Антиматерия — предмет из научной фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии. Звездолёт «Энтерпрайз» из «Звёздного пути» использует аннигиляционную движущую силу материи-антиматерии для путешествий быстрее света.
Но антиматерия — это ещё и вещество из реальности. Частицы антиматерии практически идентичны своим собратьям из материи, за исключением того, что они несут противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречается с материей, они немедленно аннигилируют, превращаясь в энергию.
Хотя бомбы из антивещества и космические корабли, работающие на антивеществе, выдуманы, есть много фактов об антивеществе, способных пощекотать ваши мозговые клетки.
1. Антиматерия должна была аннигилировать со всей материей во Вселенной после Большого взрыва
Согласно существующей теории, в результате Большого взрыва материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах. Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют, не оставляя после себя ничего, кроме энергии. Таким образом, в принципе, никто из нас не должен существовать.
Но мы существуем. И, насколько могут судить физики, только потому, что в конце концов на каждый миллиард пар материя-антиматерия приходится одна лишняя частица материи. Физики упорно пытаются объяснить эту асимметрию.
2. Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете
Небольшое количество антивещества постоянно выпадает на Землю в виде космических лучей — энергичных частиц из космоса. Эти частицы антивещества попадают в нашу атмосферу в количестве от менее чем одной частицы на квадратный метр до более 100 на квадратный метр. Учёные также видели свидетельства появления антиматерии в атмосфере над грозами.
Но другие источники антиматерии находятся ещё ближе к нам. Например, бананы производят антивещество, высвобождая один позитрон — эквивалент электрона — примерно каждые 75 минут. Это происходит потому, что в бананах содержится небольшое количество калия-40 — изотопа калия, встречающегося в природе. Когда калий-40 распадается, он периодически выбрасывает позитрон.
Наши тела также содержат калий-40, что означает, что позитроны испускаются и вами. Антивещество аннигилирует немедленно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества очень недолговечны.
3. Люди создали лишь небольшое количество антиматерии
Аннигиляция антиматерии с веществом способна высвободить огромное количество энергии. Один грамм антиматерии может произвести взрыв размером с ядерную бомбу. Однако люди пока произвели мизерное количество антиматерии.
Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Теватрон в Фермилабе, в сумме составят всего 15 нанограммов. Те, что были созданы в ЦЕРНе, составят около 1 нанограмма. В DESY в Германии на сегодняшний день произведено около 2 нанограммов позитронов.
Если бы вся антиматерия, когда-либо созданная людьми, аннигилировала одновременно, полученной энергии не хватило бы даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.
Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антиматерии. Для создания 1 грамма антиматерии потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии, а стоимость её составит более миллиона миллиардов долларов.
4. Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии
Чтобы изучать антиматерию, необходимо предотвратить её аннигиляцию с материей. Учёные придумали способы, позволяющие сделать именно это.
Заряженные частицы антиматерии, такие как позитроны и антипротоны, можно удерживать в устройствах, называемых ловушками Пеннинга. Их можно сравнить с крошечными ускорителями. Внутри них частицы вращаются по спирали, поскольку магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.
Но ловушки Пеннинга не работают на нейтральных частицах – таких, как антиводород. Поскольку у них нет заряда, эти частицы не получится ограничить электрическими полями. Вместо этого они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают путём создания области пространства, где магнитное поле увеличивается при движении в любом направлении. Частица застревает в области с самым слабым магнитным полем, подобно тому, как шарик катится внутри широкой чаши, постепенно приближаясь к её дну.
Магнитное поле Земли также может действовать как своего рода ловушка для антиматерии. Антипротоны были обнаружены в зонах вокруг Земли, называемых радиационными поясами.
5. Антиматерия может упасть вверх
Частицы антиматерии и материи имеют одинаковую массу, но отличаются такими свойствами, как электрический заряд и спин. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна оказывать одинаковое воздействие на материю и антиматерию; однако это ещё предстоит увидеть. Эксперименты AEGIS, ALPHA и GBAR прилагают все усилия, чтобы выяснить это.
Наблюдать влияние гравитации на антиматерию не так просто, как наблюдать, как яблоко падает с дерева. В этих экспериментах антивещество нужно удерживать в ловушке или замедлять его, охлаждая до температуры чуть выше абсолютного нуля. А поскольку гравитация является самой слабой из фундаментальных сил, физики должны использовать в этих экспериментах нейтральные частицы антиматерии, чтобы предотвратить вмешательство более мощной электрической силы.
6. Антивещество изучается в замедлителях частиц
Вы слышали об ускорителях частиц, но знаете ли вы, что существуют также замедлители частиц? В ЦЕРНе есть машина под названием «Антипротонный замедлитель» — накопительное кольцо, которое может захватывать и замедлять антипротоны для изучения их свойств и поведения.
В круговых ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, частицы получают дополнительную энергию каждый раз, когда совершают оборот. Замедлители работают в обратном направлении: вместо разгоняющего толчка частицы получают обратный толчок, уменьшающий их скорость.
7. Нейтрино могут быть античастицами сами себе
Частица материи и её антиматериальный партнёр несут противоположные заряды, поэтому их легко различить. Нейтрино, почти безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с веществом, не имеют заряда.Учёные полагают, что они могут быть частицами Майораны – принадлежать к гипотетическому классу частиц, которые являются собственными античастицами.
Такие проекты, как «Демонстратор Майораны» и EXO-200 запущены специально для того, чтобы определить, являются ли нейтрино частицами Майораны. Для этого учёные ищут признаки наличия особого эффекта — безнейтринного двойного бета-распада.
Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, высвобождая два электрона
и два нейтрино. Если бы нейтрино были своими античастицами, то они аннигилировали бы друг с другом в результате двойного распада, и учёные наблюдали бы только электроны.
Обнаружение нейтрино Майораны может помочь объяснить, почему существует асимметрия антиматерии и материи. Физики предполагают, что нейтрино Майораны могут быть быть либо очень тяжёлыми, либо очень лёгкими. Лёгкие существуют сегодня, а тяжёлые должны были существовать только сразу после Большого взрыва. Эти тяжёлые нейтрино Майораны распались бы асимметрично, что привело бы к крошечному избытку материи.
8. Антивещество используется в медицине
ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) использует позитроны для получения изображений тела с высоким разрешением. Излучающие позитроны радиоактивные изотопы (например, те, что содержатся в бананах) присоединяются к химическим веществам, таким как глюкоза, которые естественным образом используются организмом. Их вводят в кровеносную систему, где они естественным образом расщепляются, высвобождая позитроны, которые встречаются с электронами в организме и аннигилируют. В результате аннигиляции образуются гамма-лучи, которые используются для построения изображений.
Учёные проекта ЦЕРН ACE изучают антиматерию как потенциального кандидата для лечения рака. Врачи уже обнаружили, что могут воздействовать на опухоли пучками частиц, которые высвобождают свою энергию только после безопасного прохождения через здоровые ткани. Использование антипротонов позволяет организовать выход дополнительной энергии. Эта техника оказалась эффективной для хомяков, но учёным ещё предстоит провести исследования с использованием клеток человека.
9. Антиматерия, которая должна была помешать нашему существованию, может всё ещё прятаться в космосе
Один из способов, с помощью которого учёные пытаются решить проблему асимметрии антиматерии и материи, — это поиск антиматерии, оставшейся после Большого взрыва.
Альфа-магнитный спектрометр — это детектор частиц, который находится на Международной космической станции и ищет эти частицы. Его магнитные поля изменяют траекторию космических частиц, отделяя материю от антиматерии. Детекторы оценивают и идентифицируют частицы по мере их прохождения.
При столкновениях космических лучей регулярно образуются позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия крайне мала из-за огромного количества энергии, которое для этого потребуется. Это означает, что наблюдение даже одного ядра антигелия будет убедительным доказательством существования большого количества антиматерии где-то ещё во Вселенной.
10. Люди на самом деле изучают возможность заправки космических кораблей антивеществом
Всего лишь горстка антивещества может произвести огромное количество энергии, что делает его популярным топливом для футуристических транспортных средств из научной фантастики.
Гипотетически ракетное движение на антиматерии возможно; главная проблема – необходимо собрать достаточное количество антиматерии, чтобы это произошло.
В настоящее время не существует технологии массового производства или сбора антивещества в объёме, необходимом для этого. Тем не менее, некоторые исследователи проводили имитационные исследования по двигателям на антиматерии и хранению антивещества. Если мы сможем придумать способ создания или сбора большого количества антиматерии, эти исследования могут помочь межзвёздным путешествиям на антиматерии стать реальностью.
