Neseniai ALICE bendradarbiavimo CERN nariai rekordiškai tiksliai išmatavo antimedžiagų branduolių mases ir netgi įvertino energiją, kuri juose suriša antiprotonus su antineutronais. Kol kas reikšmingo skirtumo tarp šių parametrų materijoje ir antimedžiagoje nerasta, tačiau tai nėra pagrindinis dalykas. Svarbu, kad dabar, per pastaruosius kelerius metus, matavimams ir stebėjimams tampa prieinami ne tik antidalelės, bet ir antibranduoliai ir net antiatomai. Tai reiškia, kad laikas išsiaiškinti, kas yra antimedžiaga ir kokią vietą jos tyrimai užima šiuolaikinėje fizikoje.
Pabandykime atspėti keletą pirmųjų klausimų apie antimedžiagą.
Ar tiesa, kad naudojant antimateriją galima pagaminti itin galingą bombą? Ar gali būti, kad CERN iš tikrųjų kaupiama antimedžiaga, kaip parodyta filme „Angelai ir demonai“, ir tai yra labai pavojinga? Ar tiesa, kad antimedžiaga bus itin efektyvus kuras keliaujant į kosmosą? Ar yra tiesos pozitroninių smegenų idėja, kurią Isaacas Asimovas savo darbuose apdovanojo robotais?
Ne paslaptis, kad daugumai žmonių antimedžiaga asocijuojasi su kažkuo itin (sprogstamai) pavojingu, su kažkuo įtartina, su kažkuo, kas žadina vaizduotę fantastiškais pažadais ir didžiulėmis rizikomis – iš čia tokie klausimai. Pripažinkime: fizikos dėsniai viso to tiesiogiai nedraudžia. Tačiau šių idėjų įgyvendinimas yra taip toli nuo realybės, nuo šiuolaikinių technologijų ir nuo ateinančių dešimtmečių technologijų, kad pragmatiškas atsakymas paprastas: ne, šiuolaikiniam pasauliui tai netiesa. Pokalbis šiomis temomis yra tiesiog fantazija, paremta ne tikrais mokslo ir technikos pasiekimais, o jų ekstrapoliacija, gerokai peržengusia šiuolaikinių galimybių ribas. Jei norite rimtai pasikalbėti šiomis temomis, priartėkite prie 2100 m. Kol kas pakalbėkime apie tikrus mokslinius antimaterijos tyrimus.
Kas yra antimedžiaga?
Mūsų pasaulis sukurtas taip, kad kiekvienam dalelių tipui – elektronams, protonams, neutronams ir kt. - yra antidalelių (pozitronų, antiprotonų, antineutronų). Jie turi tą pačią masę ir, jei yra nestabilūs, tą patį pusinės eliminacijos periodą, tačiau turi priešingus krūvius ir kitus sąveiką apibūdinančius skaičius. Pozitronai turi tokią pat masę kaip elektronai, bet tik teigiamą krūvį. Antiprotonai turi neigiamą krūvį. Antineutronai yra elektriškai neutralūs, kaip ir neutronai, tačiau turi priešingą barionų skaičių ir yra sudaryti iš antikvarkų. Antibranduolys gali būti surinktas iš antiprotonų ir antineutronų. Pridėję pozitronų sukuriame antiatomus, o juos kaupdami gauname antimedžiagą. Visa tai yra antimedžiaga.
Ir čia yra keletas įdomių subtilybių, apie kurias verta kalbėti. Visų pirma, pats antidalelių egzistavimas yra didžiulis teorinės fizikos triumfas. Šią neakivaizdžią, o kai kuriems net šokiruojančią idėją teoriškai išvedė Paulas Diracas ir iš pradžių ji buvo sutikta priešiškai. Be to, net atradus pozitronus, daugelis vis dar abejojo antiprotonų egzistavimu. Pirma, jie sakė, kad Diracas sukūrė savo teoriją elektronui apibūdinti, ir nėra faktas, kad ji veiks protonui. Pavyzdžiui, protono magnetinis momentas kelis kartus skiriasi nuo Dirako teorijos prognozės. Antra, jie ilgai ieškojo antiprotonų pėdsakų kosminiuose spinduliuose, bet nieko nerasta. Trečia, jie ginčijosi – pažodžiui kartodami mūsų žodžius – kad jei yra antiprotonai, tai turi būti antiatomai, antižvaigždės ir antigalaktikos, ir mes tikrai juos pastebėtume grandioziniuose kosminiuose sprogimuose. Kadangi mes to nematome, tikriausiai todėl, kad antimedžiagos nėra. Todėl eksperimentinis antiprotono atradimas 1955 metais naujai paleistame Bevatron greitintuvu buvo gana nebanalus rezultatas, 1959 metais apdovanotas Nobelio fizikos premija. 1956 m. tame pačiame greitintuve buvo aptiktas antineutronas. Šių ieškojimų, abejonių ir pasiekimų istoriją galima rasti daugelyje istorinių esė, pavyzdžiui, šioje ataskaitoje arba neseniai išleistoje Franko Close'o knygoje „Animaterija“.
Tačiau reikia atskirai pasakyti, kad sveika abejonė grynai teoriniuose teiginiuose visada naudinga. Pavyzdžiui, teiginys, kad antidalelės turi tokią pat masę kaip dalelės, taip pat yra teorinis rezultatas, išplaukia iš labai svarbios CPT teoremos. Taip, šiuo teiginiu paremta moderni, eksperimentiškai patikrinta mikropasaulio fizika. Bet tai vis tiek yra lygybė: kas žino, gal taip atrasime teorijos pritaikomumo ribas.
Kitas bruožas: ne visos mikropasaulio jėgos vienodai susijusios su dalelėmis ir antidalelėmis. Elektromagnetinei ir stipriai sąveikai tarp jų nėra skirtumo, silpnoms – yra. Dėl šios priežasties skiriasi kai kurios subtilios dalelių ir antidalelių sąveikos detalės, pavyzdžiui, dalelės A skilimo į dalelių B rinkinį ir anti-A į anti-B rinkinį tikimybės (daugiau informacijos apie skirtumus, žr. Pavelo Pakhovo kolekciją). Ši savybė atsiranda todėl, kad silpna sąveika pažeidžia mūsų pasaulio CP simetriją. Tačiau kodėl taip nutinka, yra viena iš elementariųjų dalelių paslapčių, todėl reikia peržengti žinomumo ribas.
Štai dar vienas subtilumas: kai kurios dalelės turi tiek mažai savybių, kad antidalelės ir dalelės visiškai nesiskiria viena nuo kitos. Tokios dalelės vadinamos tikrai neutraliomis. Tai fotonas, Higso bozonas, neutralūs mezonai, susidedantys iš to paties tipo kvarkų ir antikvarkų. Tačiau situacija su neutrinais vis dar neaiški: gal jie tikrai neutralūs (Majorana), o gal ir ne. Tai labai svarbu teorijai, apibūdinančiai neutrinų mases ir sąveiką. Atsakymas į šį klausimą tikrai bus didelis žingsnis į priekį, nes jis padės suprasti mūsų pasaulio struktūrą. Eksperimentas dar nepasakė nieko vienareikšmiško apie tai. Tačiau eksperimentinė neutrinų tyrimo programa yra tokia galinga, atliekama tiek daug eksperimentų, kad fizikai pamažu artėja prie sprendimo.
Kur yra ši antimedžiaga?
Kai antidalelė susitinka su savo dalele, ji anihiliuojasi: abi dalelės išnyksta ir virsta fotonų ar lengvesnių dalelių rinkiniu. Visa poilsio energija virsta šio mikrosprogimo energija. Tai pats efektyviausias masės pavertimas šilumine energija, šimtus kartų efektyvesnis už branduolinį sprogimą. Bet mes nematome aplinkui grandiozinių gamtos sprogimų; Antimedžiagos gamtoje nėra pastebimų kiekių. Tačiau atskiros antidalelės gali gimti įvairiuose natūraliuose procesuose.
Lengviausias būdas yra sukurti pozitronus. Paprasčiausias variantas – radioaktyvumas, kai kurių branduolių irimas dėl teigiamo beta radioaktyvumo. Pavyzdžiui, eksperimentuose kaip pozitronų šaltinis dažnai naudojamas natrio izotopas-22, kurio pusinės eliminacijos laikas yra du su puse metų. Kitas, gana netikėtas natūralus šaltinis, kurio metu kartais aptinkami gama spinduliuotės blyksniai dėl pozitronų anihiliacijos, o tai reiškia, kad ten kažkaip gimė pozitronai.
Sunkiau sukurti antiprotonus ir kitas antidaleles: tam nepakanka radioaktyvaus skilimo energijos. Gamtoje jie gimsta veikiami didelės energijos kosminių spindulių: kosminis protonas, susidūręs su kokia nors molekule viršutiniuose atmosferos sluoksniuose, sukuria dalelių ir antidalelių srautus. Tačiau taip atsitinka ten, antiprotonai beveik niekada nepasiekia žemės (kas buvo nežinoma tiems, kurie 40-aisiais ieškojo antiprotonų kosminiuose spinduliuose), ir jūs negalite atnešti šio antiprotonų šaltinio į laboratoriją.
Visuose fiziniuose eksperimentuose antiprotonai gaminami naudojant „žalia jėgą“: jie paima didelės energijos protonų spindulį, nukreipia jį į taikinį ir išrūšiuoja „hadronų likučius“, kurių susidaro dideli kiekiai šio susidūrimo metu. Surūšiuoti antiprotonai išvedami pluošto pavidalu, o tada jie arba pagreitinami iki didelės energijos, kad galėtų susidurti su protonais (taip veikė, pavyzdžiui, amerikietiškas greitintuvas Tevatron), arba, atvirkščiai, sulėtinamas ir naudojami subtilesniems matavimams.
CERN, kuris pagrįstai gali didžiuotis ilga antimedžiagos tyrimų istorija, yra specialus „akceleratorius“ AD, „Antiproton Moderator“, kuris atlieka būtent šią užduotį. Jis paima antiprotonų spindulį, juos atvėsina (t. y. sulėtina), o paskui paskirsto lėtųjų antiprotonų srautą per kelis specialius eksperimentus. Beje, jei norite pažvelgti į AD būseną realiu laiku, tada Cernov internetiniai monitoriai tai leidžia.
Jau labai sunku susintetinti antiatomus, net pačius paprasčiausius, antivandenilio atomus. Gamtoje jie visai neatsiranda – nėra tinkamų sąlygų. Netgi laboratorijoje reikia įveikti daugybę techninių sunkumų, kol antiprotonai susijungs su pozitronais. Problema ta, kad iš šaltinių skleidžiami antiprotonai ir pozitronai vis dar per karšti; jie tiesiog susidurs vienas su kitu ir išsiskirs, o ne sudarys antiatomą. Fizikai vis dar įveikia šiuos sunkumus, tačiau gana gudriais metodais (kaip daroma viename iš ASACUSA Cern eksperimentų).
Kas žinoma apie antinukleus?
Visi žmonijos antiatominiai pasiekimai yra susiję tik su antivandeniliu. Kitų elementų antiatomai dar nebuvo susintetinti laboratorijoje ar stebėti gamtoje. Priežastis paprasta: antibranduolius sukurti dar sunkiau nei antiprotonus.
Vienintelis mums žinomas antibranduolių kūrimo būdas yra susidurti su sunkiaisiais didelės energijos branduoliais ir pamatyti, kas ten vyksta. Jei susidūrimo energija yra didelė, tūkstančiai dalelių, įskaitant antiprotonus ir antineutronus, gims ir išsisklaidys į visas puses. Netyčia viena kryptimi išspinduliuoti antiprotonai ir antineutronai gali susijungti vienas su kitu ir sudaryti antibrandulį.
ALICE detektorius gali atskirti skirtingus branduolius ir antibranduolius pagal jų energijos išsiskyrimą ir sukimosi kryptį magnetiniame lauke.
Vaizdas: CERN
Metodas paprastas, bet ne per daug neefektyvus: tikimybė susintetinti branduolį tokiu būdu smarkiai sumažėja, kai didėja nukleonų skaičius. Lengviausi antibranduoliai, antideuteronai, pirmą kartą buvo pastebėti lygiai prieš pusę amžiaus. Antihelis-3 buvo pastebėtas 1971 m. Taip pat žinomi antitritonai ir antihelis-4, pastarasis buvo atrastas visai neseniai, 2011 m. Sunkesnių antibranduolių dar nepastebėta.
Du parametrai, apibūdinantys nukleono ir nukleono sąveiką (sklaidos ilgis f0 ir efektyvusis spindulys d0) skirtingoms dalelių poroms. Raudona žvaigždutė yra antiprotonų poros, gautos bendradarbiaujant STAR, rezultatas.
Deja, tokiu būdu negalima pagaminti antiatomų. Antibranduoliai ne tik gaminami retai, bet ir turi per daug energijos ir išskrenda į visas puses. Bandyti juos sugauti prie greitintuvo, o paskui nunešti per specialų kanalą ir atvėsinti yra nerealu.
Tačiau kartais pakanka atidžiai sekti skrendančius antibranduolius, kad gautumėte įdomios informacijos apie antibranduolines jėgas, veikiančias tarp antinukleonų. Paprasčiausias dalykas yra kruopščiai išmatuoti antibranduolių masę, palyginti ją su antiprotonų ir antineutronų masių suma ir apskaičiuoti masės defektą, t.y. branduolinę rišamąją energiją. Neseniai jis veikia Didžiajame hadronų greitintuve; Antideuterono ir antihelio-3 surišimo energija paklaidos ribose sutapo su įprastais branduoliais.
Kitas, subtilesnis poveikis buvo ištirtas STAR eksperimentu Amerikos sunkiųjų jonų greitintuve RHIC. Jis išmatavo pagamintų antiprotonų kampinį pasiskirstymą ir išsiaiškino, kaip jis keičiasi, kai du antiprotonai išspinduliuojami labai artima kryptimi. Koreliacijos tarp antiprotonų pirmą kartą leido išmatuoti tarp jų veikiančių „antbranduolinių“ jėgų savybes (sklaidos ilgį ir efektyvų sąveikos spindulį); jie sutapo su tuo, kas žinoma apie protonų sąveiką.
Ar erdvėje yra antimedžiagos?
Kai Paulius Diracas iš savo teorijos padarė išvadą apie pozitronų egzistavimą, jis visiškai manė, kad tikri antipasauliai gali egzistuoti kažkur erdvėje. Dabar žinome, kad matomoje Visatos dalyje nėra žvaigždžių, planetų ar galaktikų iš antimedžiagos. Esmė net ne ta, kad naikinimo sprogimai nėra matomi; Tiesiog visiškai neįsivaizduojama, kaip jie kada nors galėjo susiformuoti ir išlikti iki šių dienų nuolat besivystančioje visatoje.
Tačiau klausimas „kaip tai atsitiko“ yra dar viena didžiulė šiuolaikinės fizikos paslaptis; moksline kalba ji vadinama bariogenezės problema. Remiantis kosmologiniu pasaulio paveikslu, ankstyviausioje visatoje dalelių ir antidalelių buvo vienodas skaičius. Tada dėl CP simetrijos ir bariono skaičiaus pažeidimo dinamiškai besivystančioje visatoje turėjo atsirasti nedidelis, vienos milijardosios dalies, medžiagos perteklius virš antimedžiagos. Visatai atvėsus, visos dalelėmis atkaitintos antidalelės išliko tik šis materijos perteklius, dėl kurio atsirado visata, kurią stebime. Būtent dėl jo jame bent kažkas įdomaus išlieka, jo dėka mes išvis egzistuojame. Kaip tiksliai atsirado ši asimetrija, nežinoma. Yra daug teorijų, bet kuri iš jų yra tiesa, nežinoma. Tik aišku, kad tai tikrai turi būti kažkokia naujoji fizika, teorija, kuri peržengia standartinį modelį, už ribų to, kas buvo patikrinta eksperimentiškai.
Trys variantai, iš kur gali kilti antidalelės didelės energijos kosminiuose spinduliuose: 1 - jos gali tiesiog atsirasti ir įsibėgėti „kosminiame greitintuve“, pavyzdžiui, pulsaryje; 2 - jie gali gimti įprastų kosminių spindulių susidūrimo su tarpžvaigždinės terpės atomais metu; 3 – jie gali atsirasti irstant sunkiosioms tamsiosios medžiagos dalelėms.
Nors planetų ar žvaigždžių iš antimedžiagos nėra, antimedžiagos vis dar yra erdvėje. Skirtingos energijos pozitronų ir antiprotonų srautus fiksuoja palydovinės kosminių spindulių observatorijos, tokios kaip PAMELA, Fermi, AMS-02. Tai, kad pozitronai ir antiprotonai ateina pas mus iš kosmoso, reiškia, kad jie gimsta kažkur ten. Didelės energijos procesai, galintys juos generuoti, iš esmės žinomi: tai labai įmagnetintos neutroninių žvaigždžių apylinkės, įvairūs sprogimai, kosminių spindulių pagreitis smūginės bangos frontuose tarpžvaigždinėje terpėje ir kt. Kyla klausimas, ar jie gali paaiškinti visas pastebėtas kosminių antidalelių srauto savybes. Jei paaiškės, kad ne, tai bus įrodymas, kad kai kurie iš jų atsiranda dėl tamsiosios medžiagos dalelių irimo ar sunaikinimo.
Čia taip pat yra paslaptis. 2008 m. PAMELA observatorija aptiko įtartinai daug didelės energijos pozitronų, palyginti su tuo, ką numatė teorinis modeliavimas. Šiuos rezultatus neseniai patvirtino AMS-02 instaliacija – vienas iš Tarptautinės kosminės stoties modulių ir apskritai didžiausias elementariųjų dalelių detektorius, paleistas į kosmosą (ir surinktas, spėkite kur? – teisingai, CERN). Šis pozitronų perteklius jaudina teoretikų mintis – juk už tai gali būti atsakingi ne „nuobodūs“ astrofiziniai objektai, o sunkiosios tamsiosios medžiagos dalelės, kurios suyra arba anihiliuojasi į elektronus ir pozitronus. Aiškumo čia dar nėra, bet AMS-02 instaliacija, taip pat daugelis kritiškai nusiteikusių fizikų labai atidžiai tiria šį reiškinį.
Antiprotonų ir protonų santykis skirtingos energijos kosminiuose spinduliuose. Taškai yra eksperimentiniai duomenys, įvairiaspalvės kreivės yra astrofiziniai lūkesčiai su įvairiomis paklaidomis.
Vaizdas: Kornelio universiteto biblioteka
Situacija su antiprotonais taip pat neaiški. Šių metų balandį specialioje mokslinėje konferencijoje AMS-02 pristatė preliminarius naujo tyrimų ciklo rezultatus. Pagrindinis ataskaitos akcentas buvo teiginys, kad AMS-02 mato per daug didelės energijos antiprotonų – ir tai taip pat gali būti užuomina į tamsiosios medžiagos dalelių irimą. Tačiau kiti fizikai nesutinka su tokia linksma išvada. Dabar manoma, kad AMS-02 antiprotoniniai duomenys gali būti paaiškinti įprastiniais astrofiziniais šaltiniais. Vienaip ar kitaip, visi nekantriai laukia naujų pozitronų ir antiprotonų duomenų iš AMS-02.
AMS-02 jau aptiko milijonus pozitronų ir ketvirtį milijono antiprotonų. Tačiau šios instaliacijos kūrėjai turi šviesią svajonę – pagauti bent vieną antibranduolį. Tai bus tikra sensacija – visiškai neįtikėtina, kad kur nors kosmose gimtų ir pas mus skristų antibranduoliai. Kol kas tokio atvejo neaptikta, tačiau duomenų rinkimas tęsiasi, o kas žino, kokių staigmenų mums paruošia gamta.
Antimedžiaga – antigravitacija? Kaip ji net jaučia gravitaciją?
Jei remsimės tik eksperimentiškai patikrinta fizika ir nesileisime į egzotiškas, dar nepatvirtintas teorijas, tai gravitacija turėtų veikti antimateriją lygiai taip pat, kaip ir materiją. Antimaterijos antigravitacijos nesitikima. Jei leisime sau pažvelgti šiek tiek toliau, už žinomų ribų, tai grynai teoriškai galimi variantai, kai be įprastos visuotinės gravitacinės jėgos yra kažkas papildomo, kuris skirtingai veikia materiją ir antimateriją. Kad ir kokia iliuzinė ši galimybė atrodytų, ją reikia patikrinti eksperimentiškai, o tam būtina atlikti eksperimentus ir patikrinti, kaip antimedžiaga jaučia žemės gravitaciją.
Ilgą laiką to tikrai nebuvo įmanoma padaryti dėl tos paprastos priežasties, kad tam reikia sukurti atskirus antimedžiagos atomus, juos sugauti ir su jais atlikti eksperimentus. Dabar mes išmokome tai padaryti, todėl ilgai lauktas testas jau visai šalia.
Pagrindinis rezultatų tiekėjas yra tas pats CERN, turintis plačią antimedžiagų tyrimo programą. Kai kurie iš šių eksperimentų jau netiesiogiai patvirtino, kad antimedžiagos gravitacija yra gera. Pavyzdžiui, jis atrado, kad (inertinė) antiprotono masė labai tiksliai atitinka protono masę. Jei gravitacija būtų kitaip veikusi antiprotonus, fizikai būtų pastebėję skirtumą – juk palyginimas buvo atliktas toje pačioje instaliacijoje ir tomis pačiomis sąlygomis. Šio eksperimento rezultatas: gravitacijos poveikis antiprotonams sutampa su poveikiu protonams geresniu nei vienos milijoninės dalies tikslumu.
Tačiau šis matavimas yra netiesioginis. Kad būtų įtikinamesnis, norėčiau atlikti tiesioginį eksperimentą: paimti kelis antimedžiagos atomus, numesti juos ir pažiūrėti, kaip jie patenka į gravitacinį lauką. Tokie eksperimentai taip pat atliekami arba rengiami CERN. Pirmasis bandymas nebuvo labai įspūdingas. 2013 m. ALPHA eksperimentas, kuris tuo metu jau išmoko savo spąstuose laikyti antivandenilio debesį, bandė nustatyti, kur antiatomai nukris, jei spąstai būtų išjungti. Deja, dėl mažo eksperimento jautrumo vienareikšmio atsakymo gauti nepavyko: praėjo per mažai laiko, spąstuose pirmyn ir atgal veržėsi antiatomai, šen bei ten pasitaikydavo susinaikinimo protrūkių.
Kiti du Cern eksperimentai žada radikaliai pagerinti situaciją: GBAR ir AEGIS. Abu šie eksperimentai skirtingais būdais išbandys, kaip itin šalto antivandenilio debesis patenka į gravitacinį lauką. Numatomas jų tikslumas, matuojant antimedžiagos gravitacijos pagreitį, yra apie 1%. Šiuo metu abu įrenginiai yra surinkimo ir derinimo stadijoje, o pagrindiniai tyrimai prasidės 2017 m., kai AD antiprotonų moderatorių papildys naujas ELENA saugojimo žiedas.
Pozitronų elgsenos kietojoje medžiagoje variantai.
Vaizdas: nature.com
Kas atsitiks, jei pozitronas pateks į materiją?
Molekulinio pozitronio susidarymas ant kvarco paviršiaus.
Nuotrauka: Clifford M. Surko / Atominė fizika: antimedžiagos sriubos dvelksmas
Jei perskaitėte iki šiol, tai jau puikiai žinote, kad kai tik antimedžiagos dalelė patenka į įprastą medžiagą, įvyksta anihiliacija: dalelės ir antidalelės išnyksta ir virsta spinduliuote. Bet kaip greitai tai įvyksta? Įsivaizduokime pozitroną, kuris skrido iš vakuumo ir pateko į kietą medžiagą. Ar jis sunaikins susilietus su pirmuoju atomu? Visai nebūtina! Elektrono ir pozitrono anihiliacija nėra momentinis procesas; tam reikia ilgo laiko atominėmis svarstyklėmis. Todėl pozitronui pavyksta nugyventi šviesų gyvenimą materijoje, kupiną nereikšmingų įvykių.
Pirma, pozitronas gali paimti našlaitį elektroną ir sudaryti surištą būseną – pozitronį (Ps). Atsižvelgiant į tinkamą sukimosi orientaciją, pozitronis gali gyvuoti dešimtis nanosekundžių iki anihiliacijos. Būdamas kietoje medžiagoje, per šį laiką jis turės laiko susidurti su atomais milijonus kartų, nes pozitronio šiluminis greitis kambario temperatūroje yra apie 25 km/sek.
Antra, dreifuodamas medžiagoje, pozitronis gali iškilti į paviršių ir ten prilipti - tai pozitroninis (tiksliau, pozitronio) atominės adsorbcijos analogas. Kambario temperatūroje jis nesėdi vienoje vietoje, bet aktyviai keliauja paviršiumi. Ir jei tai ne išorinis paviršius, o nanometro dydžio pora, tai pozitronis joje įstringa ilgą laiką.
Toliau - daugiau. Standartinėje tokių eksperimentų medžiagoje – akytajame kvarce – poros nėra izoliuotos, o nanokanalais sujungtos į bendrą tinklą. Šiltas pozitronis, šliaužiantis palei paviršių, turės laiko ištirti šimtus porų. O kadangi tokiuose eksperimentuose susidaro daug pozitronio ir beveik visi jie iššliaužia į poras, anksčiau ar vėliau jie atsitrenkia vienas į kitą ir sąveikaudami kartais suformuoja tikras molekules – molekulinį pozitronį, Ps 2. Tada galite ištirti, kaip elgiasi pozitronio dujos, kokias sužadinimo būsenas turi pozitronis ir pan. Ir nemanykite, kad tai grynai teoriniai svarstymai; Visi šie poveikiai jau buvo išbandyti ir tiriami eksperimentiškai.
Ar antimedžiaga turi praktinį pritaikymą?
Žinoma. Apskritai, bet koks fizinis procesas, jei jis atveria mums kokį nors naują mūsų pasaulio aspektą ir nereikalauja jokių papildomų išlaidų, tikrai ras praktinio pritaikymo. Be to, tokių pritaikymų, kurių patys nebūtume atspėję, jei nebūtume atradę ir iš pradžių ištyrę mokslinę šio reiškinio pusę.
Geriausiai žinomas antidalelių pritaikymas yra PET, pozitronų emisijos tomografija. Apskritai branduolinė fizika turi įspūdingų medicinos taikymo rezultatų, o antidalelės čia taip pat nenaudojamos. Naudojant PET, į paciento organizmą įšvirkščiama nedidelė vaisto dozė, kurioje yra nestabilus izotopas, kurio gyvavimo laikas trumpas (nuo minučių iki valandų) ir kuris suyra dėl teigiamo beta skilimo. Vaistas kaupiasi norimuose audiniuose, branduoliai skyla ir išskiria pozitronus, kurie anihiliuojasi šalia ir gamina du tam tikros energijos gama kvantus. Detektorius juos užregistruoja, nustato jų atvykimo kryptį ir laiką, atkuria vietą, kurioje įvyko irimas. Tai leidžia sudaryti trimatį medžiagos pasiskirstymo žemėlapį su didele erdvine skiriamąja geba ir minimalia spinduliuotės doze.
Pozitronai taip pat gali būti naudojami medžiagų moksle, pavyzdžiui, matuojant medžiagos poringumą. Jei medžiaga yra ištisinė, tai pozitronai, įstrigę medžiagoje pakankamame gylyje, gana greitai anihiliuojasi ir skleidžia gama spindulius. Jei medžiagos viduje yra nanoporų, anihiliacija vėluoja, nes pozitronis prilimpa prie poros paviršiaus. Išmatavus šį delsą, galima nustatyti medžiagos nanoporingumo laipsnį taikant nekontaktinį ir neardomąjį metodą. Šią techniką iliustruoja naujausi darbai apie tai, kaip nanoporos atsiranda ir užsidaro ploniausiame ledo sluoksnyje, kai ant paviršiaus nusėda garai. Panašus metodas taip pat veikia tiriant puslaidininkių kristalų struktūrinius defektus, pavyzdžiui, laisvas vietas ir dislokacijas, ir leidžia išmatuoti struktūrinį medžiagos nuovargį.
Antiprotonai taip pat gali būti naudojami medicinoje. Dabar tame pačiame CERN atliekamas ACE eksperimentas, tiriantis antiprotoninio pluošto poveikį gyvoms ląstelėms. Jo tikslas – ištirti antiprotonų panaudojimo vėžio gydymui perspektyvas.
Jonų pluošto ir rentgeno spindulių energijos išsiskyrimas praeinant per medžiagą.
Vaizdas: Johannes Gutleber / CERN
Ši mintis skaitytoją gali išgąsdinti iš įpročio: kaip gali būti, kad antiprotoninis spindulys atsitrenkia į gyvą žmogų?! Taip, ir tai daug saugiau nei apšvitinti gilų naviką rentgeno spinduliais! Specialiai parinktos energijos antiprotoninis spindulys chirurgo rankose tampa efektyviu įrankiu, kuriuo galima išdeginti navikus giliai kūno viduje ir sumažinti poveikį aplinkiniams audiniams. Skirtingai nuo rentgeno spindulių, kurie sudegina viską, kas patenka po spinduliu, sunkios įkrautos dalelės, eidamos per materiją, išskiria didžiąją dalį savo energijos paskutiniais centimetrais prieš sustodamos. Reguliuodami dalelių energiją galite keisti gylį, kuriame dalelės sustoja; Būtent ši sritis, kurios dydis yra milimetrai, patirs pagrindinį radiacijos poveikį.
Šio tipo protonų pluošto spindulinė terapija jau seniai taikoma daugelyje gerai įrengtų klinikų visame pasaulyje. Neseniai kai kurie iš jų perėjo prie jonų terapijos, kurios metu naudojamas anglies jonų pluoštas, o ne protonai. Jiems energijos išsiskyrimo profilis yra dar kontrastingesnis, o tai reiškia, kad poros „terapinis poveikis prieš šalutinį poveikį“ efektyvumas didėja. Tačiau šiam tikslui jau seniai siūloma išbandyti antiprotonus. Juk patekę į medžiagą jie ne tik atsisako savo kinetinės energijos, bet ir sustoję anihiliuojasi – ir tai kelis kartus padidina energijos išsiskyrimą. Kur ši papildoma energija kaupiama, yra sudėtingas klausimas ir jį reikia atidžiai ištirti prieš pradedant klinikinius tyrimus.
Būtent tai daro ACE eksperimentas. Joje tyrėjai per kiuvetę, kurioje yra bakterijų kultūra, praleidžia antiprotonų spindulį ir matuoja jų išgyvenimą pagal vietą, pluošto parametrus ir fizines aplinkos savybes. Šis metodiškas ir galbūt nuobodus techninių duomenų rinkimas yra svarbus bet kokios naujos technologijos pradinis etapas.
Igoris Ivanovas
„Animaterija fiziškai ir chemiškai nesiskiria nuo materijos. Tiesą sakant, tai yra tas pats dalykas, tik išverstas iš vidaus. Mūsų fizinės ir cheminės žinynai yra tokie pat tinkami procionidams, kaip ir mums. Jie apibūdina tuos pačius modelius, tas pačias reakcijas su tais pačiais elementais. Tik jiems mūsų materija yra antimedžiaga. Klausimas, į kurią pusę pažvelgti (Krzysztofas Borunas, „Antimir“, 1963 m.)
Idėja apie antimedžiagos egzistavimo galimybę buvo išreikšta dar klasikinės fizikos eroje, XIX amžiaus pabaigoje.
Vandenilis ir antivandenilis yra visiškai identiški savo struktūra – jie susideda iš hadrono ir leptono. Pirmuoju atveju teigiamai įkrautas protonas, sudarytas iš trijų kvarkų (du aukštyn ir vienas žemyn), ir neigiamai įkrautas elektronas sudaro pažįstamo vandenilio atomą. Antivandenilį sudaro neigiamai įkrautas antiprotonas, kuris savo ruožtu yra sudarytas iš trijų atitinkamų antikvarkų ir teigiamai įkrauto pozitrono (elektrono antidalelės).
Elektrono ir pozitrono anihiliacija esant mažoms energijoms sukuria mažiausiai du (tai yra dėl impulso išsaugojimo) fotonus. Šį procesą galima schematiškai pavaizduoti naudojant vadinamąją Feynman diagramą. Viršijus tam tikrą energijos slenkstį, gali įvykti anihiliacija, gimstant „virtualiems“ fotonams, kurie vėl greitai suyra į elektronų ir pozitronų poras.
Kompiuterinis materijos ir antimaterijos naikinimo modelis. Raudonos linijos yra fotonai, sklindantys priešingomis kryptimis naikinant pozitronus, o geltonos linijos yra dalelės, susidarančios naikinant antiprotonus. Pėdsakai yra iš vieno taško – tai įrodymas, kad antiprotonai ir pozitronai sudaro antivandenilio atomus (ATHENA eksperimentas CERN)
PANDA eksperimento laiko projekcijos kamera FAIR tarptautiniame centre Darmštate
Antidalelių atradimas pagrįstai laikomas didžiausiu XX amžiaus fizikos pasiekimu. Tai pirmą kartą įrodė materijos nestabilumą pačiame giliausiame, pagrindiniame lygmenyje. Prieš tai visi buvo tikri, kad mūsų pasaulio materija susideda iš elementariųjų dalelių, kurios niekada neišnyksta arba atgimsta iš naujo. Šis paprastas paveikslas tapo praeitimi, kai beveik prieš 80 metų buvo įrodyta, kad elektronas ir jo teigiamai įkrautas dvynys susitikę išnyksta, sukeldami elektromagnetinės spinduliuotės kvantus. Vėliau paaiškėjo, kad mikropasaulio dalelės paprastai yra linkusios transformuotis viena į kitą ir įvairiais būdais. Antidalelių atradimas pažymėjo radikalios esminių idėjų apie materijos prigimtį transformacijos pradžią.
Idėja apie antimedžiagos egzistavimą pirmą kartą buvo išsakyta 1898 m. – anglas Arthuras Schusteris žurnale „Nature“ paskelbė labai miglotą pastabą, tikriausiai įkvėptą neseniai atrasto elektrono. „Jei yra neigiama elektra, – paklausė Schusteris, – kodėl tada neturėtų būti neigiamai įkrauto aukso, tokio pat geltono, su ta pačia lydymosi temperatūra ir tuo pačiu spektru? Ir tada - pirmą kartą pasaulinėje mokslinėje literatūroje - pasirodo žodžiai „antiatomas“ ir „antimedžiaga“. Schusteris padarė prielaidą, kad antiatomus vienas prie kito traukia gravitacinės jėgos, tačiau juos atstumia įprasta medžiaga.
Antielektronai pirmą kartą buvo pastebėti eksperimento metu, vėlgi prieš oficialų jų atradimą. Tai padarė Leningrado fizikas Dmitrijus Skobelcinas, kuris praėjusio amžiaus 2 dešimtmetyje tyrė elektronų gama spindulių sklaidą debesų kameroje, esančioje magnetiniame lauke. Jis pastebėjo, kad kai kurie kūriniai, atrodytų, elektroninės kilmės, buvo išlenkti ne ta kryptimi. Žinoma, esmė ta, kad gama kvantas, sąveikaudamas su medžiaga, gali sukelti elektroną ir pozitroną, kurie magnetiniame lauke sukasi priešingomis kryptimis. Skobelcinas, žinoma, to nežinojo ir negalėjo paaiškinti keisto poveikio, tačiau 1928 m. jis pranešė apie tai tarptautinėje konferencijoje Kembridže. Įdomaus sutapimo dėka metais anksčiau į Kembridžo Šv. Džono koledžo tarybą buvo išrinktas jaunas fizikas teoretikas Paulas Dirakas, kurio tyrimai galiausiai leido paaiškinti šias anomalijas.
Dirako lygtis
1926 m. austras Erwinas Schrödingeris suformulavo lygtį, apibūdinančią nereliatyvistinių dalelių elgseną, valdomą kvantinės mechanikos – diferencialinę lygtį, kurios sprendimai lemia dalelės būsenas. Šriodingerio lygtis apibūdino dalelę, kuri neturi savo kampinio momento – sukinio (kitaip tariant, nesielgia kaip viršūnė). Tačiau jau 1926 metais buvo žinoma, kad elektronai turi sukinį, kuris gali turėti dvi skirtingas reikšmes: grubiai tariant, elektronų viršūnės ašis erdvėje orientuota tik dviem priešingomis kryptimis (po metų buvo gauti panašūs įrodymai ir protonams). . Tuo pačiu metu šveicarų teoretikas Wolfgangas Pauli apibendrino Schrödingerio lygtį elektronui taip, kad ji leido atsižvelgti į sukimąsi. Taigi sukinys pirmą kartą buvo atrastas eksperimentiniu būdu, o vėliau dirbtinai pritaikytas Schrödingerio lygčiai.
Einšteino reliatyvistinėje mechanikoje laisvosios dalelės energijos formulė atrodo sudėtingesnė nei Niutono mechanikoje. Einšteino formulę išversti į kvantinę lygtį nėra sunku. Tačiau tokios lygties sprendimai rodo, kad tikimybė rasti dalelę tam tikrame taške gali pasirodyti neigiama, o tai neturi fizinės reikšmės. Kitos bėdos kyla dėl to, kad naujosios lygties (vadinamos Kleino-Gordono lygtimi) matematinė struktūra nukrypsta nuo reliatyvumo teorijos (formalioje kalboje ji nėra reliatyvistiškai nekintama).
Būtent apie šią problemą Diracas galvojo 1927 m. Siekdamas išsaugoti invarianciją, jis į lygtį įtraukė ne energijos ir impulso operatorių kvadratus, o jų pirmąją galią. Norėdami parašyti lygtį tokia forma, iš pradžių turėjome įvesti sudėtingesnes 4x4 matricas nei Pauli. Ši lygtis turi keturis lygiaverčius sprendinius, ir dviem atvejais elektronų energija yra teigiama, o dviem – neigiama.
Čia ir atsirado kliūtis. Pirmoji sprendimų pora buvo aiškinama paprastai – tai paprastas elektronas kiekvienoje iš galimų sukimosi būsenų. Jei prie Dirako lygties pridėsime elektromagnetinį lauką, lengvai paaiškės, kad elektronas turi teisingą magnetinį momentą. Tai buvo milžiniška Dirako teorijos sėkmė, kuri be jokių papildomų prielaidų suteikė elektronui tiek sukimosi, tiek magnetinio momento. Tačiau iš pradžių niekas negalėjo nuspręsti, ką daryti su likusiais sprendimais. Ir Niutono, ir Einšteino mechanikoje laisvosios dalelės energija niekada nėra neigiama, o dalelės, kurių energija mažesnė nei nulis, glumino. Be to, nebuvo aišku, kodėl paprasti elektronai nepatenka į būsenas, kurių energija yra akivaizdžiai mažesnė, kaip numatė Dirako teorija, o elektronai atomų apvalkaluose nepraleidžia šios galimybės.
Ieškoti prasmės
Po dvejų metų Diracas rado labai gražią paradoksalių sprendimų interpretaciją. Pagal Pauli principą, du elektronai (kaip ir bet kurios dalelės, kurių sukinys yra pusiau sveikasis skaičius) negali vienu metu būti toje pačioje kvantinėje būsenoje. Diraco teigimu, visos būsenos, turinčios neigiamą energiją, paprastai jau yra užpildytos, o pereiti į šias būsenas iš teigiamų energijų zonos draudžia Pauli principas. Todėl Dirako elektronų jūra su neigiama energija iš esmės yra nepastebima, bet tik tol, kol joje nėra laisvų vietų. Tokia laisva vieta gali atsirasti, jei elektronas iš neigiamo energijos lygio išmušamas į teigiamą (pavyzdžiui, dėl pakankamai galingo elektromagnetinės spinduliuotės kvanto). Kadangi elektronų jūra praras neigiamo krūvio vienetą, susidariusi laisva vieta (Diracas ją pavadino skyle) elektriniame lauke elgsis kaip teigiamo krūvio dalelė. Pagal tą pačią logiką, elektrono kritimas iš normalios būsenos į tokią skylę veda prie elektrono ir skylės išnykimo, kartu su vieno fotono emisija.
Kaip Dirako skylės pasireiškia realiame pasaulyje? Iš pradžių Diracas juos identifikavo su protonais, apie kuriuos jis rašė 1930 m. Švelniai tariant, buvo keista – protonas yra 2000 kartų sunkesnis už elektroną. Būsimasis akademikas ir Nobelio premijos laureatas Igoris Tammas ir būsimas atominės bombos tėvas Robertas Oppenheimeris pateikė rimtesnį prieštaravimą, pažymėdami, kad tuomet kiekvienam vandenilio atomui gresia išnykimas, o gamtoje taip nebūna. Diracas greitai atsisakė šios hipotezės ir 1931 m. rugsėjį paskelbė straipsnį, kuriame numatė, kad skylės, jei jas pavyks aptikti, taps visiškai naujomis dalelėmis, nežinomomis eksperimentinei fizikai. Jis pasiūlė juos vadinti antielektronais.
Dirako modelis tapo istorijos dalyku sukūrus kvantinę elektrodinamiką ir kvantinio lauko teoriją, kuri dalelėms ir antidalelėms priskiria tą pačią realybę. Iš kvantinės elektrodinamikos taip pat išplaukia, kad laisvojo elektrono susitikimas su antielektronu reiškia, kad sukuriama bent pora kvantų, todėl šioje dalyje modelis yra tiesiog neteisingas. Kaip dažnai nutinka, Dirako lygtis pasirodė daug protingesnė nei jos kūrėjo pasiūlyta interpretacija.
Antielektrono atradimas
Kaip jau minėta, pozitronus iš tikrųjų stebėjo Dmitrijus Skobelcinas. 1930 m. Caltech absolventas Chung-Yao Chao susidūrė su jais tyrinėdamas gama spindulių prasiskverbimą per švino foliją. Šiame eksperimente atsirado elektronų ir pozitronų poros, po kurių naujagimiai pozitronai anihiliavosi atominių apvalkalų elektronais ir generavo antrinę gama spinduliuotę, kurią užfiksavo Chao. Tačiau daugelis fizikų abejojo rezultatais, ir šis darbas nebuvo pripažintas.
Chao lyderis buvo Caltech prezidentas, Nobelio premijos laureatas Robertas Millikanas, kuris tuo metu dirbo su kosminiais spinduliais (jis sugalvojo šį terminą). Millikanas juos laikė gama spindulių srautu, todėl tikėjosi, kad jie suskaldys atomus į elektronus ir protonus (neutronas buvo atrastas vėliau, 1932 m.). Millikanas pasiūlė patikrinti šią hipotezę Karlui Andersonui, kitam jo absolventui ir Chao draugui. Jis, kaip ir Skobelcinas, nusprendė panaudoti debesų kamerą, sujungtą su labai galingu elektromagnetu. Andersonas taip pat gavo įkrautų dalelių pėdsakus, kurie savo išvaizda nesiskyrė nuo elektronų pėdsakų, bet buvo išlenkti priešinga kryptimi. Iš pradžių jis juos priskyrė elektronams, kurie juda ne iš viršaus į apačią, o iš apačios į viršų. Valdymui jis kameros centre sumontavo 6 mm storio švino plokštę. Paaiškėjo, kad virš plokštės dalelių su elektroninio tipo vėžėmis momentai buvo daugiau nei du kartus didesni nei apatinėje kameros dalyje – iš to seka, kad visos dalelės judėjo iš viršaus į apačią. Ta pati technika įrodė, kad dalelės su anomaliu posūkiu negali būti protonai – jos įstrigtų švino tinkle.
Galų gale Andersonas padarė išvadą, kad beveik visi anomalūs takeliai priklauso kažkokioms šviesos dalelėms, turinčioms teigiamą krūvį. Tačiau Millikenas tuo netikėjo, o Andersonas nenorėjo publikuotis mokslinėje spaudoje be savo viršininko pritarimo. Todėl jis apsiribojo trumpu laišku populiariam žurnalui „Science News Letter“ ir pridėjo anomalaus takelio nuotrauką. Redaktorius, sutikęs su Andersono interpretacija, pasiūlė naująją dalelę pavadinti pozitronu. Ši nuotrauka buvo paskelbta 1931 m. gruodžio mėn.
Dabar prisiminkite, kad Diracas paskelbė hipotezę apie antielektrono egzistavimą dar rugsėjį. Tačiau ir Andersonas, ir Millikanas beveik nieko nežinojo apie jo teoriją ir vargu ar suprato jos esmę. Todėl Andersonui neatėjo į galvą identifikuoti pozitroną su Dirako antielektronu. Jis ilgą laiką bandė įtikinti Millikaną, kad jis teisus, bet nepasiekęs sėkmės, 1932 m. rugsėjį paskelbė pastabą apie savo pastebėjimus žurnale Science. Tačiau šiame darbe mes vis dar kalbame ne apie elektronų dvynį, o tik apie teigiamai įkrautą nežinomo tipo dalelę, kurios masė yra daug mažesnė už protono masę.
Kitas žingsnis identifikuojant antielektroną buvo žengtas toje vietoje, kur jis buvo numatytas – Kembridže. Anglų fizikas Patrickas Blackettas ir jo kolega italas Giuseppe Occhialini tyrė kosminius spindulius garsiojoje Cavendish laboratorijoje, kuriai vadovavo didysis Rutherfordas. Occhialini pasiūlė Wilsono kamerą aprūpinti elektronine grandine (išrado jo tautietis Bruno Rossi), kuri įjungdavo kamerą tuo atveju, kai tuo pačiu metu būtų suaktyvinti Geigerio skaitikliai, kurių vienas buvo įrengtas virš kameros, o kitas – po juo. Iki 1932 metų rudens partneriai gavo apie 700 nuotraukų, kuriose užfiksuoti pėdsakai, kuriuos galima priskirti kosminės kilmės įelektrintoms dalelėms. Tarp jų taip pat buvo V formos takelių porų, kurias generavo elektronai ir pozitronai, besiskiriantys magnetiniame lauke.
Blackettas žinojo apie Dirako numatytą antielektroną, tačiau jo teorijos nežiūrėjo rimtai. Pats Diracas taip pat nematė savo hipotetinės dalelės Blacketto nuotraukose. Dėl to Blackettas ir Occhialini teisingai interpretavo savo nuotraukas tik vėliau, kai susipažino su Andersono rugsėjo publikacija. Jie pristatė savo išvadas straipsnyje kukliu pavadinimu „Photographs of tracks of penetrating radiation“, kuris žurnalo Proceedings of the Royal Society redaktorius pasiekė 1933 m. vasario 7 d. Iki to laiko Andersonas sužinojo apie Cavendish konkurentus ir tinkamai pristatė savo rezultatus keturių puslapių dokumente „The Positive Electron“, kuris vasario 28 d. pasirodė žurnale „Physical Review“. Kadangi Andersono prioritetas buvo nustatytas ankstesnėse publikacijose, jis vienas gavo Nobelio premiją už pozitrono atradimą (1936 m. kartu su kosminių spindulių atradėju Viktoru Hessu). Blackettas buvo apdovanotas šiuo apdovanojimu po 12 metų (su užrašu „Už debesų kamerų stebėjimo metodų tobulinimą ir už atradimus branduolinės fizikos ir kosminės spinduliuotės srityje“), tačiau Occhialini dėl premijos buvo aplenktas – manoma, kad dėl politinių priežasčių. .
Netrukus pozitronų tyrimai pajudėjo į priekį šuoliais. Paryžiaus fizikas Jeanas Thibault pastebėjo antžeminės kilmės elektronų-pozitronų poras, susidarančias slopinant gama kvantus švino iš radioaktyvaus šaltinio. Jis įrodė, kad abiejų dalelių krūvio ir masės santykio absoliuti reikšmė sutampa labai tiksliai. 1934 m. Frédéricas Joliot ir Irene Curie atrado, kad pozitronai taip pat atsiranda dėl radioaktyvaus skilimo. Taigi iki XX amžiaus 30-ųjų vidurio Dirako numatytų antielektronų egzistavimas tapo tikru faktu.
Antinukleonai
Positronų generavimo kosminiais spinduliais mechanizmas jau seniai nustatytas. Pirminę kosminę spinduliuotę daugiausia sudaro protonai, kurių energija didesnė nei 1 GeV, kurie, susidūrę su atominiais branduoliais viršutinėje atmosferoje, gamina pionus ir kitas nestabilias daleles. Pionai sukelia naujus skilimus, kurių metu atsiranda gama kvantai, kurie, sulėtėjus medžiagoje, sukuria elektronų-pozitronų poras.
Pakankamai greiti protonai, susidūrę su atominiais branduoliais, gali tiesiogiai generuoti antiprotonus ir antineutronus. Dvidešimtojo amžiaus viduryje fizikai nebeabejojo tokių transformacijų galimybe ir jų pėdsakų ieškojo antriniuose kosminiuose spinduliuose. Kai kurių stebėjimų rezultatai gali būti interpretuojami kaip antiprotonų sunaikinimas, tačiau be visiško tikrumo. Todėl amerikiečių fizikai pasiūlė 6 GeV protonų greitintuvo statybos projektą, kuriame, remiantis teorija, buvo galima gauti abiejų tipų antinukleonus. Ši mašina, vadinama bevatronu, buvo paleista Lawrence'o Berkeley laboratorijoje 1954 m. Po metų Owenas Chamberlainas, Emilio Segre ir jų kolegos gavo antiprotonus šaudydami protonais į varinį taikinį. Po metų kita fizikų grupė toje pačioje instaliacijoje užregistravo antineutronus. 1965 m. CERN ir Brookhaven nacionalinėje laboratorijoje buvo susintetinti antideuterio branduoliai, sudaryti iš antiprotono ir antineutrono. O aštuntojo dešimtmečio pradžioje iš SSRS atėjo žinia, kad Aukštosios energijos fizikos instituto 70 GeV protonų greitintuve buvo susintetinti antihelio-3 (du antiprotonai ir antineutronas) ir antitričio (antiprotonas ir du antineutronai) branduoliai; 2002 m. CERN buvo gauti keli lengvi antihelio branduoliai. Reikalai dar nepažengė į priekį, todėl bent vieno antiauksinio branduolio sintezė yra tolimos ateities reikalas.
Žmogaus sukurta antimedžiaga
Branduoliai yra branduoliai, tačiau tikrajai antimedžiajai reikia pilnaverčių atomų. Paprasčiausias iš jų yra antivandenilio atomas, antiprotonas plius pozitronas. Tokie atomai pirmą kartą buvo sukurti CERN 1995 m., praėjus 40 metų po antiprotono atradimo. Visai gali būti, kad tai buvo pirmieji antivandenilio atomai per mūsų Visatos egzistavimą po Didžiojo sprogimo – natūraliomis sąlygomis jų gimimo tikimybė beveik lygi nuliui, o nežemiškų technologinių civilizacijų egzistavimas vis dar kelia abejonių.
Šis eksperimentas buvo atliktas vadovaujant vokiečių fizikui Walteriui Ohlertui. Tada CERN valdė LEAR saugyklos žiedą, kuriame buvo saugomi mažos energijos (tik 5,9 MeV) antiprotonai (veikė 1984–1996 m.). Ohlerto grupės eksperimente antiprotonai buvo nukreipti į ksenono čiurkšlę. Po antiprotonų susidūrimo su šių dujų branduoliais atsirado elektronų-pozitronų poros, o kai kurie pozitronai itin retai (10–17% dažniu!) susijungė su antiprotonais į antivandenilio atomus, judančius beveik šviesos greičiu. Neįkrauti antiatomai nebegalėjo suktis žiedo viduje ir išskrido link dviejų detektorių. Pirmajame įrenginyje kiekvienas antiatomas buvo jonizuotas, o išsiskyręs pozitronas anihiliuotas elektronu, sukuriant gama kvantų porą. Antiprotonas nukeliavo į antrąjį detektorių, kuris iki šios dalelės išnykimo sugebėjo nustatyti jo krūvį ir greitį. Palyginus abiejų detektorių duomenis, paaiškėjo, kad eksperimento metu buvo susintetinti mažiausiai 9 antivandenilio atomai. Netrukus Fermilab įmonėje buvo sukurti reliatyvistiniai antivandenilio atomai.
Nuo 2000 m. vasaros CERN eksploatuoja naują AD (Antiproton Decelerator) žiedą. Jis gauna 3,5 GeV kinetinės energijos antiprotonus, kurie sulėtinami iki 100 MeV energijos ir vėliau naudojami įvairiuose eksperimentuose. ATHENA ir ATRAP grupės pradėjo dirbti su antimedžiaga, o 2002 m. vienu metu pradėjo gauti dešimtis tūkstančių antivandenilio atomų. Šie atomai atsiranda specialiuose elektromagnetiniuose buteliuose (vadinamuose Penningo spąstuose), kuriuose susimaišo antiprotonai, gaunami iš AD, ir pozitronai, gimę natrio-22 irimo metu. Tiesa, neutralių antiatomų gyvavimo trukmė tokiame spąstuose matuojama tik mikrosekundėmis (tačiau pozitronai ir antiprotonai ten gali būti laikomi ištisus mėnesius!). Šiuo metu kuriamos ilgesnio antivandenilio saugojimo technologijos.
ATRAP grupės (projektas ATHENA jau baigtas) vadovas Harvardo universiteto profesorius Geraldas Gabrielsas pokalbyje su PM pabrėžė, kad, skirtingai nei LEAR, AD instaliacija leidžia sintetinti gana lėtai (kaip teigia fizikai, šaltą). ) antivandenilio atomų, su kuriais dirbti daug lengviau. Dabar mokslininkai bando dar labiau atvėsinti antiatomus ir perkelti jų pozitronus į žemesnius energijos lygius. Jei tai pavyks, bus galima ilgiau laikyti antiatomus jėgos spąstuose ir nustatyti jų fizines savybes (pavyzdžiui, spektrines charakteristikas). Šiuos rodiklius galima palyginti su paprasto vandenilio savybėmis ir pagaliau suprasti, kuo antimedžiaga skiriasi nuo materijos. Dar reikia daug nuveikti.
ANTIMATERIJA
medžiaga, susidedanti iš atomų, kurių branduoliai turi neigiamą elektros krūvį ir yra apsupti pozitronų – elektronų, turinčių teigiamą elektros krūvį. Įprastoje materijoje, iš kurios pastatytas mus supantis pasaulis, teigiamo krūvio branduoliai yra apsupti neigiamo krūvio elektronų. Norint atskirti ją nuo antimedžiagos, įprasta medžiaga kartais vadinama koinematerija (iš graikų koinos – įprasta). Tačiau šis terminas rusų literatūroje praktiškai nevartojamas. Reikia pabrėžti, kad terminas „antimedžiaga“ nėra visiškai teisingas, nes antimedžiaga taip pat yra materija, jos rūšis. Antimedžiaga turi tas pačias inercines savybes ir sukuria tokią pat gravitacinę trauką kaip ir įprasta medžiaga. Kalbant apie materiją ir antimateriją, logiška pradėti nuo elementariųjų (subatominių) dalelių. Kiekviena elementari dalelė turi antidalelę; abu turi beveik tas pačias charakteristikas, išskyrus tai, kad jų elektros krūviai yra priešingi. (Jei dalelė yra neutrali, tai ir antidalelė yra neutrali, tačiau jos gali skirtis kitomis savybėmis. Kai kuriais atvejais dalelė ir antidalelė yra identiškos viena kitai.) Taigi elektronas, neigiamo krūvio dalelė, atitinka a. pozitronas, o teigiamą krūvį turinčio protono antidalelė yra neigiamo krūvio antiprotonas. Pozitronas buvo atrastas 1932 m., o antiprotonas 1955 m.; tai buvo pirmosios atrastos antidalelės. Antidalelių egzistavimą 1928 metais, remdamasis kvantine mechanika, numatė anglų fizikas P. Dirakas. Susidūrus elektronui ir pozitronui, jie anihiliuojasi, t.y. abi dalelės išnyksta, o iš jų susidūrimo taško sklinda du gama spinduliai. Jei susidūrusios dalelės juda mažu greičiu, tai kiekvieno gama kvanto energija yra 0,51 MeV. Ši energija yra elektrono „ramybės energija“ arba jo ramybės masė, išreikšta energijos vienetais. Jei susidūrusios dalelės juda dideliu greičiu, tai gama spindulių energija bus didesnė dėl jų kinetinės energijos. Anihiliacija taip pat įvyksta, kai protonas susiduria su antiprotonu, tačiau procesas šiuo atveju yra daug sudėtingesnis. Kadangi antidalelės egzistuoja, kyla klausimas, ar iš antidalelių gali susidaryti antibranduoliai. Paprastų medžiagų atomų branduoliai susideda iš protonų ir neutronų. Paprasčiausias branduolys yra paprastojo vandenilio izotopo 1H branduolys; jis reiškia vieną protoną. Deuterio branduolys 2H susideda iš vieno protono ir vieno neutrono; jis vadinamas deuteronu. Kitas paprasto branduolio pavyzdys yra 3He branduolys, kurį sudaro du protonai ir vienas neutronas. Antideuteronas, susidedantis iš antiprotono ir antineutrono, buvo gautas laboratorijoje 1966 m.; Anti-3He branduolys, susidedantis iš dviejų antiprotonų ir vieno antineutrono, pirmą kartą buvo gautas 1970 metais. Pagal šiuolaikinę dalelių fiziką atitinkamomis techninėmis priemonėmis būtų galima gauti visų įprastų branduolių antibranduolius. Jei šie antibranduoliai yra apsupti tinkamo pozitronų skaičiaus, jie sudaro antiatomus. Antiatomai turėtų beveik lygiai tokias pačias savybes kaip ir paprasti atomai; jie sudarytų molekules, iš kurių galėtų susidaryti kietosios medžiagos, skysčiai ir dujos, įskaitant organines medžiagas. Pavyzdžiui, du antiprotonai ir vienas antideguonies branduolys kartu su aštuoniais pozitronais galėtų sudaryti antivandens molekulę, panašią į įprastą vandens H2O, kurios kiekviena molekulė susideda iš dviejų vandenilio branduolių protonų, vieno deguonies branduolio ir aštuonių elektronų. Šiuolaikinė dalelių teorija gali numatyti, kad antivanduo užšals 0°C temperatūroje, užvirs 100°C temperatūroje ir kitaip elgsis kaip paprastas vanduo. Tęsdami tokius samprotavimus, galime prieiti prie išvados, kad iš antimedžiagos pastatytas antipasaulis būtų nepaprastai panašus į įprastą mus supantį pasaulį. Ši išvada yra atspirties taškas simetriškos visatos teorijoms, pagrįstoms prielaida, kad visatoje yra vienodas įprastos materijos ir antimedžiagos kiekis. Mes gyvename toje jos dalyje, kuri susideda iš paprastos materijos. Jei susiliečia du identiški priešingų tipų medžiagų gabalai, įvyks elektronų anihiliacija su pozitronais ir branduolių su antibranduoliais. Tokiu atveju atsiras gama kvantai, pagal kuriuos galima spręsti, kas vyksta. Kadangi Žemė pagal apibrėžimą susideda iš paprastos medžiagos, joje nėra pastebimų antimedžiagų kiekių, išskyrus nedidelį skaičių antidalelių, susidarančių dideliuose greitintuvuose ir kosminiuose spinduliuose. Tas pats pasakytina ir apie visą saulės sistemą. Stebėjimai rodo, kad mūsų galaktikoje susidaro tik ribotas gama spinduliuotės kiekis. Iš to daugelis tyrinėtojų daro išvadą, kad joje nėra pastebimų antimedžiagų kiekių. Tačiau ši išvada neginčijama. Šiuo metu nėra būdo nustatyti, pavyzdžiui, ar tam tikra netoliese esanti žvaigždė sudaryta iš materijos ar antimedžiagos; antimaterijos žvaigždė skleidžia lygiai tokį patį spektrą kaip ir normali žvaigždė. Be to, visiškai įmanoma, kad išretėjusi medžiaga, kuri užpildo erdvę aplink žvaigždę ir yra identiška pačios žvaigždės medžiagai, yra atskirta nuo sričių, užpildytų priešingo tipo medžiaga - labai plonais aukštos temperatūros „Leidenfrosto sluoksniais“. Taigi galime kalbėti apie „ląstelinę“ tarpžvaigždinės ir tarpgalaktinės erdvės struktūrą, kurioje kiekvienoje ląstelėje yra arba materija, arba antimedžiaga. Šią hipotezę patvirtina šiuolaikiniai tyrimai, rodantys, kad magnetosfera ir heliosfera (tarpplanetinė erdvė) turi ląstelinę struktūrą. Skirtingo įmagnetinimo, o kartais ir skirtingos temperatūros bei tankio ląstelės yra atskirtos labai plonais srovės apvalkalais. Tai leidžia daryti paradoksalią išvadą, kad šie stebėjimai neprieštarauja antimedžiagos egzistavimui net mūsų galaktikoje. Jei anksčiau nebuvo įtikinamų argumentų už antimedžiagos egzistavimą, tai dabar rentgeno ir gama spindulių astronomijos sėkmė situaciją pakeitė. Buvo pastebėti reiškiniai, susiję su didžiuliu ir dažnai labai netvarkingu energijos išsiskyrimu. Greičiausiai tokios energijos išleidimo šaltinis buvo susinaikinimas. Švedų fizikas O. Kleinas sukūrė kosmologinę teoriją, pagrįstą materijos ir antimaterijos simetrijos hipoteze, ir priėjo prie išvados, kad anihiliacijos procesai vaidina lemiamą vaidmenį Visatos evoliucijoje ir galaktikų sandaros formavime.
Vis labiau aiškėja, kad pagrindinė alternatyvioji teorija – „didžiojo sprogimo“ teorija – rimtai prieštarauja stebėjimų duomenims ir centrinę vietą sprendžiant kosmologines problemas artimiausiu metu greičiausiai užims „simetrinė kosmologija“. Antimaterijos vaidmuo kosmologijos problemose aptariamas autorės knygoje Worlds – Antiworlds: Antimatter in Cosmology (1966).
Taip pat žr
KOSMOLOGIJOS;
ELEMENTARY DALELĖS.
LITERATŪRA
Weinberg S. Pirmos trys minutės. M., 1981 Silk J. The Big Bang. M., 1982 Davis P. Superpower; ieškoti vieningos gamtos teorijos. M., 1989 m
Collier enciklopedija. – Atvira visuomenė. 2000 .
Sinonimai:Pažiūrėkite, kas yra „ANTIMATERIS“ kituose žodynuose:
Antimedžiaga... Rašybos žodynas-žinynas
antimedžiaga- antimedžiaga/, a/… Kartu. Atskirai. Brūkšnelis.
A; trečia Fizik. Medžiaga, sukurta iš antidalelių. ◁ Antimedžiaga, oi, oi. * * * Antimedžiaga yra medžiaga, sukurta iš antidalelių. Antimedžiagos atomų branduoliai susideda iš antiprotonų ir antineutronų, o atomų apvalkalai – iš pozitronų.... Enciklopedinis žodynas
Antimedžiaga yra medžiaga, susidedanti iš antidalelių. Turinys 1 ypatybės 2 gavimas 3 Kaina ... Vikipedija
ANTIMATERIA – medžiaga, sudaryta iš antidalelių. Antimedžiagos atomų branduoliai susideda iš antiprotonų ir antineutronų, o elektronų vaidmenį atlieka pozitronai. Daroma prielaida, kad pirmosiomis Visatos formavimosi akimirkomis antimedžiaga ir materija... ... Šiuolaikinė enciklopedija
Medžiaga, sukurta iš antidalelių. Antimedžiagos atomų branduoliai susideda iš antiprotonų ir antineutronų, o atomų apvalkalai – iš pozitronų. Visatoje kol kas neaptikta jokių antimedžiagų sankaupų. Gauta įkrautų dalelių greitintuvuose... ... Didysis enciklopedinis žodynas
ANTIMATERA – medžiaga, susidedanti iš antidalelių, visais atžvilgiais identiškų įprastoms dalelėms, išskyrus ELEKTROS ĮKROVIMĄ, SUKIMUSIĄ IR MAGNETINĮ MOMENTĄ, kurie turi priešingą ženklą. Kai antidalelė, pavyzdžiui, pozitronas... Mokslinis ir techninis enciklopedinis žodynas
trečia. Iš antidalelių susidariusi medžiaga (fizikoje). Efraimo aiškinamasis žodynas. T. F. Efremova. 2000... Šiuolaikinis Efremovos rusų kalbos aiškinamasis žodynas
Iš antidalelių sukurta medžiaga. Atomų branduoliai va susideda iš protonų ir neutronų, o elnai sudaro atomų apvalkalus. Atomuose branduoliai susideda iš antiprotonų ir antineutronų, o pozitronai užima elektronų vietą jų apvalkaluose. Pagal šiuolaikinį teorijos, nuodai... Fizinė enciklopedija
Daiktavardis, sinonimų skaičius: 1 antimedžiaga (2) ASIS Sinonimų žodynas. V.N. Trishin. 2013… Sinonimų žodynas
ANTIMATERIJA- medžiaga, susidedanti iš (žr.). Klausimas apie A. paplitimą Visatoje lieka atviras... Didžioji politechnikos enciklopedija
Knygos
- Visata yra galinio vaizdo veidrodyje. Ar Dievas buvo dešiniarankis? Arba paslėpta simetrija, antimedžiaga ir Higso bozonas, Goldbergas, Deivas. Nemėgsti fizikos? Jūs tiesiog neskaitėte Dave'o Goldbergo knygų! Ši knyga supažindins su viena labiausiai intriguojančių šiuolaikinės fizikos temų – fundamentaliosiomis simetrijomis. Juk mūsų...
Antimedžiaga yra medžiaga, susidedanti iš antidalelių, tai yra dalelių, kurių prasmė ir savybės yra visiškai tokios pačios, bet priešingos toms dalelėms, kurių priešingybės yra. Kiekviena dalelė turi savo veidrodinę kopiją – antidalelę. Protono ir neutrono antidalelės atitinkamai vadinamos antiprotonu, antineutronu ir pozitronu. Protonai ir neutronai, savo ruožtu, yra sudaryti iš dar mažesnių dalelių, vadinamų kvarkais. Antiprotonai ir antineutronai yra sudaryti iš antikvarkų.
Antidalelės turi panašų, bet priešingą krūvį, kaip ir jų normalios medžiagos atitikmenys, tačiau jų masė yra tokia pati ir visais kitais atžvilgiais yra panašios. Mokslininkai teigia, kad gali egzistuoti ištisos galaktikos, sudarytos iš antimedžiagos. Taip pat yra nuomonė, kad antimaterijos Visatoje gali būti net daugiau nei paprastos materijos. Tačiau antimaterijos pamatyti neįmanoma, kaip ir mus supančio įprasto pasaulio objektų. Jis nėra matomas žmogaus regėjimui.
Dauguma astronomų vis dar sutinka, kad gamtoje antimedžiagos nėra tiek daug arba jos visai nėra, kitaip, kaip jie samprotauja, Visatoje būtų daug vietų, kur įprasta medžiaga ir antimedžiaga susidurtų viena su kita, o tai lydėtų galingas gama srautas. spinduliai, kuriuos sukelia jų sunaikinimas. Naikinimas – tai abipusis materijos ir antimaterijos dalelių sunaikinimas, lydimas energijos išsiskyrimo. Tačiau tokių regionų nerasta.
Viena iš galimų antimaterijos atsiradimo hipotezių siejama su didžiojo sprogimo teorija. Ši teorija teigia, kad visi mūsų atsirado dėl tam tikro erdvės taško išsiplėtimo. Po sprogimo atsirado vienodas medžiagos ir antimedžiagos kiekis. Iš karto prasidėjo jų tarpusavio naikinimo procesas. Tačiau kažkodėl buvo šiek tiek daugiau materijos, kuri leido Visatai susiformuoti mums pažįstama forma.
Kadangi nėra galimybių ištirti antimedžiagos savybes, mokslininkai griebiasi dirbtinių antimedžiagos susidarymo metodų. Jai gauti naudojami specialūs moksliniai prietaisai – dalelių greitintuvai, kuriuose medžiagos atomai pagreitinami maždaug iki šviesos greičio (300 000 km/sek). Kai kurioms dalelėms susidūrus, jos sunaikinamos, todėl susidaro antidalelės, iš kurių galima gauti antimedžiagų. Sunki problema yra antimedžiagos saugojimas, nes kai ji liečiasi su įprasta medžiaga, antimedžiaga sunaikinama. Norėdami tai padaryti, susidarę antimedžiagos grūdeliai patalpinami į vakuumą ir į vakuumą, todėl jie išlieka pakibę ir neleidžia liestis su saugyklos sienomis.
Nepaisant sunkumų gauti ir tirti antimedžiagą, ji gali suteikti daug naudos mūsų gyvenimui. Visi jie pagrįsti tuo, kad antimedžiagai sąveikaujant su medžiaga išsiskiria didžiulis energijos kiekis. Be to, išsiskiriančios energijos ir dalyvaujančios medžiagos masės santykio nepralenkia jokia rūšis ar sprogmuo. Nėra jokių sunaikinimo šalutinių produktų, tik gryna energija. Todėl mokslininkai jau svajoja apie jo panaudojimą. Pavyzdžiui, apie antimateriją su begaliniu ištekliu. Erdvėlaiviai su naikinimo varikliais galės nukeliauti tūkstančius šviesmečių artimu šviesos greičiu. Tai suteiks kariuomenei galimybę sukurti didžiulę galią, daug naikinančią nei atominė ar vandenilis. Tačiau visos šios svajonės neišsipildys tol, kol negalėsime gaminti nebrangios antimedžiagos pramoniniu mastu.
Beveik viskas, ką aptinkame Žemėje ir su dirbtinių palydovų pagalba, yra materija. Antimedžiaga gaminama Žemėje naudojant didelės energijos greitintuvus. Pavyzdžiui, buvo gauti antiprotonai, antideuterono ir antihelio branduoliai bei antiatomai.
Tiesioginis antimedžiagos stebėjimas naudojant astronominius metodus neįmanomas, nes fotonai, susidarę sąveikaujant antimedžiagos dalelėms tarpusavyje, nesiskiria nuo fotonų, susidarančių dėl medžiagos dalelių sąveikos. Priežastis ta, kad fotonas yra tikrai neutrali dalelė ir. Iš esmės materiją nuo antimedžiagos galima atskirti stebint neutrinus ν ir antineutrinus, tačiau tokie stebėjimai šiuo metu yra nerealūs.
Jei artimiausioje Žemės aplinkoje būtų regionų, kuriuose dominavo antimedžiaga, tai turėtų pasireikšti anihiliacijos γ kvantų pavidalu, kurie susidaro naikinant materiją ir antimedžiagą. Svarbus argumentas dėl materijos dominavimo prieš antimateriją yra kosminiai spinduliai. Tai medžiagos dalelės – protonai, elektronai, iš protonų ir neutronų sudaryti atomų branduoliai.
Antimedžiagos dalelių susidarymas stebimas dėl didelės energijos kosminės spinduliuotės dalelių sąveikos su Žemės atmosfera. Didesnės energijos koncentracijos vietose susidaro antidalelės. Pavyzdžiui, aktyvių galaktikų branduoliuose susidaro antidalelės. Paprastai tokiais atvejais antimedžiagos dalelės atsiranda kartu su materijos dalelėmis. Kitame etape susidaro ir sunaikinamos medžiagos ir antimedžiagos dalelės. Pavyzdžiui, fotonas, kurio energija didesnė nei 1 MeV, gali sudaryti elektronų-pozitronų porą atomo branduolio lauke. Susidaręs pozitronas anihiliuoja susitikęs su elektronu, dažniau sudarydamas 2 ir rečiau 3 γ kvantus.
Antimaterijos egzistavimo Visatoje problema yra esminė fizikos problema, kuri siejama su Visatos susidarymo ir vystymosi problema.
Yra įvairių hipotezių, kodėl stebima Visata beveik vien susideda iš materijos. Ar yra Visatos sričių, kuriose vyrauja antimedžiaga? Ar galima naudoti antimedžiagą? Akivaizdžios materijos ir antimedžiagos asimetrijos matomoje Visatoje priežastis yra viena didžiausių neatskleistų šiuolaikinės fizikos paslapčių. Procesas, kurio metu atsiranda ši asimetrija tarp dalelių ir antidalelių, vadinamas barogeneze.
Iki XX amžiaus šeštojo dešimtmečio vyravo nuomonė, kad Visatoje yra vienodas medžiagos ir antimedžiagos kiekis. Tačiau septintojo dešimtmečio viduryje darbas Didžiojo sprogimo teorijos srityje sukrėtė šį požiūrį. Iš tiesų, jei pirmosiomis karštos ir tankios Visatos egzistavimo akimirkomis dalelių ir antidalelių skaičius būtų vienodas, tada jų sunaikinimas lemtų tai, kad Visatoje liktų tik spinduliuotė. Šiuo metu dauguma fizikų sutinka, kad dėl CP simetrijos pažeidimo Visatoje pirmaisiais evoliucijos momentais dalelių susidarė šiek tiek daugiau nei antidalelių – maždaug po vieną dalelę 10 9 dalelių-antidalelių porose. Dėl to po sunaikinimo liko nedaug dalelių.
Kita galimybė paaiškinti materijos dominavimą „artimoje“ Visatoje yra manyti, kad antimedžiaga yra susitelkusi tolimuose, menkai ištirtuose Visatos regionuose. 1979 m. Floydas Steckeris pasiūlė, kad materijos ir antimaterijos asimetrija galėjo atsirasti savaime pirmosiomis akimirkomis po Didžiojo sprogimo, kai medžiaga ir antimedžiaga praskriejo skirtingomis kryptimis.
Kadangi elektromagnetinė spinduliuotė vienodai sąveikauja ir su materija, ir su antimedžiaga, materijos ir antimedžiagos planetos, žvaigždės ir galaktikos elektromagnetinėje spinduliuotėje atrodo identiškos. Todėl reikalingi kiti antimedžiagos paieškos Visatoje metodai. Vienas iš tokių metodų yra antibranduolinių elementų stebėjimas kosmose. Tai turėtų būti antibranduoliai, kurių masės skaičius A > 4. Jei pavyktų aptikti antihelio branduolius netoli Žemės, gautume pakankamai tvirtų įrodymų, kad Visatoje yra padidėjusio antimedžiagos kiekio regionų.
Kodėl turėtume ieškoti antihelio branduolių ar sunkesnių branduolių, kad galėtume ieškoti antimedžiagos? Faktas yra tas, kad antiprotonai gali susidaryti ultrareliatyvistinių protonų ar kitų kosminių spindulių branduolių sąveikos metu. Tokių antiprotonų (dažniausiai vadinamų antriniais) energijos spektras turėtų turėti platų maksimumą 2 GeV srityje. Kiti antiprotonų, vadinamų pirminiais, šaltiniai galėtų būti hipotetinių supersimetrinių dalelių, iš kurių turėtų sudaryti tamsioji medžiaga, sunaikinimas – neutralios ir (arba) „pirminių“ juodųjų skylių išgarinimas. Suporuotas neutralinų sunaikinimas gali sukelti kvarkų ir antikvarkų purkštukų gimimą, o vėliau jų hadronizaciją ir antiprotonų susidarymą. Pirminės juodosios skylės galėjo susidaryti ankstyvojoje Visatoje. Tokios 10 14-15 masės juodosios skylės gali gana intensyviai išgarinti daleles (Hawkingo spinduliuotė). Tokių pirminių antiprotonų indėlį į įrašytą energijos spektrą galima pabandyti aptikti mažos energijos srityje< 1 ГэВ.
Antrinių antiprotonų srautą galima įvertinti atsižvelgiant į priimtą Galaxy modelį. Jis pasiekia maksimumą esant ~10 GeV energijai. Regione, kurio energija yra iki kelių šimtų GeV, atsižvelgiant į spektro pobūdį, yra vilties gauti informacijos apie bariogenezę ir (arba) supersimetrinių dalelių ir (arba) WIMP sunaikinimą.
Daug mažiau tikėtinas antideuteronų susidarymas veikiant kosminiams spinduliams. Antrinių antideuteronų spektras turėtų būti perkeltas į didesnę energiją, palyginti su antrinių antiprotonų spektru, ir turėtų greitai mažėti mažėjant energijai. Pirmykščių antideuteronų, susidarančių naikinant tamsiosios medžiagos daleles ir (arba) išgarinant pirmykštes juodąsias skyles, spektro maksimumo tikimasi esant energijai.< 1 ГэВ.
Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо
разделены.
Antihelio branduolių susidarymo tikimybė veikiant kosminiams spinduliams yra nykstanti. Iš tiesų, kad tai įvyktų, vienoje vietoje ir beveik vienu metu turi susidaryti du antiprotonai ir du antineutronai, o jų santykiniai greičiai turi būti maži. 1997 metais Pascalis Chardonnet įvertino tokio įvykio tikimybę. Jo vertinimu, 10 15 ultrareliatyvistinių kosminių spindulių protonų gali susidaryti vienas antihelio branduolys. Vidutinis tokio įvykio laukimo laikas yra 15 milijardų metų, o tai prilygsta Visatos amžiui.
Jei Visatoje ankstyvoje evoliucijos stadijoje iš tiesų susidarė erdvės sritys, kuriose vyravo medžiaga arba antimedžiaga, tai jie turėtų atsiskirti, nes Ties šių sričių riba susidaro lengvas slėgis, kuris atskiria materiją ir antimedžiagą. Riboje tarp regionų, kuriuose yra materijos ir antimedžiagos, turėtų įvykti anihiliacija ir atitinkamai išspinduliuoti naikinimo gama kvantai. Tačiau šiuolaikiniai gama spindulių teleskopai tokios spinduliuotės neaptinka. Remiantis teleskopų jautrumu, buvo atlikti įverčiai. Anot jų, antimaterijos regionai negali būti arčiau nei 65 milijonai šviesmečių. Taigi, tokių sričių nėra ne tik mūsų galaktikoje, bet ir mūsų galaktikų spiečiuje, kurį sudaro, be Paukščių Tako, dar 50 galaktikų.
Aptikti tokiais atstumais susidariusius antihelio branduolius yra sudėtinga problema. Ne taip paprasta antihelio branduoliui iš tokio didelio atstumo nuskristi iki detektoriaus ir būti užregistruotam. Visų pirma, jis gali įsipainioti į galaktikos ir tarpgalaktinius magnetinius laukus ir taip niekada neskristi toli nuo susiformavimo vietos. Be to, antiheliui nuolat gresia sunaikinimas. Ir galiausiai detektorius nėra per didelis taikinys, kad jį būtų galima lengvai pataikyti iš tokio milžiniško atstumo. Todėl antihelio branduolių aptikimo efektyvumas yra itin mažas.
Antihelio „kelionės“ sąlygomis yra daug neapibrėžtumo, o tai neleidžia įvertinti branduolių aptikimo tikimybės. Visada yra galimybė, kad jei detektorius būtų buvęs šiek tiek jautresnis, atradimas būtų įvykęs.
Aišku tik tai, kad mažai energijos naudojančio antibranduolio „kelionės“ laikas gali būti trumpesnis už Visatos gyvavimo trukmę. Todėl būtina medžioti didelės energijos antibranduolius. Be to, tokie branduoliai turi didesnę galimybę įveikti galaktikos kosminį vėją.
Kalbant apie pozitronus ir antiprotonus, juos taip pat gali išspinduliuoti hipotetiniai antimedžiagos regionai ir prisidėti prie spektrų, išmatuotų šalia Žemės. Palyginti su antiprotonais, pozitronus aptikti sunkiau. Taip yra dėl to, kad protonų, kurie yra fono šaltinis, srautai yra 10 3 didesni už pozitronų srautus. Signalai iš pozitronų, ateinančių iš antimaterijos regionų, gali būti „praryti“ signalų iš pozitronų, atsirandančių dėl kitų procesų. Tuo tarpu pozitronų kilmė kosminiuose spinduliuose taip pat nėra iki galo žinoma. Ar kosminiuose spinduliuose yra pirmykščių pozitronų? Ar yra ryšys tarp antiprotonų pertekliaus ir pozitronų? Norint išsiaiškinti situaciją, būtina išmatuoti pozitronų spektrus plačiame energijos diapazone.
Pirmą kartą instrumentą, skirtą kosminiams spinduliams tirti į viršutinius atmosferos sluoksnius naudojant balioną, 1907 m. paleido Viktoras Hessas. Iki šeštojo dešimtmečio pradžios kosminių spindulių tyrimai buvo svarbiausių dalelių fizikos atradimų šaltinis. Nuo 1979 m. tokiuose eksperimentuose buvo stebimi antiprotonai (Bogomolov, E. A. ir kt., 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), t. 1, p. 330; Golden, R. L. ir kt., 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Jie atvėrė naujas galimybes tiriant antimateriją ir tamsiąją medžiagą. Šiuolaikiniai kosminių spindulių tyrimai naudoja greitintuvų eksperimentams sukurtus metodus.
Dar visai neseniai beveik visa informacija apie antidaleles kosminiuose spinduliuose buvo gauta naudojant detektorius, paleistus į aukštą atmosferą balionuose. Tuo pačiu metu kilo įtarimas, kad antiprotonų yra daugiau, nei tikėtasi įvertinus jų atsiradimo tikimybę dėl kosminių spindulių sąveikos su tarpžvaigždine terpe (antriniai antiprotonai). „Pertekliniams“ antiprotonams paaiškinti pasiūlyti mechanizmai davė skirtingas antiprotonų energijos spektrų prognozes. Tačiau trumpas oro baliono skrydžio laikas ir žemės atmosferos likučių buvimas apribojo tokio tipo eksperimento galimybes. Duomenys turėjo didelį neapibrėžtumą, be to, energija neviršijo 20 GeV.
Antidalelėms registruoti naudojami dideli balionai (iki 3 mln. kub. metrų), galintys pakelti iki 3 tonų sveriančius sunkius detektorius į ~40 km aukštį Paprastai jie, kaip ir Montgolfiers, yra atviri apačioje ir praranda helio, kai lauko temperatūra nukrenta. Daugeliu atvejų skrydžio trukmė neviršija 24 valandų. Be to, atmosferos temperatūra, sparčiai nukritus nuo nulio iki 20–25 km, pradeda kilti, maksimumą pasiekia ~40 km aukštyje, po to vėl pradeda mažėti. Kadangi mažėjant lauko oro temperatūrai baliono tūris mažėja, maksimalus kėlimo aukštis negali būti didesnis nei ~40 km. Tokiame aukštyje atmosfera vis dar gana tanki, o kelių dešimčių GeV energijų antiprotonų srautas, susidaręs sąveikaujant pirminiams kosminiams spinduliams su likutine atmosfera, viršija galaktikos terpėje susidarančių antiprotonų srautą. Esant didesnei aptiktų dalelių energijai, paklaidos tampa per didelės, kad būtų gauti patikimi rezultatai.
Pastaruoju metu pradėti vykdyti ilgesni skrydžiai (iki 20 dienų). Jie taip pat naudoja atvirus balionus, tačiau helio nuostoliai gerokai sumažėjo dėl to, kad balionai buvo paleisti labai didelėse platumose, netoli ašigalių, poliarinės dienos metu. Tačiau jų naudingosios apkrovos masė skrendant į 40 km aukštį neviršija 1 tonos. Tai per maža, kad būtų galima išmatuoti antimedžiagos srautus esant didelei energijai. Itin ilgiems skrydžiams oro balionu (apie 100 dienų) įgyvendinti planuojama naudoti uždarus oro balionus. Jie yra storesni ir sunkesni, nepraranda helio ir gali atlaikyti slėgio skirtumus viduje ir išorėje. Jie gali pakelti palyginti lengvus, mažiau nei 1 toną, įrankius.
Ryžiai. 20.1. Baliono su fizine įranga paleidimas.
Ryžiai. 20.2. BESS-Polar II kosminės spinduliuotės detektorius. Spektrometras (1) su saulės baterijomis (2).
Kaip eksperimento dalis buvo atlikta antihelio paieška naudojant balionų spektrometrus BESS (B nešamas alūnu E xeksperimentas su S perlaidus S spektrometras) (20.2 pav.). Nuo 1993 iki 2000 m. BESS spektrometrai buvo pakartotinai paleisti į viršutinius atmosferos sluoksnius Kanados šiaurėje. Skrydžio trukmė buvo apie vieną dieną. Spektrometras buvo nuolat tobulinamas, o jautrumas didinamas. Bendras jautrumas helio / antihelio santykiui, pasiektam šioje skrydžių serijoje, yra ~ 6,8 × 10 -7 kietumo diapazone 1-14 GV. BESS-TeV eksperimente (2001 m.) spektrometro kietumo diapazonas padidintas iki 500 GV ir pasiektas 1,4×10 −4 jautrumas. Padidinti statistiką 2004–2008 m. Antarktidoje buvo vykdomi pažangių spektrometrų (0,6-20 GV) kelių dienų skrydžiai. 2004-2005 metais BESS-Polar I skrydžio metu, kuris truko 8,5 dienos, buvo pasiektas 8 × 10 −6 jautrumas. 2007-2008 metais BESS-Polar II skrydžio metu (matavimo trukmė 24,5 dienos) buvo pasiektas 9,8×10 −8 jautrumas. Bendras jautrumas, atsižvelgiant į visus BESS skrydžius, pasiekė 6,7×10 −8 vertę. Nerasta nei vieno antihelio branduolio.
BESS-Polar II skrydžio metu naudotą magnetinį spektrometrą sudaro superlaidus solenoidinis magnetas su itin plonomis sienelėmis, centrinis sekiklis (JET/IDC), skrydžio laiko (TOF) hodoskopas ir Čerenkovo detektorius. 20.3 pav.).
Ryžiai. 20.3. BESS-Polar II eksperimento spektrometro pjūvis.
Skrydžio laiko hodoskopas leidžia išmatuoti greitį (β) ir energijos nuostolius (dE/dx). Jį sudaro viršutinis ir apatinis plastikinis scintiliacijos skaitiklis, sudarytas iš 10 ir 12 scintiliacinių juostelių (100 × 950 × 10 mm). Skrydžio laiko sistemos laiko skiriamoji geba yra ~70 ps. Be to, yra trečiasis scintiliacijos skaitiklis (Middle-TOF), esantis solenoido viduje ir susidedantis iš 64 plastikinių scintiliatoriaus strypų. Tai leidžia sumažinti registracijos energijos slenkstį dėl dalelių, kurios negali skristi per apatinę solenoido dalį.
Dreifo kameros yra vienodame magnetiniame lauke. Naudojant 28 taškus, kurių kiekvieno tikslumas yra 200 μm, apskaičiuojamas į spektrometrą skrendančios dalelės trajektorijos kreivumas, leidžiantis nustatyti jos magnetinį standumą R = pc/Ze ir krūvio ženklą.
Airhelio Čerenkovo skaitiklis leidžia atskirti signalus nuo antiprotonų ir antideuteronų iš fono e - /μ - .
Ryžiai. 20.4. Dalelių identifikavimas BESS įrenginyje.
Dalelės identifikuojamos pagal masę (20.4 pav.), kuri yra susijusi su standumu R, dalelių greičiu β ir energijos nuostoliais dE/dx, išmatuotu naudojant skrydžio laiko skaitiklius ir dreifo kameras.
Šiuo tikslu atitinkamos sritys identifikuojamos dvimačiuose skirstiniuose dE/dx – |R| ir β-1 – R.
Žemės antiprotoninės spinduliuotės juosta
PAMELA bendradarbiavimas aptiko radiacijos juostą aplink Žemę Pietų Atlanto anomalijos regione. Antiprotonų ir protonų spektrai buvo matuojami tiesiogiai spinduliavimo juostoje ir už jos ribų (20.5, 20.6 pav.).
Parodyta, kad antiprotonai, kurie buvo užfiksuoti ant cilindrų ir palydovų sumontuotų detektorių, yra antrinės kilmės. Jie susidaro dėl galaktikos kosminių spindulių sąveikos su tarpžvaigždine medžiaga arba atmosfera vykstant reakcijai pp → ppp. Tačiau daug didesnį indėlį įneša albedo antineutronų (antineutronų, kurių srautas nukreiptas iš Žemės) skilimas, atsirandantis reakcijos metu.
pp → ppn .
Šie antineutronai praeina per geomagnetinį lauką ir suyra, sudarydami antiprotonus → + e + + ν e. Kai kuriuos gautus antiprotonus gali užfiksuoti magnetosfera, sudarydama antiprotoninę spinduliuotės juostą. Kaip pagrindinis protonų spinduliuotės diržo šaltinis yra albedo neutronų skilimas, antineutronų skilimas lemia antiprotonų juostos susidarymą.
Iš eksperimentinių duomenų matyti, kad antiprotonų tankis radiacijos juostoje yra 3–4 eilėmis didesnis nei antiprotonų tankis už spinduliuotės juostos. Antiprotonų spektro forma, susidariusi tiesiogiai dėl galaktikos kosminių spindulių sąveikos, praktiškai sutampa su antiprotonų spektro forma už antiprotoninės spinduliuotės juostos.
Antimaterijos aptikimo Visatoje problema toli gražu nėra išspręsta. Aktyvi antimedžiagos paieška numatyta Ermio ir kitų kosminių teleskopų programose.
