Синтез антиматерии. Антиматерия « Интереcно о науке

В 1930-м году известный английский физик-теоретик Поль Дирак, выводя релятивистское уравнение движения для поля электрона, получил также и решение для некой иной частицы с той же массой и противоположным, положительным, электрическим зарядом. Единственная известная в то время частица с положительным зарядом – протон, не могла быть этим двойником, так как значительно отличалась от электрона, в том числе и в тысячи раз большей массой.

Позже, в 1932-м году американский физик Карл Андерсон подтвердил предсказания Дирака. Изучая космические лучи, он открыл античастицу электрона, которая сегодня называется позитрон. Спустя 23 года на американском ускорителе были обнаружены антипротоны, а еще через год – антинейтрон.

Частицы и античастицы

Как известно, любая элементарная частица обладает рядом характеристик, чисел, описывающих ее. Среди них следующие:

• Масса – физическая величина, которая определяет гравитационное взаимодействие объекта.
• Спин – собственный момент импульса элементарной частицы.
• Электрический заряд – характеристика, указывающая на возможность создания телом электромагнитного поля, и участия в электромагнитном взаимодействии.
• Цветовой заряд – абстрактное понятие, которое объясняет взаимодействие кварков и формирование ими других частиц — адронов.

Также другие различные 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.

Общие сведения об антивеществе

Выходя из вышесказанного, становится ясно, что наблюдаемая Вселенная состоит из материи, вещества. Однако, следуя известным физическим законам, ученые уверены в том, что вследствие Большого Взрыва обязаны образоваться в равном количестве вещество и антивещество, чего мы не наблюдаем. Очевидно, что наши представления о мире являются неполными, и либо ученые что-то упустили в своих расчетах, либо где-то за пределами нашей видимости, в отдаленных частях Вселенной имеется соответствующее количество антиматерии, так сказать «мир из антивещества».

Этот вопрос антисимметрии представляется одной из самых известных нерешенных физических задач.

Согласно современным представлениям, структура вещества и антивещества почти не отличаются, по той причине, что электромагнитное и сильное взаимодействия, определяющие устройство материи, одинаково действуют как по отношению частицам, так и античастицам. Данный факт был подтвержден в ноябре 2015 года на коллайдере RHIC в США, когда российские и зарубежные ученые измерили силу взаимодействия антипротонов. Она оказалась равной силе взаимодействия протонов.

Получение антивещества

Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. Если при столкновении электрона и его античастицы – позитрона, высвобождается два гамма-кванта, то для создания электрон-позитронной пары понадобится высокоэнергетический гамма-квант, взаимодействующий с электрическим полем ядра атома. В лабораторных условиях это может происходить на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около черных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества.

Что такое антивещество? Для понимания достаточно привести следующий пример. Простейшее вещество, атом водорода состоит 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.

Общий вид установки ASACUSA в ЦЕРНе, предназначенной для получения и изучения антиводорода

Несмотря на простую формулировку, синтезировать антиводород достаточно сложно. И все же в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе ученым удалось создать 9 атомов такого антивещества, которые прожили всего 40 наносекунд и распались.

Позже, при помощи массивных устройств была создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода – 0,28 аттограмм (10 -18 грамм). Такого объема антивещества может быть достаточно для дальнейшего изучения, и это успех.

Стоимость антивещества

Сегодня с уверенностью можно заявить, что самое дорогое вещество в мире не калифорний, реголит или графен, и, конечно же, не золото, а антивещество. Согласно подсчетам NASA –создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около 25 миллионов долларов, а 1 г антиводорода оценивается в 62,5 триллиона долларов. Интересно, что нанограмм антивещества, объем, который был использован за 10 лет в экспериментах ЦЕРНа, обошелся организации в сотни миллионов долларов.

Применение

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.

АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами – электронами с положительным электрическим зарядом. В обычном веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами. Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. койнос – обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин «антивещество» не совсем правилен, поскольку антивещество – тоже вещество, его разновидность. Антивещество обладает такими же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество.

Говоря о веществе и антивеществе, логично начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной частице соответствует античастица; обе имеют почти одинаковые характеристики, за исключением того, что у них противоположный электрический заряд. (Если частица нейтральна, то античастица также нейтральна, но они могут различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица и античастица тождественны друг другу.) Так, электрону – отрицательно заряженной частице – соответствует позитрон, а античастицей протона с положительным зарядом является отрицательно заряженный антипротон. Позитрон был открыт в 1932, а антипротон – в 1955; это были первые из открытых античастиц. Существование античастиц было предсказано в 1928 на основе квантовой механики английским физиком П.Дираком.

При столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция, т.е. обе частицы исчезают, а из точки их столкновения испускаются два гамма-кванта. Если сталкивающиеся частицы движутся с небольшой скоростью, то энергия каждого гамма-кванта составляет 0,51 МэВ. Эта энергия есть «энергия покоя» электрона, или его масса покоя, выраженная в единицах энергии. Если же сталкивающиеся частицы движутся с большой скоростью, то энергия гамма-квантов будет больше за счет их кинетической энергии. Аннигиляция происходит и при столкновении протона с антипротоном, но процесс в этом случае протекает гораздо сложнее. В качестве промежуточных продуктов взаимодействия рождается ряд короткоживущих частиц; однако спустя несколько микросекунд как окончательные продукты превращений остаются нейтрино, гамма-кванты и небольшое число электрон-позитронных пар. Эти пары в конечном итоге могут аннигилировать, создавая дополнительные гамма-кванты. Аннигиляция происходит и при столкновении антинейтрона с нейтроном или протоном.

Коль скоро существуют античастицы, возникает вопрос, не могут ли из античастиц образовываться антиядра. Ядра атомов обычного вещества состоят из протонов и нейтронов. Самым простым ядром является ядро изотопа обычного водорода 1 H; оно представляет собой отдельный протон. Ядро дейтерия 2 H состоит из одного протона и одного нейтрона; оно называется дейтроном. Еще один пример простого ядра – ядро 3 He, состоящее из двух протонов и одного нейтрона. Антидейтрон, состоящий из антипротона и антинейтрона, был получен в лаборатории в 1966; ядро анти- 3 He, состоящее из двух антипротонов и одного антинейтрона, было впервые получено в 1970.

Согласно современной физике элементарных частиц, при наличии соответствующих технических средств можно было бы получить антиядра всех обычных ядер. Если эти антиядра окружены надлежащим числом позитронов, то они образуют антиатомы. Антиатомы обладали бы почти в точности такими же свойствами, как и обычные атомы; они образовали бы молекулы, из них могли бы формироваться твердые тела, жидкости и газы, в том числе и органические вещества. Например, два антипротона и одно ядро антикислорода вместе с восемью позитронами могли бы образовать молекулу антиводы, сходную с обычной водой H 2 O, каждая молекула которой состоит из двух протонов ядер водорода, одного ядра кислорода и восьми электронов. Современная теория элементарных частиц в состоянии предсказать, что антивода будет замерзать при 0° С, кипеть при 100° С и в остальном вести себя подобно обычной воде. Продолжая такие рассуждения, можно прийти к выводу, что построенный из антивещества антимир был бы чрезвычайно сходен с окружающим нас обычным миром. Этот вывод служит отправной точкой теорий симметричной Вселенной, основанных на предположении, что во Вселенной равное количество обычного вещества и антивещества. Мы живем в той ее части, которая состоит из обычного вещества.

Если привести в соприкосновение два одинаковых куска из веществ противоположного типа, то произойдет аннигиляция электронов с позитронами и ядер с антиядрами. При этом возникнут гамма-кванты, по появлению которых можно судить о происходящем. Поскольку Земля по определению состоит из обычного вещества, в ней нет заметных количеств антивещества, если не считать мизерного числа античастиц, рождающихся на больших ускорителях и в космических лучах. То же самое относится и ко всей Солнечной системе.

Наблюдения показывают, что в пределах нашей Галактики возникает лишь ограниченное количество гамма-излучения. Отсюда ряд исследователей делают вывод об отсутствии в ней сколько-нибудь заметных количеств антивещества. Но этот вывод не бесспорен. В настоящее время нет способа определить, например, состоит ли данная близкая звезда из вещества или антивещества; звезда из антивещества испускает точно такой же спектр, как и обычная звезда. Далее, вполне возможно, что разреженное вещество, заполняющее пространство вокруг звезды и тождественное веществу самой звезды, отделено от областей, заполненных веществом противоположного типа – очень тонкими высокотемпературными «слоями Лейденфроста». Таким образом, можно говорить о «ячеистой» структуре межзвездного и межгалактического пространства, в которой каждая ячейка содержит либо вещество, либо антивещество. Эту гипотезу подкрепляют современные исследования, показывающие, что магнитосфера и гелиосфера (межпланетное пространство) имеют ячеистую структуру. Ячейки с разной намагниченностью и иногда также с разными температурой и плотностью разделены очень тонкими токовыми оболочками. Отсюда следует парадоксальный вывод, что указанные наблюдения не противоречат существованию антивещества даже в пределах нашей Галактики.

Если раньше не было убедительных аргументов в пользу существования антивещества, то теперь успехи рентгеновской и гамма-астрономии изменили положение. Наблюдались явления, связанные с огромным и часто в высшей степени беспорядочным выделением энергии. Вероятнее всего, источником такого энерговыделения была аннигиляция.

Шведский физик О.Клейн разработал космологическую теорию, основанную на гипотезе симметрии между веществом и антивеществом, и пришел к выводу, что процессы аннигиляции играют решающую роль в процессах эволюции Вселенной и формирования структуры галактик.

Становится все более очевидным, что основная альтернативная ей теория – теория «большого взрыва» – серьезно противоречит данным наблюдений и центральное место при решении космологических проблем в ближайшем будущем, скорее всего, займет «симметричная космология».

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.

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

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.

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция , при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц. При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8·10 17 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. Следует отметить, что порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино , которые практически не взаимодействуют с веществом.

Ведётся довольно много рассуждений на тему того, почему наблюдаемая часть Вселенной состоит почти исключительно из вещества, и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом; но на сегодняшний день наблюдаемая асимметрия вещества и антивещества во вселенной - одна из самых больших нерешённых задач физики (см. Барионная асимметрия Вселенной). Предполагается, что столь сильная асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва .

Получение

Первым объектом, целиком составленным из античастиц, был синтезированный в 1965 году анти-дейтрон ; затем были получены и более тяжёлые антиядра. В 1995 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода , состоящий из позитрона и антипротона . В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.

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.

Стоимость

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

См. также

Напишите отзыв о статье "Антивещество"

Примечания

Ссылки

• - 2011
• Пахлов, Павел. . postnauka.ru (23.05.2014).
• Пахлов, Павел. . postnauka.ru (6.03.2014).

Литература

• Власов Н. А. Антивещество. - М .: Атомиздат , 1966. - 184 с.
• Широков Ю. М. , Юдин Н. П. Ядерная физика. - М .: Наука , 1972. - 670 с.

Отрывок, характеризующий Антивещество

В ту же ночь, откланявшись военному министру, Болконский ехал в армию, сам не зная, где он найдет ее, и опасаясь по дороге к Кремсу быть перехваченным французами.
В Брюнне всё придворное население укладывалось, и уже отправлялись тяжести в Ольмюц. Около Эцельсдорфа князь Андрей выехал на дорогу, по которой с величайшею поспешностью и в величайшем беспорядке двигалась русская армия. Дорога была так запружена повозками, что невозможно было ехать в экипаже. Взяв у казачьего начальника лошадь и казака, князь Андрей, голодный и усталый, обгоняя обозы, ехал отыскивать главнокомандующего и свою повозку. Самые зловещие слухи о положении армии доходили до него дорогой, и вид беспорядочно бегущей армии подтверждал эти слухи.
«Cette armee russe que l"or de l"Angleterre a transportee, des extremites de l"univers, nous allons lui faire eprouver le meme sort (le sort de l"armee d"Ulm)», [«Эта русская армия, которую английское золото перенесло сюда с конца света, испытает ту же участь (участь ульмской армии)».] вспоминал он слова приказа Бонапарта своей армии перед началом кампании, и слова эти одинаково возбуждали в нем удивление к гениальному герою, чувство оскорбленной гордости и надежду славы. «А ежели ничего не остается, кроме как умереть? думал он. Что же, коли нужно! Я сделаю это не хуже других».
Князь Андрей с презрением смотрел на эти бесконечные, мешавшиеся команды, повозки, парки, артиллерию и опять повозки, повозки и повозки всех возможных видов, обгонявшие одна другую и в три, в четыре ряда запружавшие грязную дорогу. Со всех сторон, назади и впереди, покуда хватал слух, слышались звуки колес, громыхание кузовов, телег и лафетов, лошадиный топот, удары кнутом, крики понуканий, ругательства солдат, денщиков и офицеров. По краям дороги видны были беспрестанно то павшие ободранные и неободранные лошади, то сломанные повозки, у которых, дожидаясь чего то, сидели одинокие солдаты, то отделившиеся от команд солдаты, которые толпами направлялись в соседние деревни или тащили из деревень кур, баранов, сено или мешки, чем то наполненные.
На спусках и подъемах толпы делались гуще, и стоял непрерывный стон криков. Солдаты, утопая по колена в грязи, на руках подхватывали орудия и фуры; бились кнуты, скользили копыта, лопались постромки и надрывались криками груди. Офицеры, заведывавшие движением, то вперед, то назад проезжали между обозами. Голоса их были слабо слышны посреди общего гула, и по лицам их видно было, что они отчаивались в возможности остановить этот беспорядок. «Voila le cher [„Вот дорогое] православное воинство“, подумал Болконский, вспоминая слова Билибина.
Желая спросить у кого нибудь из этих людей, где главнокомандующий, он подъехал к обозу. Прямо против него ехал странный, в одну лошадь, экипаж, видимо, устроенный домашними солдатскими средствами, представлявший середину между телегой, кабриолетом и коляской. В экипаже правил солдат и сидела под кожаным верхом за фартуком женщина, вся обвязанная платками. Князь Андрей подъехал и уже обратился с вопросом к солдату, когда его внимание обратили отчаянные крики женщины, сидевшей в кибиточке. Офицер, заведывавший обозом, бил солдата, сидевшего кучером в этой колясочке, за то, что он хотел объехать других, и плеть попадала по фартуку экипажа. Женщина пронзительно кричала. Увидав князя Андрея, она высунулась из под фартука и, махая худыми руками, выскочившими из под коврового платка, кричала:
– Адъютант! Господин адъютант!… Ради Бога… защитите… Что ж это будет?… Я лекарская жена 7 го егерского… не пускают; мы отстали, своих потеряли…
– В лепешку расшибу, заворачивай! – кричал озлобленный офицер на солдата, – заворачивай назад со шлюхой своею.
– Господин адъютант, защитите. Что ж это? – кричала лекарша.
– Извольте пропустить эту повозку. Разве вы не видите, что это женщина? – сказал князь Андрей, подъезжая к офицеру.
Офицер взглянул на него и, не отвечая, поворотился опять к солдату: – Я те объеду… Назад!…
– Пропустите, я вам говорю, – опять повторил, поджимая губы, князь Андрей.
– А ты кто такой? – вдруг с пьяным бешенством обратился к нему офицер. – Ты кто такой? Ты (он особенно упирал на ты) начальник, что ль? Здесь я начальник, а не ты. Ты, назад, – повторил он, – в лепешку расшибу.
Это выражение, видимо, понравилось офицеру.
– Важно отбрил адъютантика, – послышался голос сзади.
Князь Андрей видел, что офицер находился в том пьяном припадке беспричинного бешенства, в котором люди не помнят, что говорят. Он видел, что его заступничество за лекарскую жену в кибиточке исполнено того, чего он боялся больше всего в мире, того, что называется ridicule [смешное], но инстинкт его говорил другое. Не успел офицер договорить последних слов, как князь Андрей с изуродованным от бешенства лицом подъехал к нему и поднял нагайку:
– Из воль те про пус тить!
Офицер махнул рукой и торопливо отъехал прочь.

Антиматерия – это материя, состоящая из античастиц, то есть частиц с точно такими же, но обратными по значению и свойствами тех частиц, противоположностями которых они являются. Каждая частица обладает своей зеркальной копией – античастицей. Античастицы протона, нейтрона и называются антипротоном, антинейтроном и позитроном, соответственно. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще более меньших частиц, называемых кварками. Антипротоны и антинейтроны состоят из антикварков.

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 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.

Большинство астрономов, все же сходятся во мнении, что антивещества все-таки не так уж и много или вообще нет в природе, иначе, как они рассуждают, во Вселенной было бы много мест где обычная материя и антиматерия сталкиваются друг с другом, что сопровождалось бы мощным потоком гамма-лучей, вызванных их аннигиляцией. Аннигиляция – это взаимоуничтожение частиц материи и антиматерии, сопровождающееся выделением энергии. Однако такие регионы не были найдены.

Одна из возможных гипотез возникновения антиматерии связана с теорией большого взрыва. Эта теория утверждает, что вся наша возникла в результате 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.

Из-за отсутствия возможности изучить свойства антиматерии в , ученые прибегают к искусственным способам образования антивещества. Для его получения используют специальные научные прибору – ускорители частиц, в которых атомы материи разгоняются до около световой скорости (300 000 км/сек). Сталкиваясь, некоторые частицы разрушаются, в результате чего образуются античастицы, из которых можно получить антиматерию. Сложной проблемой является хранение антивещества, так как, соприкоснувшись с обычной материей, антивещество уничтожается. Для этого полученные крупицы антиматерии помещают в вакуум и в , которое удерживает их в подвешенном состоянии и не дает прикоснуться к стенкам хранилища.

Не смотря на всю сложность получения и исследования антивещества, оно может предоставлять для нашей жизни множество преимуществ. Все они основаны на то факте, что при взаимодействии антиматерии с материей выделяется огромное количество энергии. Причем отношение высвобождаемой энергии к массе участвующего вещества не превзойдена ни одним видом или взрывчатого вещества. В результате аннигиляции нет никаких побочных продуктов, только чистая энергия. Поэтому ученые уже сейчас мечтают об ее применении. Например, об на антиматерии с нескончаемым ресурсом. Космические корабли с анигиляторными двигателями смогут пролетать тысячи световых лет на около световой скорости. Военным это даст возможность создать огромную по мощности , гораздо более разрушительную, чем атомная или водородная . Однако всем этим мечтам не суждено осуществится, пока мы не сможем получать недорогое антивещество в промышленных масштабах.

Почти всё, что мы детектируем на Земле и с помощью искусственных спутников, представляет собой вещество. Антивещество получается на Земле с помощью ускорителей высоких энергий. Так, например, были получены антипротоны, ядра антидейтрона, антигелия, антиатомы.
Астрономическими методами непосредственное наблюдение антиматерии невозможно, т.к. фотоны, рождающиеся при взаимодействии частиц антиматерии между собой, неотличимы от фотонов, рождающихся при взаимодействии частиц материи. Причина в том, что фотон является истинно нейтральной частицей и. В принципе материю от антиматерии можно отличить по наблюдению нейтрино ν и антинейтрино , однако в настоящее время такие наблюдения малореальны.
Если бы в ближайшем окружении Земли были области, в которых доминировала антиматерия, это должно было бы проявляться в виде аннигиляционных γ-квантов, которые образуются при аннигиляции материи и антиматерии. Важным аргументом в пользу преобладания материи над антиматерией являются космические лучи. Они являются частицами материи - протоны, электроны, атомные ядра, сделанные из протонов и нейтронов.
Образование частиц антивещества наблюдается в результате взаимодействия высокоэнергичных частиц космического излучения с атмосферой Земли. Античастицы образуются в областях с повышенной концентрацией энергии. Так, например, образование античастиц происходит в ядрах активных галактик. Как правило, в таких случаях частицы антиматерии появляются вместе с частицами материи. На следующей стадии происходит образование и аннигиляция частиц вещества и антивещества. Так, например, фотон с энергией больше 1 МэВ может в поле атомного ядра образовать электрон-позитронную пару. Образовавшийся позитрон при встрече с электроном аннигилирует, образуя чаще 2 и реже 3 γ-кванта.
Проблема существования антивещества во Вселенной является фундаментальной проблемой физики, которая связана с проблемой образования и развития Вселенной.
Существуют различные гипотезы относительно того, почему наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из материи. Существуют ли области Вселенной, в которых преобладает антиматерия? Можно ли использовать антиматерию? Причина очевидной асимметрии вещества и антивещества в видимой Вселенной одна из самых больших нерешенных загадок в современной физике. Процесс, посредством которого возникает эта асимметрия между частицами и античастицами называется бариогенезисом.
До 50-х годов ХХ века преобладало мнение, что во Вселенной одинаковое количество материи и антиматерии. Однако в середине 60-х годов работы в области теории Большого Взрыва поколебали эту точку зрения. Действительно, если в первые моменты существования горячей и плотной Вселенной количество частиц и античастиц было одинаковым, то их аннигиляция привела бы к тому, что во Вселенной осталось бы только излучение. В настоящее время большинство физиков согласно с тем, что в результате нарушения СР‑симметрии во Вселеннойв первые мгновения эволюции частиц образовалось несколько больше, чем античастиц – примерно одна частица на 10 9 пар частица-античастица. В итоге после аннигиляции осталось небольшое количество частиц.
Другая возможность объяснить доминирование вещества в «ближней» Вселенной это предположить, что антивещество сосредоточено в дальних плохо исследованных областях Вселенной. В 1979 году Флойд Стекер (Floyd Stecker)предположил, что асимметрия вещества и антивеществамогла возникнуть спонтанно в первые моменты после Большого взрыва, когда вещество и антивещество разлетелись в разные стороны.
Так как электромагнитное излучение одинаковым образом взаимодействует как с материей, так и с антиматерией, планеты, звезды и галактики из материи и антиматерии в электромагнитном излучении выглядят одинаково. Поэтому нужны другие методы поиска антивещества во Вселенной. Одним из таких методов является наблюдение антиядер в космическом пространстве. Это должны быть антиядра с массовым числом A > 4. Если бы удалось зарегистрировать вблизи Земли ядра антигелия, мы получили бы достаточно сильное свидетельство в пользу существования во Вселенной областей повышенного содержания антивещества.
Почему для поиска антиматерии следует искать ядра антигелия или более тяжелые ядра? Дело в том, что антипротоны могут образовываться при взаимодействии ультрарелятивистских протонов или других ядер космических лучей. В энергетическом спектр таких антипротонов (обычно их называют вторичными) должен наблюдаться широкий максимум в области 2 ГэВ. Другими источниками антипротонов, которые называют первичными, могут быть аннигиляция гипотетических суперсимметричных частиц, из которых, как предполагается состоит темная материя, – нейтралино и/или испарение «первичных» черных дыр. Парная аннигиляция нейтралино может приводить к рождению кварк-антикварковых струй, с последующей их адронизацией и образованием антипротонов. Первичные черные дыры могли образовываться в ранней Вселенной. Такие черные дыры с массой 10 14-15 могут довольно интенсивно испарять частицы (излучение Хокинга). Вклад таких первичных антипротонов в регистрируемый энергетический спектр можно пытаться обнаружить в низкоэнергетичной области < 1 ГэВ.
Поток вторичных антипротонов можно оценить в зависимости от принятой модели Галактики. Он достигает максимума при энергии ~10 ГэВ. В области энергией до нескольких сотен ГэВ по характеру спектра есть надежда получить информацию как о бариогенезе так и/или об аннигиляции суперсимметричных частиц и/или WIMPов.
Образование антидейтронов под действием космических лучей существенно менее вероятно. Спектр вторичных антидейтронов должен быть сдвинут в область бóльших энергий по сравнению со спектром вторичных антипротонов и быстро спадать при уменьшении энергии. Для первичных антидейтронов, образующихся при аннигиляции частиц темной материи и/или испарении первичных черных дыр, максимум спектра ожидается при энергии < 1 ГэВ. Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо разделены.
Вероятность образования ядер антигелия под действием космических лучей исчезающе мало. Действительно, для этого должны в одном месте и практически одновременно образоваться два антипротона и два антинейтрона, причем их относительные скорости дожны быть малы. В 1997 г. Паскаль Шардонэ (Pascal Chardonnet) оценил вероятность такого события. Согласно его оценкам, одно ядро антигелия может образоваться на 10 15 ультрарелятивистских протонов космических лучей. Среднее время ожидания такого события составляет 15 миллиардов лет, что сопоставимо с возрастом Вселенной.
Если во Вселенной на ранней стадии эволюции действительно образовались области пространства, в которых преобладает материя или антиматерия, то они должны разделяться, т.к. на границе этих областей образуется световое давление, которое разделяет вещество и антивещество. На границе между областями с материей и антиматерией должна происходить аннигиляция, соответственно излучаться анигиляционные гамма-кванты. Однако современные гамма-телескопы такое излучение не фиксируют. Исходя из чувствительности телескопов, были проведены оценки. Согласно им, области антивещества не могут ближе 65 миллионов световых лет. Таким образом, таких областей нет не только в нашей галактике, но и в нашем скоплении галактик, включающей в себя кроме Млечного пути еще 50 других галактик.
Регистрация ядер антигелия образовавшихся на таких расстояниях представляет собой сложную проблему. Не так просто ядру антигелия долететь с такого далекого расстояния до детектора и быть зарегистрированным. В частности, оно может «запутаться» в галактических и межгалактических магнитных полях и таким образом никогда не отлететь далеко от места своего образования. Кроме того, антигелию постоянно будет грозить опасность аннигиляции. И, наконец, детектор не слишком большая мишень, чтобы в него можно было легко попасть с такого гигантского расстояния. Поэтому эффективность регистрации ядер антигелия крайне низка.
В условиях «путешествия» антигелия очень много неясного, что не позволяет оценить вероятности регистрации ядер . Всегда сохраняется возможность того, что будь детектор чуть более чувствительный, и открытие бы произошло.
Ясно только, что время «путешествия» антиядра небольшой энергии может быть меньше, чем время существования Вселенной. Поэтому охотиться надо за высокоэнергетичными антиядрами. Кроме того, у таких ядер больше шансов преодолеть галактический космический ветер.
Что касается позитронов и антипротонов, то их тоже могут излучать гипотетические области антиматерии и давать вклад в измеряемые вблизи Земли спектры. По сравнению с антипротонами позитроны сложнее регистрировать. Это связано с тем, что потоки протонов, которые являются источником фона, в 10 3 больше, чем потоки позитронов. Сигналы от позитронов, прилетевших от областей антиматерии, могут «потонуть» в сигналах от позитронов, возникших в результате других процессов. Между тем, происхождение позитронов в космических лучах также до конца не известно. Есть ли в космических лучах первичные позитроны? Есть ли связь между избытком антипротонов и позитронов? Для прояснения ситуации необходимо измерение спектров позитронов в широком энергетическом диапазоне.
Первый запуск прибора для исследования космических лучей в верхние слои атмосферы с помощьювоздушного шара осуществилв 1907 году Виктор Гесс . Вплоть до начала 50-х годов ХХ века изучение космических лучей было источником наиболее важных открытий в физике частиц. Начиная с 1979 г. в таких экспериментах наблюдались антипротоны (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, p.330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Они открыли новые возможности в исследовании антиматерии и темной материи.В современных исследованиях космических лучей используются методики, разработанной для экспериментов на ускорителях.
До последнего времени почти вся информация об античастицах в космических лучах была получена с помощью детекторов, запускаемых в высокие слои атмосферы на воздушных шарах. При этом возникло подозрение, что антипротонов больше, чем следовало из оценок вероятности их возникновения в результате взаимодействия космических лучей с межзвездной средой (вторичных антипротонов). Предлагаемые для объяснения «избыточных» антипротонов механизмы давали различные предсказания для энергетических спектров антипротонов. Однако непродолжительное время полёта воздушного шара и наличие остатков земной атмосферы ограничивали возможности такого рода экспериментов. Данные имели большую неопределённость, кроме того, не простирались по энергии далее 20 ГэВ.
Для регистрации античастиц используются большие воздушные шары (до 3 млн. кубических метров), способные поднять на высоту ~40 км тяжелые детекторы массой до 3 т. Как правило, как Монгольфье они открыты внизу, и теряют гелий, при падении наружной температуры. В большинстве случаев продолжительность полета не превышает 24 часа. Кроме того, температуры атмосферы, после быстрого уменьшения с нуля до 20–25 км, начинает расти, достигая максимума на высоте ~40 км, после чего начинает снова уменьшаться. Так как при понижении температуры наружного воздуха объем воздушного шара уменьшается, максимальная высота подъема не может быть выше, чем ~40 км. На этой высоте атмосфера еще довольно плотная, и поток антипротонов с энергиями в несколько десятков ГэВ, образующихся при взаимодействии первичных космических лучей с остаточной атмосферой, превышает поток антипротонов, образующихся в галактической среде. Для более высоких энергий зарегистрированных частиц ошибки становятся слишком большими, чтобы получить надежные результаты.
В последнее время начали осуществляться более длительные полеты (до 20 дней). В них также используются открытые шары, но потери гелия были существенно снижены, за счет того, что запуски шаров-зондов осуществлялись в очень высоких широтах, вблизи полюсов, во время полярного дня. Однако, масса их полезной нагрузки, при полетах на высоту 40км не превышает 1 т. Это слишком мало для измерения потоков антивещества при высоких энергиях. Для реализации сверхдлительных полетов на воздушных шарах (около100 дней) предполагается использовать и закрытые шары. Они толще и тяжелее, не теряют гелия и могут выдержать разность давлений внутри и снаружи. Они могут поднимать относительно легкие инструменты, менее 1 т.

Рис. 20.1. Запуск шара-зонда с физической аппаратурой.

Рис. 20.2. Детектор космического излучения BESS-Polar II. Спектрометр (1) с солнечными батареями (2).

Поиск антигелия с помощью спектрометров на воздушных шарах осуществлялся в рамках эксперимента BESS (B alloon-borne E xperiment with S uperconducting S pectrometer) (рис. 20.2). С 1993 г. по 2000 г. спектрометры BESS неоднократно запускались в верхние слои атмосферы в северной Канаде. Длительность полетов была около одних суток. Спектрометр постоянно совершенствовался и повышалась чувствительность. Суммарная чувствительность для отношения гелий/антигелий, достигнутая в этой серии полетов ~6.8×10 −7 в диапазоне жесткости 1-14 ГВ. В эксперименте BESS-TeV (2001 г.) диапазон жесткости спектрометра был увеличен до 500 ГВ и достигнута чувствительность 1.4×10 −4 . Для увеличения статистики в 2004-2008 гг. многодневные полеты усовершенствованных спектрометров (0.6-20 ГВ) осуществлялись в Антарктике. В 2004-2005 гг – в полете BESS-Polar I, длившемся 8.5 дней, была достигнута чувствительность 8×10 −6 . В 2007-2008 гг. в полете BESS-Polar II (длительность измерений 24.5 дня) была достигнута чувствительность 9.8×10 −8 . Суммарная чувствительность с учетом всех полетов BESS достигла величины 6.7×10 −8 . Ни одного ядра антигелия обнаружено не было.
Магнитный спектрометр, который использовался в полете BESS-Polar II состоит сверхпроводящего соленоидального магнита со сверхтонкими стенками, центрального трекера (JET/IDC), время-пролетного годоскопа (TOF) и черенковского детектора (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Спектрометр эксперимента BESS-Polar II в разрезе.

Время-пролетный годоскоп позволяет измерять скорость (β) и энергетические потери (dE/dx). Он состоит из верхнего и нижнего пластиковых сцинтилляционных счетчиков, составленных из 10 и 12 сцинтилляционных полосок (100×950×10 мм). Временное разрешение системы времени пролета ~70 пс. Кроме того, есть еще третий сцинтилляционный счетчик (Middle-TOF), который находится внутри соленоида и состоит из 64 стержней пластикового сцинтиллятора. Он позволяет понизить энергетический порог регистрации, за счет частиц, которые не способны пролететь нижнюю часть соленоида.
Дрейфовые камеры находятся в однородном поле магнита. По 28 точкам, в каждой с точностью 200 мкм, рассчитывается кривизна траектории влетающей в спектрометр частицы, что позволяет определить eё магнитную жесткость R = pc/Ze и знак заряда.
Аэрогелиевый черенковский счетчик позволяет сепарировать сигналы от антипротонов и антидейтронов от фона e - /μ - .

Рис. 20.4. Идентификация частиц в установке BESS.

Идентификация частиц проводится по массе (рис. 20.4), которая связана с измеренными с помощью время-пролетных счетчиков и дрейфовых камер жесткостью R, скоростью частицы β и потерями энергии dE/dx соотношением

Для этого выделяются соответствующие области на двумерных распределениях dE/dx – |R| и β -1 – R.

Антипротонный радиационный пояс Земли

Коллаборацией PAMELA был обнаружен радиационный пояс вокруг Земли в области Южной Атлантической аномалии. Были измерены спектры антипротонов и протонов непосредственно в радиационном поясе и вне радиационного пояса (рис. 20.5, 20.6).
Показано, что антипротоны, которые регистрировались детекторными установками, установленными на баллонах и спутниках имеют вторичное происхождение. Они образуются в результате взаимодействия галактических космических лучей с межзвездным веществом или атмосферой в реакции pp → ppp. Однако существенно больший вклад вносит распад альбедных антинейтронов (антинейтронов, поток которых направлен от Земли), возникающих в реакции
pp → ppn. Эти антинейтроны проходят сквозь геомагнитное поле и распадаются, образуя антипротоны → + e + + ν e . Часть из образовавшихся антипротонов может быть захвачена магнитосферой,образуя радиационный пояс антипротонов. Так же как основным источником радиационного пояса протонов является распад нейтронов альбедо, так и распад антинейтронов приводит к образованию пояса антипротонов.
Из экспериментальных данных следует, что плотность антипротонов в радиационном поясе на 3–4 порядка больше, чем плотность антипротонов вне радиационного пояса. Форма спектра антипротонов, образованных непосредственно в результате взаимодействия галактических космических лучей практически совпадает с формой спектра антипротонов вне радиационного пояса антипротонов.
Проблема обнаружения антиматерии во Вселенной далека от решения. Активный поиск антиматерии предусмотрен в программах космических телескопов Ферми и др.