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 2271 день], 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 1446 дней]

Проводятся эксперименты по обнаружению антивещества во Вселенной[13].

См. также

Антивещество:

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