Что такое антиматерия и античастицы? Использование антивещества: перспективы и опасность

Антивещество – это противоположность обычной материи. Антиматерия состоит из античастиц — «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковыми спином и массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия: электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Некоторые частицы, например фотон, не имеют античастиц или, что то же самое, являются античастицами по отношению к самим себе. Античастицы переносят аналогичный, но противоположный по значению заряд, как и их прототипы из обычной материи, но обладают той же массой и похожи на них во всех других отношениях. Как предполагают ученые, во Вселенной могут существовать целые галактики из антиматерии. Также есть мнение, что антивещества во Вселенной может быть даже больше, чем обычного вещества. Но увидеть антиматерию невозможно, так же как объекты окружающего нас обычного мира. Она не видима для человеческого зрения. Никаких признаков существования во Вселенной космических тел, состоящих из антиматерии, не обнаружено. Одной из главных загадок современной физики считается асимметрия — подавляющее преобладание во Вселенной материи над антиматерией. Согласно сегодняшним космологическим взглядам, в момент Большого взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии. При встрече античастицы с частицей они обе уничтожаются, аннигилируют с выбросом большого числа фотонов и нейтрино, то есть, согласно этой теории, сегодня все вещество и антивещество Вселенной должно было либо самоуничтожиться, либо существовать раздельно, но в равных количествах. Для того, чтобы лучше понять антиматерию, нужно знать больше о материи. Вещество состоит из молекул в состав которых входят атомы, которые являются основными единицами химических элементов, таких как водород, гелий или кислород. Молекулы имеют определенное число элементов: водород имеет один электрон, гелий имеет два электрона и так далее. Любая элементарная частица обладает рядом характеристик, чисел, описывающих ее структуру. Среди них следующие:Также различные другие квантовые числа, определяющие свойства и состояния частиц. Если описывать античастицу, то простым языком – это зеркальное отображение частицы, с той же массой и электрическим зарядом. Почему же ученых так заинтересовали частицы, которые просто отчасти схожи и частично отличны от своих подлинников?Оказалось, что столкновение частицы и античастицы ведет к аннигиляции – их уничтожению, и высвобождению соответствующей им энергии в виде других высокоэнергетических частиц, то есть маленький взрыв. Мотивирует к изучению античастиц и тот факт, что вещество, состоящее из античастиц (антивещество) самостоятельно не образуется в природе, согласно наблюдениям ученых. В последние 25 лет ученые смогли создать простейшие атомы антиматерии и держать их стабильными в виде антиводорода. Проведены измерения и определена внутренняя структура антиводорода. Водород является первым элементом в периодической таблице и состоит из одного электрона, движущегося вокруг одного протона. Его зеркало антиводород имеет один антиэлектрон или позитрон и один антипротон. Если позитрон и электрон сталкиваются, они будут уничтожать друг друга и выплескивать энергию. То же самое для взаимодействия протон – антипротон. Так как наша Вселенная полна электронов, протонов и различных комбинаций, это исключительно трудно держать античастицы вокруг очень долго. Атомная Вселенная является сложной, так как полна экзотических частиц со свойствами спина (вращение вокруг своей оси) и особенностей, которые физики только начинают понимать. С простой точки зрения, атомы имеют частицы, которые известны как электроны, протоны и нейтроны внутри них. Антивещество – это материя, состоящая исключительно из античастиц. В природе у каждой элементарной частицы есть античастица. Для электрона это будет позитрон, а для положительно заряженного протона – антипротон. Атомы обычного вещества – иначе оно называется койновещество — состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся электроны. А отрицательно заряженные ядра атомов антивещества, в свою очередь, окружены антиэлектронами. Центр атома называется ядро в котором находятся протоны (которые имеют положительный электрический заряд) и нейтроны (которые имеют нейтральный заряд). Электроны, которые обычно имеют отрицательный заряд, занимают орбиты вокруг ядра. Орбиты могут изменяться в зависимости от того, как “возбуждаются” электроны (то есть, сколько энергии у них есть). В случае с антивеществом, электрический заряд восстанавливается по отношению к материи. Анти-электроны (так называемые позитроны) ведут себя подобно электронам, но имеют положительный заряд. Антипротоны, как следует из названия, представляют собой протоны с отрицательным зарядом. Эти частицы антиматерии (которые называются «античастицы») были получены и изучены на огромных ускорителях элементарных частиц, таких как Большой адронный коллайдер управляемый Европейской организацией ядерных исследований. В циркулярном ускорителе на встречных пучках как большой адронный коллайдер частицы получают удар энергии каждый раз, когда они завершают вращение. Для изучения антивещества, необходимо предотвратить его аннулирование с материей. Ученые создали специальные ловушки. Частицы как позитроны и антипротоны загоняются в устройства, называемые ловушкой Пеннинга. Устройство похоже на крошечные ускорители. Внутри устройства находятся спирали создающие магнитные и электрические поля которые удерживают частицы от их столкновения со стенками ловушки. Но ловушки Пеннинга не будут работать для нейтральных частиц, таких как антиводород, потому что у него нет заряда. Ученые придумали другие ловушки, которые работают путем создания области пространства, где магнитное поле излучается во всех направлениях. Антивещество не подчинено антигравитации. Несмотря на то, что не было подтверждено экспериментально, существующая теория предсказывает, что антиматерия ведет себя так же, как при гравитации делает нормальная материя. Антиматерия тесно связана с темой происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва около 14 миллиардов лет назад. Эта теория утверждает, что вся наша Вселенная возникла в результате взрыва и расширения некой точки в пространстве. После взрыва возникло равное количество материи и антиматерии. Сразу же начался процесс их взаимоуничтожения. Однако по какой-то причине материи оказалось немного больше, что позволило образоваться Вселенной в привычной нам форме. Сейчас антивещества во Вселенной наблюдается намного меньше, чем вещества. Куда же оно делось? Если улетело в другую область пространства, почему такое количество антиматерии ничем не регистрируется? Масса-то у античастиц та же, что и у частиц. Если же антивещество исчезло после аннигиляции с веществом, то почему осталось столько «лишнего» вещества, из которого состоит мир?Может, «неравенство» возникло раньше, чем думают? Или античастицы все-таки не тождественны «своим» частицам по свойствам и более склонны к распаду? Решить эти загадки и может помочь антивещество — уже не просто предсказанное формулами, а вполне осязаемое детекторами. Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. В лабораторных условиях этого добиваются на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около чёрных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества. Выше мы говорили, что антивещество не образуется в природе – так оно и есть. Антивещество должно состоять из античастиц, но они не объединяются в него, то есть мы не видим, например, антизвёзд или антипланет. Для примера возьмём атом водорода, который является простейшим веществом, состоящим из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород – это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона. Звучит довольно просто, вот только синтезировать антиводород – крайне сложная задача. Впервые целых 9 атомов такого антивещества физикам удалось создать в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе. Правда просуществовали они до распада всего 40 наносекунд. Работа продолжалась и специалистами была придумана и создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода, что по массе около 10^-18 грамм. Это самый настоящий успех. Согласно расчётам NASA, создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около $25 миллионов, а 1 г антиводорода оценивается в $62,5 триллиона. За 10 лет в экспериментах ЦЕРНа использован один нанограмм антивещества и его стоимость оценивается в несколько сотен миллионов долларов. Не стоит пугаться таким суммам, ведь, например, компьютер в семидесятые годы прошлого столетия, когда запускали «Вояджеры», эквивалентный по мощности современному мобильнику, стоил несколько десятков миллионов долларов. Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии — не больше 2 нанограммов позитронов. Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая. Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире. Небольшие количества антиматерии постоянно проливаются дождем на Землю в виде космических лучей, энергетических частиц из космоса. Эти частицы антивещества достигают нашей атмосферы с уровнем от одной до более сотни на квадратный метр. Ученые также располагают свидительствами того, что антивещество рождается во время грозы. Есть и другие источники антивещества, которые находятся ближе к нам. Бананы, например, вырабатывают антивещество, испуская один позитрон — антивещественный экивалент электрона — примерно раз в 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. При распаде калия-40 иногда рождается позитрон. Наши тела тоже содержат калий-40, а значит, и вы излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует мгновенно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества живут не очень долго. Если и есть, то очень мало. Убедительных доказательств существования больших объектов, состоящих из антиматерии, нет. Фантасты рассматривают аннигиляцию как идеальный способ получения энергии. Сейчас на получение антиматерии уходит намного больше энергии, чем потом дает аннигиляция. Есть проекты фотонных двигателей, можно представить электростанции, но это все пока из области фантастики. Принципиально все понятно, а реализовать на практике ученым пока не удалось. Лучше понять, что такое антивещество, можно, если посмотреть на историю его открытия. Интересно, что существование антивещества предсказали еще до того, как оно было обнаружено. В 1920-х годах оказалось, что новая теория, названная квантовой механикой, отлично подходит для описания мельчайших частиц вещества — атомов и элементарных частиц. Но не так легко было совместить квантовую механику со второй великой теорией XX века — теорией относительности. Молодой британский физик Поль Дирак (Paul Dirac) бросился решать эту проблему и сумел вывести уравнение, которое позволяет комбинировать квантовую механику со специальной теорией относительности. С помощью этого уравнения стало возможным описать движение электрона, даже если его скорость приближалась к скорости света. Но уравнение приготовило сюрприз. У него было два решения, точно так же, как у уравнения «x²=4»: x=2 и x=-2». То есть, оно могло описывать не только всем хорошо известный электрон, но и другую частицу — электрон с негативной энергией. Стоило Томпсону открыть электрон, как в журнале «Nature» в 1898 году появилась статья английского физика Артура Шустера, который предположил, что существует частица тождественная электрону, но с положительным зарядом. Аргументация была очень простая — в природе положительные и отрицательные электрические заряды имеются в одинаковом количестве. В 1925 году тоже британец Пол Дирак проанализировал свои уравнения, в которых пытался совместить теорию относительности с квантовой теорией. Анализ полученного им уравнения показал, что оно справедливо не только для ставшего привычным электрона, но и для частицы такой же массы с положительным зарядом. Поначалу Пол Дирак не решался сообщить о своих теоретических выводах, но потом все же заявил Граду и Миру, что у каждой частицы во Вселенной имеется зеркальная античастица. Наградой за открытие стала Нобелевская премия 1933 года. След позитрона в камере Вильсона, зафиксированный во время в эксперимента, проводимого Карлом Андерсоном в 1932 году. Направление движения частицы снизу вверх, направление поворота следа свидетельствует о том, что её заряд положителен:В 1932 году ученик Милликена Карл Андерсон из США решил попробовать поймать след положительного электрона с помощью пузырьковой камеры Вильсона при изучении космических лучей. Следов электронов имелось много, причем они имели обычные данные. Но несколько следов, не отличаясь по другим характеристикам, отклонялись в магнитном поле в сторону противоположную электронам. Это и были характеристические отпечатки положительных электронов, или, как их стали называть, позитронов. Поначалу считалось, что электроны и позитроны совпадают во всем, кроме электрического заряда. Однако дальнейшее изучение элементарных частиц показало, что они обладают такой интересной характеристикой как спин. Эта характеристика касается магнитных свойств частицы. Когда начали открываться все новые и новые частицы, ученые довольно быстро обнаруживали соответствующие им античастицы. С заряженными частицами все просто — их античастицы имеют такую же массу, но противоположный электрический заряд. Сложности возникли с частицами не имеющими электрического заряда. Для примера возьмем нейтрон — он электрически нейтрален, но имеет соответствующий антинейтрон, который также электрически нейтрален, но обладает противоположным спином. И все же есть частицы для которых античастицами являются они сами — это фотон (квант света) и бозон Хиггса. Хотя атомов составленных из античастиц в свободном состоянии на Земле и не наблюдается, материалов, их излучающих довольно много. Так обычный банан содержит изотоп калия с атомной массой 40. Этот изотоп радиоактивен и подвержен бета-распаду, при котором выделяются позитроны. Так что один банан излучает позитрон в среднем каждые 75 минут, ну и человек, съев банан, также начинает насыщать окружающее пространство положительными электронами. Итак, даже банан может испускать античастицы, а вот существует ли настоящее антивещество? Стоит вспомнить, что простейшая единица вещества – атом, состоит из ядра (протоны и нейтроны) и движущихся по орбитам электронов. Следовательно, антивещество должно иметь ядро из антипротонов и антинейтронов, а по орбитам обязаны вращаться позитроны. В свободном состоянии подобное антивещество пока не обнаружено, а вот искусственно его создать удалось. В 1965 году был создан антидейтерий, в 1970 антитритий. В 1974 году. На ускорителе города Серпухов создали искусственный антигелий. Поскольку, при взаимодействии пары частица-античастица вся их масса превращается в энергию, то именно антивещество представляется самым удобным топливом для ракетных двигателей. Большой массы антивещества для полетов по Солнечной системе не требуется, а время полета сокращается очень сильно. Когда Поль Дирак вывел из своей теории существование позитронов, он вполне допускал, что где-то в космосе могут существовать настоящие антимиры. Сейчас мы знаем, что звезд, планет, галактик из антивещества в видимой части Вселенной нет. Дело даже не в том дело, что не видно аннигиляционных взрывов; просто совершенно невообразимо, как они вообще могли бы образоваться и дожить до настоящего времени в постоянно эволюционирующей вселенной. Но вот вопрос «как так получилось» — это еще одна большущая загадка современной физики; на научном языке она называется проблемой бариогенеза. Согласно космологической картине мира, в самой ранней вселенной частиц и античастиц было поровну. Затем, в силу нарушения CP-симметрии и барионного числа, в динамично развивающейся вселенной должен был появиться небольшой, на уровне одной миллиардной, избыток материи над антиматерией. При остывании вселенной все античастицы проаннингилировали с частицами, выжил лишь этот избыток вещества, который и породил ту вселенную, которую мы наблюдаем. Именно из-за него в ней осталось хоть что-то интересное, именно благодаря нему мы вообще существуем. Как именно возникла эта асимметрия — неизвестно. Теорий существует много, но какая из них верна — неизвестно. Ясно лишь, что это точно должна быть какая-то Новая физика, теория, выходящая за пределы Стандартной модели, за границы экспериментально проверенного. Три варианта того, откуда могут взяться античастицы в космических лучах высокой энергии:Хоть планет и звезд из антивещества нет, антиматерия в космосе все же присутствует. Потоки позитронов и антипротонов разных энергий регистрируются спутниковыми обсерваториями космических лучей, такими как PAMELA, Fermi, AMS-02. Тот факт, что позитроны и антипротоны прилетают к нам из космоса, означает, что они где-то там рождаются. Высокоэнергетические процессы, которые могут их породить, в принципе известны: это сильно замагниченные окрестности нейтронных звезд, разные взрывы, ускорение космических лучей на фронтах ударных волн в межзвездной среде, и т. п. Вопрос в том, могут ли они объяснить все наблюдаемые свойства потока космических античастиц. Если окажется, что нет, это будет свидетельством в пользу того, что некоторая их доля возникает при распаде или аннигиляции частиц темной материи. Здесь тоже есть своя загадка. В 2008 году обсерватория PAMELA обнаружила подозрительно большое количество позитронов больших энергий по сравнению с тем, что предсказывало теоретическое моделирование. Этот результаты был надавно подтвержден установкой AMS-02 — одним из модулей Международной Космической Станции и вообще самым крупным детектором элементарных частиц, запущенным в космос (и собранным догадайтесь где? — правильно, в ЦЕРНе). Этот избыток позитронов будоражит ум теоретиков — ведь ответственным за него могут оказаться не «скучные» астрофизические объекты, а тяжелые частицы темной материи, которые распадаются или аннигилируют в электроны и позитроны. Ясности тут пока нет, но установка AMS-02, а также многие критически настроенные физики, очень тщательно изучают это явление. С антипротонами тоже ситуация неясная. В апреле этого года AMS-02 на специальной научной конференции представил предварительные результаты нового цикла исследований. Главной изюминкой доклада стало утверждение, что AMS-02 видит слишком много антипротонов высокой энергии — и это тоже может быть намеком на распады частиц темной материи. Впрочем, другие физики с таким бодрым выводом не согласны. Сейчас считается, что антипротонные данные AMS-02, с некоторой натяжкой, могут быть объяснены и обычными астрофизическими источниками. Так или иначе, все с нетерпением ждут новых позитронных и антипротонных данных AMS-02. AMS-02 зарегистрировала уже миллионы позитронов и четверть миллиона антипротонов. Но у создателей этой установки есть светлая мечта — поймать хоть одно антиядро. Вот это будет настоящая сенсация — совершенно невероятно, чтобы антиядра родились где-то в космосе и долетели бы до нас. Пока что ни одного такого случая не обнаружено, но набор данных продолжается, и кто знает, какие сюрпризы готовит нам природа. Изучение антиматерии несет в себе весомый для человечества потенциал. Первое и наиболее интересное устройство, теоретически работающее на антивеществе – варп-двигатель. Некоторые могут помнить таковой из известного сериала «Звездный путь» («Star Trek»), двигатель питался энергией от реактора, работающего на основе принципа аннигиляции материи и антиматерии. В действительности существует несколько математических моделей подобного двигателя, и согласно их расчетам, для космических кораблей будущего понадобится совсем немного античастиц. Так, семимесячный полет до Марса может сократиться в продолжительности до месяца, за счет 140 нанограммов антипротонов, которые выступят катализатором ядерного деления в реакторе корабля. Благодаря подобным технологиям могут осуществиться и межгалактические перелеты, которые позволят человеку подробно изучить другие звездные системы, и в будущем колонизировать их. Однако, антивещество, как и многие другие научные открытия, может нести угрозу человечеству. Как известно, ужаснейшая катастрофа, атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки была произведена при помощи двух атомных бомб, общая масса которых составляет 8,6 тонн, а мощность – около 35 килотонн. А вот при столкновении 1 кг вещества и 1 кг антивещества высвобождается энергия равная 42 960 килотонн. Самая мощная бомба, когда-либо разработанная человечеством — АН602 или «Царь-бомба» высвободила энергию около 58 000 килотонн, но весила 26,5 тонн! Подводя итоги всего вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что технологии и изобретения на основе антиматерии могут привести человечество, как к небывалому прорыву, так и к полному самоуничтожению. Еще в 2003 году Европейский центр ядерных исследований опубликовал отчет независимых специалистов, которые оценивали вероятность разных рисков, связанных с работой коллайдера. Вероятность — в том числе с антиматерией — была признана ничтожно малой. А частицы из космоса, обладающие намного большей энергией, постоянно влетают в земную атмосферу, тоже приводят к появлению античастиц — но за миллионы лет ничего не случилось.