анти-B (докладніше про відмінності див. у добірці Павла Пахова). Ця особливість виникає тому, що слабкі взаємодії порушують СР-симетрію нашого світу. А ось чому так виходить – це одна із загадок елементарних частинок, і вона потребує виходу за межі відомого.

А ось ще одна тонкість: у деяких частинок так мало характеристик, що античастинки та частки взагалі не відрізняються одна від одної. Такі частки називаються істинно нейтральними. Це фотон, бозон Хіггса, нейтральні мезони, що складаються з кварків та антикварків однакового гатунку. А ось з нейтрино ситуація поки що незрозуміла: можливо, вони істинно нейтральні (майоранівські), а може – ні. Це має найважливіше значеннядля теорії, що описує маси та взаємодії нейтрино. Відповідь на це питання реально стане великим кроком уперед, бо допоможе розібратися з утроєм нашого світу. Експеримент поки що нічого однозначного з цього приводу не сказав. Але експериментальна програма з нейтринних досліджень настільки потужна, експериментів ставиться так багато, що фізики поступово наближаються до розгадки.

Де вона, ця антиматерія?

Античастка при зустрічі зі своєю частинкою анігілює: обидві частинки зникають і перетворюються на набір фотонів або легших частинок. Вся енергія спокою перетворюється на енергію цього мікровибуху. Це найефективніше перетворення маси на теплову енергію, що у сотні разів перевершує за ефективністю ядерний вибух. Але жодних грандіозних природних вибухів ми довкола себе не бачимо; антиматерії у помітних кількостях у природі немає. Проте окремі античастинки цілком можуть народжуватися у різноманітних природних процесах.

Найпростіше народжувати позитрони. Найпростіший варіант – радіоактивність, розпади деяких ядер за рахунок позитивної бета-радіоактивності. Наприклад, в експериментах як джерело позитронів часто використовується ізотоп натрію-22 з періодом піврозпаду два з половиною роки. Інше, досить несподіване природне джерело - під час яких іноді детектуються спалахи гамма-випромінювання від анігіляції позитронів, а це означає, що позитрони там якось народилися.

Антипротони та інші античастинки народжувати важче: енергії радіоактивного розпаду для цього не вистачає. У природі вони народжуються під дією космічних променів високих енергій: космічний протон, зіткнувшись із якоюсь молекулою у верхніх шарах атмосфери, породжує потоки частинок та античастинок. Однак це відбувається там, нагорі, до землі антипротори майже не долітають (про що не знали ті, хто в 40-х роках шукав антипротони в космічних променях), та й у лабораторію це джерело антипротонів не принесеш.

У всіх фізичних експериментах антипротони виробляють «грубою силою»: беруть пучок протонів великої енергії, спрямовують його на мішень, і сортують «адронні ошметки», які у великих кількостях народжуються у цьому зіткненні. Сортовані антипротони виводять у вигляді пучка, а далі або розганяють їх до великих енергій для того, щоб зіштовхувати з протонами (так працював, наприклад, американський коллайдер Теватрон), або, навпаки, уповільнюють їх і використовують для більш тонких вимірів.

У ЦЕРНі, який може по праву пишатися довгою історією досліджень антиречовини, працює спеціальний «прискорювач» AD, «Антипротонний сповільнювач», який і займається цим завданням. Він бере пучок антипротонів, охолоджує їх (тобто пригальмовує), і далі розподіляє потік повільних антипротонів за декількома спеціальними експериментами. До речі, якщо хочете подивитися на стан AD у реальному часі, то церновські онлайн-монітори це дозволяють.

Синтезувати антиатоми, навіть найпростіші, атоми антиводню, вже дуже важко. У природі вони взагалі не виникають – немає відповідних умов. Навіть у лабораторії потрібно подолати безліч технічних труднощів, перш ніж антипротони допоможуть з'єднатися з позитронами. Проблема в тому, що антипротони та позитрони, що вилітають із джерел, все ще занадто гарячі; вони зіткнуться один з одним і розлетяться, а не утворюються антиатом. Фізики ці проблеми все ж таки долають, але досить хитрими методами (, як це робиться в одному з церновських експериментів ASACUSA).

Що відомо про антиядра?

Усі антиатомні досягнення людства стосуються лише антиводню. Антиатоми інших елементів досі синтезовані в лабораторії і спостерігалися у природі. Причина проста: антиядра створювати ще складніше, ніж антипротони.

Єдиний відомий нам спосіб створювати антиядра – це стикати важкі ядра великих енергій та дивитися, що там виходить. Якщо енергія зіткнень велика, у ньому народяться і розлетяться на всі боки тисячі частинок, зокрема, антипротони та антинейтрони. Антипротони та антинейтрони, що випадково вилетіли в одному напрямку, можуть об'єднатися один з одним - вийде антиядро.

Детектор ALICE вміє розрізняти різні ядра та антиядра з енерговиділення та напрямку закрутки в магнітному полі.

Зображення: CERN

Метод простий, але не надто неефективний: ймовірність синтезувати ядро ​​у такий спосіб різко падає зі збільшенням числа нуклонів. Найлегші антиядра, антидейтрони, вперше спостерігалися рівно півстоліття тому. Антигелій-3 побачили 1971 року. Відомий також антитритон та антигелій-4, причому останній був відкритий зовсім недавно, у 2011 році. Тяжкіші антиядра досі не спостерігалися.

Два параметри, що описують нуклон-нуклонні взаємодії (довжина розсіювання f0 та ефективний радіус d0) для різних пар частинок. Червона зірочка – результат для пари антипротонів, отриманий колаборацією STAR.

На жаль, антиатомів у такий спосіб не зробиш. Антиядра не тільки народжуються рідко, але й мають надто велику енергію і вилітають на всі боки. Намагатися їх відловити на колайдері, щоб потім відвести спеціальним каналом і охолодити, нереально.

Втім, іноді досить уважно відстежити антиядра на льоту, щоб отримати цікаву інформацію про антиядерні сили, що діють між антинуклонами. Найпростіша річ - це акуратно виміряти масу антиядер, порівняти її із сумою мас антипротонів і антинейтронів, і обчислити дефект мас, тобто. енергію зв'язку ядра. Це нещодавно працює на Великому адронному колайдері; енергія зв'язку для антидейтрона та антигелію-3 у межах похибки збіглася із звичайними ядрами.

Інший більш тонкий ефект вивчив експеримент STAR на американському колайдері важких іонів RHIC. Він виміряв кутовий розподіл народжених антипротонів і з'ясував, як воно змінюється, коли два антипротони вилітають у дуже близькому напрямку. Кореляції між антипротонами дозволили вперше виміряти властивості діючих між ними «антиядерних» сил (довжину розсіювання та ефективний радіус взаємодії); вони збіглися з тим, що відомо про взаємодію протонів.

Чи є антиматерія у космосі?

Коли Поль Дірак вивів зі своєї теорії існування позитронів, він цілком припускав, що десь у космосі можуть існувати справжні антисвіти. Зараз ми знаємо, що зірок, планет, галактик з антиречовини у видимій частині Всесвіту немає. Справа навіть не в тому, що не видно анігіляційних вибухів; просто зовсім неймовірно, як вони взагалі могли б утворитися і дожити до теперішнього часу в всесвіті, що постійно еволюціонує.

Але питання «як так вийшло» - це ще одна величезна загадка сучасної фізики; науковою мовою вона називається проблемою баріогенезу. Згідно з космологічною картиною світу, в ранньому всесвіті частинок і античастинок було порівну. Потім, через порушення CP-симетрії і баріонного числа, у всесвіті, що динамічно розвивається, повинен був з'явитися невеликий, на рівні однієї мільярдної, надлишок матерії над антиматерією. При охолодженні всесвіту всі античастинки проанінгілірували з частинками, вижив лише цей надлишок речовини, який і породив той всесвіт, який ми спостерігаємо. Саме через нього в ній лишилося хоч щось цікаве, саме завдяки ньому ми взагалі існуємо. Як саме виникла ця асиметрія – невідомо. Теорій існує багато, але яка з них вірна – невідомо. Зрозуміло лише, що це точно має бути якась Нова фізика, теорія, що виходить за межі Стандартної моделі, за межі експериментально перевіреного.

Три варіанти того, звідки можуть взятися античастинки в космічних променях високої енергії: 1 - вони можуть просто виникати і розганятися в «космічному прискорювачі», наприклад, у пульсарі; 2 - вони можуть народжуватись при зіткненнях звичайних космічних променів з атомами міжзоряного середовища; 3 - можуть виникати при розпаді важких частинок темної матерії.

Хоч планет і зірок з антиречовини немає, антиматерія в космосі все ж таки присутня. Потоки позитронів та антипротонів різних енергій реєструються супутниковими обсерваторіями космічних променів, такими як PAMELA, Fermi, AMS-02. Той факт, що позитрони та антипротони прилітають до нас із космосу, означає, що вони десь там народжуються. Високоенергетичні процеси, які можуть їх породити, в принципі відомі: це сильно замагнічені околиці. нейтронних зірок, Різні вибухи, прискорення космічних променів на фронтах ударних хвиль у міжзоряному середовищі, і т.п. Питання в тому, чи можуть вони пояснити всі властивості потоку космічних античастинок, що спостерігаються. Якщо виявиться, що ні, це буде свідченням на користь того, що деяка їхня частка виникає при розпаді або анігіляції частинок темної матерії.

Тут також є своя загадка. У 2008 році обсерваторія PAMELA виявила підозріло велику кількість позитронів великих енергій порівняно з тим, що передбачало теоретичне моделювання. Цей результат був надавно підтверджений установкою AMS-02 – одним із модулів Міжнародної Космічної Станції та взагалі найбільшим детектором елементарних частинок, запущеним у космос (і зібраним здогадайтеся де? – правильно, у ЦЕРНі). Цей надлишок позитронів розбурхує розум теоретиків - адже відповідальним за нього можуть виявитися не «нудні» астрофізичні об'єкти, а важкі частинки темної матерії, які розпадаються або анігілюють в електрони та позитрони. Ясності тут поки немає, але установка AMS-02, а також багато критично налаштованих фізиків, дуже ретельно вивчають це явище.

Відношення антипротонів до протонів у космічних променях різної енергії. Крапки – експериментальні дані, різнокольорові криві – астрофізичні очікування з різноманітними похибками.

Зображення: Cornell University Library

З антипротонами теж ситуація неясна. У квітні цього року AMS-02 на спеціальній науковій конференції подав попередні результати нового циклу досліджень. Головною родзинкою доповіді стало твердження, що AMS-02 бачить надто багато антипротонів високої енергії – і це також може бути натяком на розпад частинок темної матерії. Втім, інші фізики з таким бадьорим висновком не згодні. Зараз вважається, що антипротонні дані AMS-02, з деякою натяжкою, можуть бути пояснені звичайними астрофізичними джерелами. Так чи інакше, всі з нетерпінням чекають на нові позитронні та антипротонні дані AMS-02.

AMS-02 зареєструвала вже мільйони позитронів та чверть мільйона антипротонів. Але у творців цієї установки є світла мрія – зловити бодай одне антиядро. Ось це буде справжня сенсація – зовсім неймовірно, щоб антиядра народилися десь у космосі та долетіли б до нас. Поки що жодного такого випадку не виявлено, але набір даних продовжується і хто знає, які сюрпризи готує нам природа.

Антиматерія – антигравітує? Як вона взагалі відчуває гравітацію?

Якщо спиратися лише на експериментально перевірену фізику і не вдаватися в екзотичні, ніяк поки не підтверджені теорії, то гравітація повинна діяти на антиматерію так само, як на матерію. Жодної антигравітації для антиматерії не очікується. Якщо ж дозволити собі заглянути трохи далі, за межі відомого, то суто теоретично можливі варіанти, коли в навантаження до звичайної універсальної гравітаційної сили існує щось додаткове, яке по-різному діє на речовину та антиречовину. Якою б примарною здавалася ця можливість, її потрібно перевірити експериментально, а для цього треба поставити досліди з перевірки того, як антиматерія відчуває земне тяжіння.

Довгий час це до ладу не вдавалося зробити з тієї простої причини, що для цього треба створити окремі атоми антиречовини, зловити їх у пастку і провести з ними експерименти. Зараз це робити навчилися, тож довгоочікувана перевірка вже не за горами.

Головний постачальник результатів - той самий ЦЕРН зі своєю великою програмою з вивчення антиречовини. Деякі з цих експериментів вже побічно перевірили, що з гравітацією в антиматерії все гаразд. Наприклад, виявив, що (інертна) маса антипротону збігається з масою протона з дуже високою точністю. Якби гравітація діяла на антипротони якось інакше, фізики помітили б різницю - адже порівняння проводилося в одній і тій самій установці та в однакових умовах. Результат цього експерименту: дія гравітації на антипротони збігається з дією на протони з точністю краще за одну мільйонну.

Втім, цей вимір – непрямий. Для більшої переконливості хочеться поставити прямий експеримент: взяти кілька атомів антиречовини, упустити їх і подивитися, як вони будуть падати в поле тяжкості. Такі експерименти теж проводяться або готуються у ЦЕРНі. Перша спроба була не надто вражаючою. У 2013 році експеримент ALPHA, - який на той час вже навчився утримувати хмарку антиводню у своїй пастці, - спробував визначити, куди падати антиатоми, якщо пастку відключають. На жаль, через низьку чутливість експерименту однозначної відповіді отримати не вдалося: часу пройшло занадто мало, антиатоми металися в пастці туди-сюди, і спалахи анігіляції траплялися то тут, то там.

Ситуацію обіцяють кардинально покращити два інші церновські експерименти: GBAR та AEGIS. Обидва ці експерименти перевірять різними способами, як падає в полі тяжкості хмарка надхолодного антиводню. Їхня очікувана точність з вимірювання прискорення вільного падіння для антиречовини - близько 1%. Обидві установки зараз перебувають у стадії складання та налагодження, а основні дослідження розпочнуться у 2017 році, коли антипротонний сповільнювач AD буде доповнений новим накопичувальним кільцем ELENA.

Варіанти поведінки позитрона у твердій речовині.

Зображення: nature.com

Що станеться, якщо позитрон потрапить у речовину?

Освіта молекулярного позитронію на кварцовій поверхні.

Зображення: Clifford M. Surko / Atomic physics: Whiff of antimatter soup

Якщо ви дочитали до цього місця, то вже чудово знаєте, що як тільки частка антиречовини потрапляє в звичайну речовину, відбувається анігіляція: частки і античастка зникають і перетворюються на випромінювання. Але як швидко це відбувається? Уявімо позитрон, який прилетів із вакууму і увійшов у тверду речовину. Чи проанігілює він при зіткненні з першим атомом? Не обов'язково! Аннілігяція електрона та позитрону - процес не миттєвий; він вимагає тривалого за атомними масштабами часу. Тому позитрон встигає прожити в речовині яскраве та насичене нетривіальними подіями життя.

По-перше, позитрон може підхопити безхазяйний електрон та утворити пов'язаний стан – позитроній (Ps). При відповідній орієнтації спинів позитроній може жити десятки наносекунд до анігіляції. Перебуваючи в суцільній речовині, він встигне за цей час зіткнутися з атомами мільйони разів, адже теплова швидкість позитрону за кімнатної температури - близько 25 км/сек.

По-друге, дрейфуючи в речовині, позитроній може вийти на поверхню і залипнути там – це позитронний (а точніше, позитронієвий) аналог адсорбції атомів. За кімнатної температури він не сидить на одному місці, а активно подорожує поверхнею. І якщо це не зовнішня поверхня, а пора нанометрового розміру, то позитроній виявляється впійманим у ній на тривалий час.

Дальше більше. У стандартному матеріалі для таких експериментів пористому кварці пори не ізольовані, а об'єднані наноканалами в загальну мережу. Тепленький позитроній, повзаючи поверхнею, встигне обстежити сотні пір. А оскільки позитронієв у таких експериментах утворюється багато і майже всі вони вилазять у пори, то рано чи пізно вони натикаються один на одного і, взаємодіючи, іноді утворюють справжнісінькі молекули - молекулярний позитроній, Ps 2 . Далі вже можна вивчати, як поводиться позитронієвий газ, які у позитронію є збуджені стани і т.д. І не думайте, що це суто теоретичні міркування; всі перелічені ефекти вже перевірені та вивчені експериментально.

Чи є у антиречовини практичні застосування?

Зрозуміло. Взагалі, будь-який фізичний процес, якщо він відкриває перед нами якусь нову грань нашого світу і не вимагає при цьому якихось надвитрат, обов'язково знаходить практичне застосування. Причому такі застосування, до яких ми самі не здогадалися, якби не відкрили і не вивчили попередньо наукову сторону цього явища.

Найвідомішим прикладним застосуванням античастинок є ПЕТ, позитронно-емісійна томографія. Взагалі, ядерна фізика має вражаючий послужний список медичних застосувань, і античастинки тут теж не залишилися без діла. При ПЕТ в організм пацієнта вводять маленьку дозу препарату, що містить нестабільний ізотоп з коротким часом життя (хвилини та години) і розпадається за рахунок позитивного розпаду бета. Препарат накопичується в потрібних тканинах, ядра розпадаються і випускають позитрони, які анігілюють поблизу та видають два гамма-кванти певної енергії. Детектор реєструє їх, визначає напрямок та час їхнього прильоту, і відновлює те місце, де стався розпад. Так вдається побудувати тривимірну карту розподілу речовини з високою просторовою роздільною здатністю та з мінімальною радіаційною дозою.

Позитрони можна застосовувати і в матеріалознавстві, наприклад, для вимірювання пористості речовини. Якщо суцільна речовина, то позитрони, що застрягли в речовині на достатній глибині, досить швидко анігілюють і випускають гамма-кванти. Якщо всередині речовини є нанопори, анігіляція затримується, оскільки позитроній залипає на поверхні пори. Вимірюючи цю затримку, можна дізнатися ступінь нанопористості речовини безконтактним та неруйнівним методом. Як ілюстрація цієї методики - нещодавня робота про те, як з'являються і затягуються нанопори в тонкому шарі льоду при осадженні пари на поверхню. Аналогічний підхід працює і щодо структурних дефектів в напівпровідникових кристалах, наприклад, вакансій і дислокацій, дозволяє виміряти структурну втому матеріалу.

Медичне застосування може бути і для антипротонів. Зараз у тому ж ЦЕРН проводиться експеримент ACE, який вивчає вплив антипротонного пучка на живі клітини. Його мета – вивчити перспективи використання антипротонів для терапії ракових пухлин.

Енерговиділення іонного пучка та рентгена при проходженні крізь речовину.

Зображення: Johannes Gutleber / CERN

Ця ідея може з незвички жахнути читача: як так, антипротонним пучком - і живою людиною?! Так, і це набагато безпечніше, ніж опромінювати глибоку пухлину рентгеном! Антипротонний пучок спеціально підібраної енергії стає в руках хірурга ефективним інструментом, за допомогою якого можна випалювати пухлини глибоко всередині тіла та мінімізувати вплив на навколишні тканини. На відміну від рентгена, який палить все, що потрапляє під промінь, важкі заряджені частинки своєму шляху крізь речовину виділяють основну частку енергії останніх сантиметрах перед зупинкою. Налаштовуючи енергію частинок, можна варіювати глибину, де зупиняються частки; ось на цю область розміром у міліметри і прийде основний радіаційний вплив.

Така радіотерапія протонним пучком вже давно використовується у багатьох добре оснащених клініках світу. Останнім часом деякі з них переходять на іонну терапію, в якій використовують пучок не протонів, а іонів вуглецю. Для них профіль енерговиділення ще контрастніший, а значить, ефективність пари «терапевтичного впливу проти побічних ефектів»Зростає. Але вже давно пропонується спробувати для цього і антипротони. Адже вони, потрапляючи в речовину, не просто віддають свою кінетичну енергію, а ще й анігілюють після зупинки – і це посилює енерговиділення у кілька разів. Де осідає це додаткове енерговиділення - складне питання і його потрібно уважно вивчити, перш ніж запускати клінічні випробування.

Саме цим займається експеримент ACE. У ході нього дослідники пропускають пучок антипротонів через кюветку з бактеріальною культурою та вимірюють їх виживання залежно від місця, від параметрів пучка та від фізичних характеристик. довкілля. Такий методичний і, мабуть, нудний збір технічних даних – важливий початковий етапбудь-якої нової технології.

Ігор Іванов

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, таких 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 апаратуможе бути ефективним способом дослідження 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 одну головний біль: 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.

Припущення про існування античастинок, антиречовини, і, можливо, навіть антисвітів виникла задовго до появи експериментальних даних, які вказують можливість їх існування у природі.

1. Перші припущення існування антиматерії

Вперше поняття «антиматерія» було придумано англійським фізиком Артуром Шустером у 1898 році, майже відразу після відкриття Джозефом Томсоном електрона. Шустер дуже хотів, щоб у природі тріумфувала симетрія. Електрон, як відомо, - це негативно заряджена частка (тут, щоправда, слід зазначити, що рішення, який заряд називати позитивним, а яким негативним, було результатом угоди; вчені могли домовитися і про зворотне позначення знаків зарядів, і нічого від цього не змінилося б), і Шустер припустив існування симетричного аналога електрона, зарядженого позитивно та названого ним антиелектроном. З його гіпотези відразу випливала ідея існування антиатомів та антиматерії, звідки можна електричним полем витягувати вигадані ним антиелектрони в антиексперименті анти-Томсона. Протягом кількох років Шустер намагався переконати у правомірності своєї здогадки навколишніх вчених («Чому б не існувати негативно зарядженому золоту, такому ж жовтому, як наше», - писав він у своїй статті у журналі Nature), проте ніхто його аргументів не прислухався. Науковий прагматизм, що утвердився за багато століть, підказував, що вірити слід тільки експерименту, а все, що експериментом не підтверджується, - ненаукова фантазія. А експеримент тоді невблаганно стверджував, що негативно заряджені електрони з речовини можна витягнути, а позитивно заряджені не спостерігаються.

Ідея Шустера була забута, і антиматерію перевідкрив Поль Дірак лише через 30 років. Зробив він це теж гіпотетично, але був набагато переконливішим за Шустера, показавши, що існування антиматерії вирішує безліч накопичених невирішених до цього моменту проблем. Перш ніж перейти до ідей Дірака, нам доведеться згадати, які нові висновки дійшла фізика за ці 30 років.

2. Створення атома Нільсом Бором

На початку ХХ століття виникла потреба переосмислити закони фізики. Спочатку натрапили на неможливість описати спектр абсолютно чорного тіла, використовуючи лише закони Ньютона та Максвелла, а трохи пізніше з'ясували, що класичні закони не дозволяють описати атом. Згідно з хіміками, атом неподільний, і вони зі свого погляду абсолютно праві, оскільки у всіх хімічних реакціяхатоми просто «переїжджають» з однієї молекули в іншу, але, напевно, можна пробачити блюзнірство фізиків, які побажали цей атом спочатку розкласти на складові, а потім зібрати відповідно до суворих законів фізики. До 1913 розкласти атом вийшло непогано: ні в кого тоді вже не виникало сумніву, що, наприклад, найпростіший атом водню складається з позитивно зарядженого протона, експериментально відкритого Резерфордом трохи пізніше, і електрона. Здавалося б, все необхідне для збирання атома є: крім протона та електрона, є електрична сила тяжіння між ними, яка має тримати їх разом. Зібрати атом вдалося, а зберігати його довго у стабільному стані - ні: електрон невблаганно падав на протон і хотів залишатися заданої орбіті. Полагодити цю систему вдалося Нільсу Бору, який заради цього відмовився від класичних законів механіки для опису систем на відстанях порядку розміру атома. Вірніше, Бору довелося відмовитися від уявлення про електрон як про маленьку тверду заряджену кульку і представити її як пухку хмару, а для його опису потрібно створити новий математичний апарат, розроблений багатьма видатними фізиками початку XX століття і отримав назву «квантова механіка».

До середини 1920-х років квантова механіка, яка прийшла на зміну класичній механіці, коли потрібно було описувати щось дуже маленьке, вже міцно утвердилася. Рівняння Шредінгера, в основі якого лежать квантові ідеї, успішно описувало дуже багато експериментів, наприклад експеримент зі спектром водневої лампи (розігрітий водень світить не просто білим світлом, а невеликою кількістю спектральних ліній), поміщеною в магнітне поле, в якому кожна лінія трішки розщеплюється ще кілька ліній.

3. Проблема негативних енергій

До моменту, коли в квантову механіку беззастережно повірили, сформувалася й інша теорія (релятивістська механіка), яка працює з дуже великими швидкостями. Коли швидкості тіл можна порівняти зі швидкістю світла, закони механіки Ньютона також необхідно підправити. Вчені спробували схрестити два граничні випадки: великі швидкості (теорія відносності) і дуже маленькі відстані (квантова механіка). Виявилося, що нічого складного немає в тому, щоб написати рівняння, що задовольняє і квантову механіку, і теорію відносності. Узагальнення рівняння Шредінгера у разі релятивістських систем було запропоновано незалежно Клейном, Гордоном і Фоком (останній - наш співвітчизник). Ось тільки рішення цього рівняння нас не надто влаштовували. Один з парадоксів з рішеннями - парадокс Клейна: для дуже швидких частинок, що ударяються об високий бар'єр, від якого, за ідеєю, вони повинні відбиватися, ймовірність перескочити бар'єр, згідно з цим рівнянням, тільки збільшується з його висотою - висновок, що суперечить здоровому глузду.

Ще одна безглуздість релятивістського рівняння полягала у тому, що з рішень рівняння виникали частки з негативними енергіями. Що у цьому страшного? Уявіть собі, що за допомогою квантової механіки ми облаштували наш світ. У ньому, здавалося, є підлога, на якій можна стійко стояти, і ми наводимо затишок: розвішуємо по стінах картинки, ставимо книжки на полиці. Всі наші прикраси точно підпорядковуються квантовій механіці, вони всі мають позитивну енергію, а якщо ми щось погано повісили - впадуть на підлогу. Ось тільки, намагаючись покращити квантову механіку, зробити її більш правильною, ми виявили, що жодної статі у світі немає. Замість статі - зяюча прірва (негативні енергії), куди все має провалитися. Треба віддати належне витримці тогочасного фізика: вони не злякалися, що світ розвалиться на очах, а спробували цю проблему вирішити.

Вирішити проблему вдалося Полю Діраку, який взявся описати частинку, складнішу за ту, що описує рівняння Клейна - Гордона - Фока, - електрон. Електрон не можна описати однією функцією, треба брати відразу дві, причому цю пару не можна розділити, і доводиться писати систему рівнянь. Здавалося б, завдання лише ускладнилося (і з першого погляду це ускладнення не вирішує головну проблему), але Дірак спробував довести рішення до кінця. Для електронів працює принцип Паулі, який стверджує, що два електрони не можна помістити в один стан: жодними зусиллями другий електрон не втиснути в зайняте. Дірак, беручися за це завдання, мабуть, сподівався скористатися саме цією властивістю: якщо нижче за рівень статі всі стани вже заповнені електронами, то й нікуди не буде провалюватися. Здавалося б, завдання безнадійне: треба залити електронами безодню нескінченної глибини. А Дірак лише знизував плечима: «А навіщо нам про це турбуватися? Вважатимемо, що про це вже подбала природа (а вона всесильна), все вже залито, і підлога наша є». Отже, проблема негативних енергій вирішилася!

4. Антиматерія

Однак, записуючи своє рівняння, Дірак натрапив на нову проблему: виявляється, для релятивістського опису електрона двох функцій недостатньо, доведеться писати чотири! Що ж являють собою ці дві зайві функції для електрона? Небагато подумавши, Дірак зрозумів, що на нашій залитій підлозі можуть утворюватися бульбашки - дірки (природа, звичайно, всесильна, але може дозволити собі бути не зовсім бездоганною і допустити деякі дефекти). Дивним чином такий бульбашка поводиться так само, як електрон, за аналогією з бульбашкою схожий на крапельку, що висить над підлогою: у них однакова маса, обидва вони заряджені. Висяча крапелька має позитивну енергію і заряджена негативно, власне, це і є наш електрон. А бульбашка (у підпільному світі) теж має позитивну енергію, але знак заряду у нього зворотний - це антиелектрон (або позитрон). Для його опису знадобилися дві зайві функції.

Дірак був окрилений своїм відкриттям. Він був переконаний, що античастинки реальні, хоча їх ніколи раніше і не спостерігали в експерименті. Відкрили античастинки декількома роками пізніше, а до ідеї Дірака, незважаючи на явний успіх його теорії (зауважимо, що античастинки дозволили і парадокс Клейна), колеги ставилися скептично. Дірак у свою теорію, мабуть, вірив беззастережно. Намагаючись знайти відповідь критику ненаблюдаемости позитронів, досить швидко зрозумів, що позитрони жити разом із нами що неспроможні. Якби вони виникли десь поруч із нами, то негайно анігілювали б із навколишніми електронами. Тому він цілком розумно припустив, що якщо наша Сонячна система влаштована з електронів і взагалі з частинок, то тут не місце античастинкам, їх треба шукати в інших галактиках, що не стикаються з нашою. Зараз ми віримо, що, швидше за все, антигалактик не існує: причина полягає в тому, що антиматерія трохи відрізняється від матерії.

Придумані Діраком позитрони були незабаром відкриті Карлом Андерсоном. Вони народжувалися з енергійних космічних фотонів у парі з електронами, але перед наступною анігіляцією встигали пролетіти деяку відстань і залишити сліди. Цікаво, що позитрон міг бути відкритий на 5 років раніше видатним російським фізиком Дмитром Скобельціним, який побачив позитрон, тільки сам не зміг повірити у своє відкриття. Античастинки повинні бути у всіх частинок, за винятком істинно нейтральних, таких як фотон (для фотона античастинка є ним самим), і сьогодні всі вони відкриті. Тільки бачимо ми їх у спеціальних експериментах. Тому часто антиматерію сприймають як абстрактне, можливо, красиве, але незрозуміло навіщо придумане поняття. Справді, все, що обговорювалося раніше, - лише факт існування античастинок, а в навколишній природі їх майже немає, і що толку, навіть якщо їх навчилися отримувати в лабораторіях? Але не поспішайте з висновками! Ми вже навчилися не лише отримувати античастинки, а й використовувати їх для наших потреб.

5. Застосування антиматерії

На нашому повсякденному житті антиматерія начебто не позначається. Проте сьогодні ми застосовуємо для деяких цілком практичних завдань принаймні найпоширенішу і відносно легко отримувану античастинку - позитрон. Одне із застосувань позитрон знайшли в медицині для . Існують радіоактивні ядра, що випускають позитрони, які, вилетівши з ядра, миттєво анігілюють з електронами із сусідніх атомів, перетворюючись на два фотони. Пацієнт приймає невелику кількість аналога глюкози з радіоактивною домішкою (доза дуже маленька і не завдає шкоди здоров'ю), глюкозоподібна речовина накопичується в клітинах, що активно ростуть, якими і є ракові клітини. Саме в пухлини і відбуватиметься часта електрон-позитронна анігіляція, а знайти точне місце в організмі, звідки часто вилітають фотони, залишається технічним завданням, причому це робиться безконтактно: навколо пацієнта проїжджає скануючий прилад, який уловлює фотони. Цей метод, що дозволяє діагностувати і точно визначати розташування пухлини, називається позитронно-емісійною томографією.

Позитрони використовуються також у матеріалознавстві. За допомогою спеціального позитронного мікроскопа, що стріляє позитронами по об'єкту, що вивчається, можна досліджувати поверхні напівпровідників для їх застосування в електроніці. А можна просто вивчати зразки будь-яких матеріалів, визначати «втому» матеріалів та знаходити в них мікродефекти. Так що ця, здавалося б, абстрактна галузь знання служить цілком конкретним інтересам людей.