Антивещество

Антивещество́ — вещество, состоящее из античастиц, стабильно не образующееся в природе (наблюдательные данные не свидетельствуют об обнаружении антивещества в нашей Галактике и за её пределами[1]). Яд­ра антиве­ще­ст­ва со­сто­ят из антипро­то­нов и антиней­тро­нов, а обо­лоч­ки — из по­зи­тро­нов[2].

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц.

В на­блю­дае­мой на­ми час­ти Все­лен­ной су­ще­ст­вен­ных ско­п­ле­ний антивещества не об­на­ру­же­но[2], однако ведутся дискуссии о том, состоит ли Вселенная почти исключительно из вещества, и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом. Асимметрия вещества и антивещества во Вселенной — одна из самых больших нерешенных задач физики (см. Барионная асимметрия Вселенной). Предполагается, что асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.


Получение

В 1965 году груп­па под руководством Л. Ле­дер­ма­на на­блю­да­ла со­бы­тия об­ра­зо­ва­ния ядер ан­ти­дей­те­рия[2]. В 1970 году из Института фи­зи­ки вы­со­ких энер­гий (г. Протвино) за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­ла несколько со­бы­тий об­ра­зо­ва­ния ядер.

В 1970—1974 груп­пой под руководством Ю. Д. Про­кош­ки­на на серпуховском ускорителе были получены и более тяжелые антиядра — трития (изотоп водорода)[3], гелия (ан­ти­ге­лий-3)[2].

В 2001 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода[2], состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.

В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе — Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды[4].

В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить — на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации[5].

Стоимость

Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле — по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США[6]. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов[7]. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объем, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков[8].

Свойства

По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества[2].

Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях)[9].

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция[2], при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино[источник не указан 2098 дней], которые практически не взаимодействуют с веществом). Ан­ни­ги­ля­ция мед­лен­ных ну­кло­нов и ан­ти­ну­кло­нов ве­дёт к об­ра­зо­ва­нию не­сколь­ких π-ме­зо­нов, а ан­ни­ги­ля­ция элек­тро­нов и по­зи­тро­нов — к об­ра­зо­ва­нию γ-кван­тов. В ре­зуль­та­те по­сле­дую­щих рас­па­дов π-ме­зо­ны пре­вра­ща­ют­ся в γ-кван­ты[2].

При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8⋅1017 джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (масса 26,5 т), при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57—58,6 мегатоннам. Теллеровский предел для термоядерного оружия подразумевает, что самый эффективный выход энергии не превысит 6 кт/кг массы устройства.

В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии.

В ноябре 2015 года группа российских и зарубежных физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов[10].

В 2016 году учёным коллаборации ALPHA впервые удалось измерить оптический спектр атома антиматерии, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено[11][12].

Отличие вещества и антивещества возможно выявить только за счёт слабого взаимодействия, однако при обычных температурах слабые эффекты слишком малы.[источник не указан 1273 дня]

Проводятся эксперименты по обнаружению антивещества во Вселенной[13].

В массовой культуре

В фильме "Ангелы и демоны" 2009 года показано, как некоторое количество антиматерии, полученного в ЦЕРНе, было использовано в качестве попытки уничтожить Ватикан.

См. также

Примечания

  1. Власов, 1966, с. 153.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 Файнберг, 2005.
  3. Б. С. Ишханов, Кэбин Э. И.Физика ядра и частиц, XX век — гл. «Античастицы» // Ядерная физика в Интернете
  4. «Физики впервые поймали в ловушку атомы антивещества.»: Лента.Ру, 18.11.2010, 12:45:23.
  5. «Antihydrogen Trapped For 1000 Seconds»: The Physics arXiv Blog, 02.05.2011
  6. New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions. NASA (2006). Дата обращения 28 сентября 2009. Архивировано 22 августа 2011 года.
  7. Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft. NASA (12 april 1999). Дата обращения 21 августа 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.
  8. Questions & Answers. CERN (2001). Дата обращения 24 мая 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.
  9. Широков, 1972, с. 345.
  10. Физики впервые измерили силу взаимодействия частиц антиматерии
  11. Специалисты ЦЕРН впервые измерили оптический спектр антиматерии // РИА, 19.12.2016
  12. Учёные впервые получили спектр антиматерии // 20.12.2016
  13. Зураб Силагадзе Увидеть антизвезду // Наука и жизнь. — 2017. — № 5.

Литература

Ссылки