Антиматерія

Антимате́рія — будь-яка речовина, що складається з античастинок — антипартнерів частинок, що складають звичайну матерію.

Будь-яка частинка має свого антипартнера: позитрон для електрона, антипротон для протона, антинейтрон для нейтрона тощо. Деякі частинки є власними античастинками, наприклад фотон — такі частинки називаються істинно нейтральними. Античастинки мають ту саму масу що й частинки, але протилежний заряд, лептонне і баріонне число. При зіткненні частинки зі своєю античастинкою вони анігілюють, перетворюючись на фотони, нейтрино або інші менш масивні частинки. В процесі анігіляції маса пари частинка-античастинка повністю (у випадку перетворення на фотони), або значною мірою перетворюється на енергію за формулою E=mc2.

Античастинки взаємодіють між собою так само як і частинки, наприклад, антипротони і позитрони можуть утворювати атоми антиводню, а разом з антинейтронами — і більш важкі антиатоми.

Перша античастинка (позитрон) була відкрита в 1932 році Карлом Девідом Андерсоном, а перший антиатом (антиводень) — у 1995. Наразі найскладнішим синтезованим антиатомом є антигелій.

За сучасними оцінками, антиматерія у Всесвіті практично відсутня. Причини цього — асиметрія між матерією і антиматерією у реакціях між частинками невдовзі після Великого вибуху. Конкретний механізм цієї асиметрії є однією з невирішених проблем сучасної фізики, але відома його ефективність — на кожен мільярд пар частинок-античастинок утворилася одна додаткова частинка. Період, коли відбувалися ці реакції називається баріогенезом. Він тривав близько 10−31 секунди після Великого вибуху.

Історія

Ранні передбачення Ще у 1880х роках , спираючись на популярну в той час вихрову теорію гравітації припустив існування матерії, що має негативну гравітаціюFoundation of Complex Matter Space and Special Theory of Relativity, a Unifying Approach . Вперше концепцію антиматерії, близьку до сучасних уявлень, використав англійський фізик Артур Шустер у 1898 році. Незадовго до цього Томпсон відкрив електрони, і Шустер, з міркувань симетрії, припустив існування аналогічної за властивостями позитивно зарядженої частинки, яку він назвав «антиелектроном». Розвиваючи свою гіпотезу, він припустив і існування антиатомів, у яких антиелектрони виконують роль електронів. Проте, брак експериментальних підтверджень не дав його гіпотезі стати популярною.FAQ: История открытия антиматерии

Море Дірака 1900 року Макс Планк запропонував концепцію квантів для побудови теорії випромінювання абсолютно чорного тіла. Протягом наступних десятиліть ця ідея виявилася надзвичайно плідною, і дозволила пояснити явище фотоефекту, а також пояснення відкритої Резерфордом будови атомів. Завдяки інтенсивній роботі великої кількості талановитих фізиків, у 20-х роках квантова механіка була вже сформованою галуззю. У 1928 році Поль Дірак, працюючи над квантовою теорією поля — розділом фізики, що поєднував квантову механіку і спеціальну теорію відносності, вивів рівняння Дірака, що описувало електрон. Це рівняння добре описувало спін та магнітний момент електрона та спектр його випромінювання в різних ситуаціях, проте мало один фатальний недолік — воно передбачало існування вільних електронів з від'ємною енергією. Проте, якби вільний електрон міг займати енергетичні рівні з від'ємною енергією, він падав би на них, прагнучи зайняти найнижчий енергетичний рівень, чого не спостерігається в реальності. Для вирішення цього парадоксу, Дірак припустив, що електрони не можуть мати від'ємну енергію через те, що всі енергетичні рівні з такою енергією вже зайняті, а через принцип Паулі інші електрони не можуть потрапити на них. Інакше кажучи, вакуум являє собою море неспостережуваних електронів, що займають всі можливі стани з від'ємною енергією.Уравнение Дирака Також, модель передбачала, що надавши електрону з «моря» достатньо енергії, можна вибити його в область позитивних енергій. Звільнений рівень — «дірка», виглядав би як частинка, рівна електрону за масою, але протилежна за зарядом. При зустрічі «дірки» і електрона обидва вони зникали б.

Пізніше були встановлені обмеження цієї моделі (наприклад, вона не могла пояснити існування антибозонів, які не підкоряються принципу Паулі), а з розвитком квантової теорії поля вона виявилася непотрібною, але на той час вона дозволила пояснити існування античастинок.

Експериментальне відкриття

У 1928 році Дмитро Скобєльцин, спостерігаючи за космічними променями у камері Вільсона, помітив треки частинок, схожих на електрони, що рухалися знизу вгору, але не приділив цьому спостереженню достатньо уваги.С днем рождения, позитрон! . У 1931 році Девід Андерсон, також за допомогою камери Вільсона, зафіксував такі треки під час дослідження космічних променів, але зміг показати, що вони залишені частинками, що рухаються згори вниз, але мають позитивний заряд. Для цього він встановив тонку металеву пластину на шляху у частинок, при проходжені через яку вони сповільнювались, що можна було побачити по закрученості їхніх траєкторій. Того ж року Андерсон опублікував фото з таким треком у журналі Science News Letter, а у 1933 році у Physical Review випустив статтю з описом властивостей нової частинкиThe Birth of Particle Physics . Частинка була названа ним позитроном, і збігалась з передбаченим Діраком антиелектроном. Цікаво відзначити, що деякий час Андерсон припускав, що відкрита їм частинка є, разом з гіпотетичним антипротоном, складовою нейтрона відкритого 1932 року.

Незалежно від Андерсона, у березні 1932 британські вчені Патрік Блекетт і модифікували камеру Вільсона, таким чином, щоб вона вмикалася лише при спрацьовуванні лічильників Гейгера що були розташовані над і під нею. За допомогою цього удосконалення вони змогли зняти кілька сотень треків від частинок, породжених космічними променями. Серед них було достатньо треків позитронів, що допомогло переконати наукову спільноту у їх реальності.Позитрон

У 1936 році Андерсон, як першовідкривач, отримав за відкриття позитрону Нобелівську премію з фізики, а у 1948, за удосконалення камери Вільсона, її отримав Блекетт. Оккіаліні премії не отримав, за деякими припущеннями з політичних мотивівЭтюд об античастицах: Антиматерия, антивещество… Что это такое? .

Протягом наступних двох років було встановлено, що електрон-позитронні пари породжуються гамма-квантами при гальмуванні їх у речовині а також, що позитрони можуть випромінюватись при радіоактивному розпаді.

Антинуклони У 50-х роках фізики вже були впевнені в існуванні антипартнерів і більш важких частинок, але типових енергій космічних променів не вистачало для їх утворення, тому у 1954 році в Берклі був збудований беватрон — прискорювач елементарних частинок до енергій у 6 ГеВ. З його допомогою у 1955 році був відкритий антипротон, а у 1956 році — антинейтрон.

У 1965 році було синтезоване перше антиядро — вчені з ЦЕРН отримали антидейтерій. На початку 70-х ядра антигелію-3 і антитритію були отримані на прискорювачі інституту фізики високих енергій у Протвіно, СРСР. Найважче з синтезованих на даний момент антиядер — антигелій-4 було зафіксоване у 2011 році колаборацією STARObservation of the antimatter helium-4 nucleus .

Антиатоми

Для створення найпростіших антиатомів (антиводню) необхідно щоб антипротони і антинейтрони знаходилися поруч достатньо довгий, за мірками фізики елементарних частинок, час. Враховуючи, що античастинки, що утворюються під час високоенергетичних зіткнень зазвичай рухаються з релятивістськими швидкостями, досягти цього доволі важко. Вперше антиводень був синтезований в ЦЕРН у 1995 році під час командою під керівництвом Вальтера Олерта.Antiatoms: Here Today. ..

У листопаді 2010 з'явилося повідомлення, що 38 атомів антиводню були захоплені в магнітну пастку й утримувалися там приблизно 1/6 секундиAndresen et al. (2010). «Trapped antihydrogen». Nature..

Отримання антиматерії в земних умовах

Античастинки можуть бути створені в прискорювачах, наприклад у CERNі (Женева, Швейцарія), лабораторії Фермі (США), в Центрі ядерних досліджень (Дубна, Росія).

Утворення античастинок проходить зазвичай завдяки процесу, оберненому анігіляції — процесу народження пар. Для цього необхідна енергія, більша за сумарну масу частинки й античастинки.

Найпростіші з античастинок — античастинки електронів — позитрони, виникають порівняно часто внаслідок різноманітних ядерних реакцій. Необхідна для цього енергія порівняно невелика з огляду на легкість лептонів — дещо більша за 1 МеВ.

Античастинки баріонів потребують для утворення енергію понад 1 ГеВ.

Вперше атом антиводню спостерігали в 1995 році в експерименті SP20 на прискорювачі LEAR в CERN, але тоді він існував тільки в прискорювачі протягом дуже малого часу (порядку 40 нс) і рухався зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Всього було зареєстровано 9 атомів антиводню. Така антиматерія не підходила для вивчення властивостей, тому вчені почали конструювати «пастки», у яких її можна накопичувати та утримувати.

Для цього потрібно «остудити» антипротони, знизити їхню енергію й швидкість руху. CERN — єдиний центр у світі, що має обладнання, спеціально призначене для створення та дослідження низькоенергетичних антипротонів.

Антипротони в експерименті ALPHA виробляються в умовах вакууму, однак це не вирішує проблеми анігіляції, вони залишаються оточені звичайною матерією. Тому, щоб продовжити час життя антиречовини, вчені «сконструювали» пастку із дуже сильного й складного по конфігурації магнітного поля. При наднизьких температурах у такій пастці накопичуються атоми антиводню, отримані при з'єднанні антипротонів і позитронів, що рухаються із приблизно рівними швидкостями.

У результаті вдалося на багато порядків збільшити час життя атомів антиводню: в експерименті ALPHA атом антиматерії існує протягом десятої частки секунди, і цього цілком достатньо для вивчення її властивостей

Симетрія матерії і антиматерії Теоретично, майже неможливо розрізнити матерію і антиматерію — частинки антиматерії мають ту саму масу і заряд (проте, з протилежним знаком). Ядерні взаємодії античастинок також є еквівалентними взаємодії частинок. Проте, слабка взаємодія розрізняє частинки і античастинки (CP-інваріантність не виконується)

Гравітаційна взаємодія Тривалий час питання про те, чи маса античастинок є такою самою як і маса частинок, не мало експериментально підтвердженої відповіді. Перевірка гіпотези про їхню рівність спряжена зі складнощами технічного характеру, пов'язаними з важкістю зберігання частинок та їхніми великими швидкостями. Згідно деяких, більш екзотичних гіпотез, антиматерія може мати від'ємну інерційну, активну гравітаційну або пасивну гравітаційну маси.The arguments against «antigravity» and the gravitational acceleration of antimatter Рівність інерційних мас частинок продемонструвати значно легше, а найбільшою складністю є виміри гравітаційної маси — в 2014 році CERN було показано, що гравітаційні маси частинок і античастинок збігаються з точністю до 1 %.The AEgIS experiment at CERN for the measurement of antihydrogen gravity acceleration Згідно принципу еквівалентності, інерційна і гравітаційна маса мають бути рівними.

За результатами півторарічного дослідження CERN, опублікованими 2022 року, маса матерії та антиматерії не відрізняється. Це означає, що матерія та антиматерія реагують на гравітацію однаково. Умовно кажучи, зразки їх обох падатимуть вниз без жодної різниці. Щоб перевірити припущення, команда дослідників CERN помістила антипротони та негативно заряджені іони водню в електромагнітний пристрій під назвою Пастка Пеннінга. Потрапляючи всередину, частинки рухаються по циклічній траєкторії, і, вимірюючи їхню частоту, вчені змогли обчислити їхнє відношення заряду до маси.

Використання

Медичне