Pred kratkim so člani kolaboracije ALICE v CERN-u rekordno natančno izmerili mase jeder antimaterije in celo ocenili energijo, ki v njih veže antiprotone na antinevtrone. Doslej ni bilo ugotovljene bistvene razlike med temi parametri v materiji in antimateriji, vendar to ni glavna stvar. Pomembno je, da prav zdaj, v zadnjih nekaj letih, postajajo za meritve in opazovanja na voljo ne le antidelci, ampak tudi antinukleusi in celo antiatomi. To pomeni, da je čas, da ugotovimo, kaj je antimaterija in kakšno mesto zavzemajo njene raziskave v sodobni fiziki.
Poskusimo uganiti nekaj vaših prvih vprašanj o antimateriji.
Ali je res, da je mogoče iz antimaterije izdelati super-močno bombo? Je možno, da se v CERN-u dejansko kopiči antimaterija, kot je prikazano v filmu Angeli in demoni, in da je zelo nevarna? Ali drži, da bo antimaterija izjemno učinkovito gorivo za vesoljska potovanja? Je kaj resnice v ideji o pozitronskih možganih, s katerimi je Isaac Asimov v svojih delih obdaril robote?...
Nobena skrivnost ni, da je antimaterija za večino ljudi povezana z nečim izjemno (eksplozivno) nevarnim, z nečim sumljivim, z nečim, kar buri domišljijo s fantastičnimi obljubami in ogromnimi tveganji – od tod tudi takšna vprašanja. Priznajmo: fizikalni zakoni vsega tega neposredno ne prepovedujejo. Vendar je udejanjanje teh idej tako daleč od realnosti, od sodobnih tehnologij in tehnologij naslednjih desetletij, da je pragmatičen odgovor preprost: ne, za sodobni svet to ne drži. Pogovor o teh temah je preprosto fantazija, ki ne temelji na resničnih znanstvenih in tehničnih dosežkih, temveč na njihovi ekstrapolaciji daleč onkraj meja sodobnih zmožnosti. Če želite imeti resen pogovor o teh temah, se približajte 2100. Za zdaj se pogovorimo o dejanskih znanstvenih raziskavah antimaterije.
Kaj je antimaterija?
Naš svet je zasnovan tako, da za vsako vrsto delcev - elektrone, protone, nevtrone itd. - obstajajo antidelci (pozitroni, antiprotoni, antinevtroni). Imajo enako maso in, če so nestabilni, enako razpolovno dobo, vendar imajo nasprotne naboje in druga števila, ki označujejo interakcijo. Pozitroni imajo enako maso kot elektroni, le pozitiven naboj. Antiprotoni imajo negativen naboj. Antinevtroni so električno nevtralni, tako kot nevtroni, vendar imajo nasprotno barionsko število in so sestavljeni iz antikvarkov. Antinukleus je mogoče sestaviti iz antiprotonov in antinevtronov. Z dodajanjem pozitronov ustvarimo antiatome, z njihovim kopičenjem pa dobimo antimaterijo. Vse to je antimaterija.
In tukaj je nekaj zanimivih podrobnosti, o katerih je vredno govoriti. Prvič, sam obstoj antidelcev je velika zmaga teoretične fizike. To neočitno in za nekatere celo šokantno idejo je teoretično izpeljal Paul Dirac in je bila sprva sprejeta sovražno. Še več, tudi po odkritju pozitronov so mnogi še vedno dvomili v obstoj antiprotonov. Prvič, rekli so, da je Dirac prišel s svojo lastno teorijo za opis elektrona, in ni dejstvo, da bo delovala za proton. Na primer, magnetni moment protona se večkrat razlikuje od napovedi Diracove teorije. Drugič, dolgo so iskali sledi antiprotonov v kozmičnih žarkih, a niso našli ničesar. Tretjič, trdili so - dobesedno ponavljajo naše besede - da če obstajajo antiprotoni, potem morajo obstajati antiatomi, antizvezde in antigalaksije, ki bi jih zagotovo opazili v grandioznih kozmičnih eksplozijah. Ker tega ne vidimo, je verjetno zato, ker antimaterija ne obstaja. Zato je bilo eksperimentalno odkritje antiprotona leta 1955 na novo zagnanem pospeševalniku Bevatron precej netrivialen rezultat, ki je bil leta 1959 nagrajen z Nobelovo nagrado za fiziko. Leta 1956 so na istem pospeševalniku odkrili antinevtron. Zgodbo o teh iskanjih, dvomih in dosežkih je mogoče najti v številnih zgodovinskih esejih, na primer v tem poročilu ali v nedavni knjigi Franka Closea Antimatter.
Vendar je treba ločeno povedati, da je zdrav dvom v čisto teoretične izjave vedno koristen. Na primer, izjava, da imajo antidelci enako maso kot delci, je prav tako teoretični rezultat; izhaja iz zelo pomembnega izreka CPT. Da, na tej trditvi je zgrajena sodobna, eksperimentalno preizkušena fizika mikrosveta. A vseeno gre za enakost: kdo ve, morda bomo tako našli meje uporabnosti teorije.
Še ena značilnost: vse sile mikrosveta se ne nanašajo enako na delce in antidelce. Za elektromagnetne in močne interakcije med njimi ni razlike, za šibke pa je. Zaradi tega se nekatere subtilne podrobnosti interakcij delcev in antidelcev razlikujejo, na primer verjetnosti razpada delca A v množico delcev B in anti-A v množico anti-B (za več podrobnosti o razlike, glej zbirko Pavla Pakhova). Ta lastnost nastane, ker šibke interakcije porušijo CP simetrijo našega sveta. Toda zakaj se to zgodi, je ena od skrivnosti osnovnih delcev in zahteva preseganje meja znanega.
Tukaj je še ena subtilnost: nekateri delci imajo tako malo značilnosti, da se antidelci in delci med seboj sploh ne razlikujejo. Takšni delci se imenujejo resnično nevtralni. To je foton, Higgsov bozon, nevtralni mezon, sestavljen iz kvarkov in antikvarkov iste vrste. Toda situacija z nevtrini je še vedno nejasna: morda so resnično nevtralni (Majorana) ali morda ne. To je ključnega pomena za teorijo, ki opisuje mase in interakcije nevtrinov. Odgovor na to vprašanje bo res velik korak naprej, saj nam bo pomagal razumeti strukturo našega sveta. Eksperiment o tem še ni povedal nič nedvoumnega. Toda eksperimentalni program za raziskovanje nevtrinov je tako močan, da se izvaja toliko poskusov, da se fiziki postopoma približujejo rešitvi.
Kje je ta antimaterija?
Ko se antidelec sreča s svojim delcem, ta anihilira: oba delca izgineta in se spremenita v niz fotonov ali lažjih delcev. Vsa energija počitka se spremeni v energijo te mikroeksplozije. To je najučinkovitejša pretvorba mase v toplotno energijo, več stokrat učinkovitejša od jedrske eksplozije. Toda okoli sebe ne vidimo nobenih veličastnih naravnih eksplozij; Antimaterija v naravi ne obstaja v znatnih količinah. Vendar se lahko posamezni antidelci rodijo v različnih naravnih procesih.
Najlažji način je ustvarjanje pozitronov. Najenostavnejša možnost je radioaktivnost, razpad nekaterih jeder zaradi pozitivne beta radioaktivnosti. Na primer, v poskusih se kot vir pozitronov pogosto uporablja izotop natrij-22 z razpolovno dobo dveh let in pol. Drugi, dokaj nepričakovan naravni vir je, med katerim se včasih zaznajo bliski sevanja gama iz anihilacije pozitronov, kar pomeni, da so se pozitroni nekako tam rodili.
Težje je ustvariti antiprotone in druge antidelce: za to ni dovolj energije radioaktivnega razpada. V naravi se rodijo pod vplivom visokoenergijskih kozmičnih žarkov: kozmični proton ob trku z neko molekulo v zgornjih plasteh atmosfere ustvari tokove delcev in antidelcev. Vendar se to dogaja tam zgoraj, antiprotoni skoraj nikoli ne dosežejo tal (kar ni bilo znano tistim, ki so v 40. letih iskali antiprotone v kozmičnih žarkih), in tega vira antiprotonov ne morete prinesti v laboratorij.
V vseh fizikalnih poskusih se antiprotoni proizvajajo s "surovo silo": vzamejo žarek visokoenergijskih protonov, ga usmerijo na tarčo in razvrstijo "hadronske ostanke", ki nastanejo v velikih količinah pri tem trku. Razvrščeni antiprotoni se izločajo v obliki žarka, nato pa se bodisi pospešijo do visokih energij, da trčijo s protoni (tako je deloval npr. ameriški trkalnik Tevatron), ali pa se, nasprotno, upočasnijo in uporablja za bolj subtilne meritve.
V CERN-u, ki se lahko upravičeno ponaša z dolgo zgodovino raziskovanja antimaterije, obstaja poseben »pospeševalec« AD, »Antiproton Moderator«, ki opravlja prav to nalogo. Vzame žarek antiprotonov, jih ohladi (tj. upočasni) in nato porazdeli tok počasnih antiprotonov na več posebnih poskusov. Mimogrede, če želite pogledati stanje AD v realnem času, potem spletni monitorji Cernov to omogočajo.
Že zdaj je zelo težko sintetizirati antiatome, tudi tiste najenostavnejše, antivodikove atome. V naravi sploh ne nastanejo - ni ustreznih pogojev. Celo v laboratoriju je treba premagati številne tehnične težave, preden se antiprotoni udovolijo združiti s pozitroni. Težava je v tem, da so antiprotoni in pozitroni, ki jih oddajajo viri, še prevroči; preprosto bodo trčili drug ob drugega in razleteli, namesto da bi oblikovali antiatom. Fiziki še vedno premagujejo te težave, vendar z dokaj zvitimi metodami (kot je storjeno v enem od poskusov ASACUSA Cern).
Kaj je znanega o antinukleusih?
Vsi antiatomski dosežki človeštva se nanašajo samo na antivodik. Antiatomov drugih elementov še niso sintetizirali v laboratoriju in jih v naravi niso opazili. Razlog je preprost: antinukleuse je še težje ustvariti kot antiprotone.
Edini način, ki ga poznamo, da ustvarimo antinukleuse, je, da trčimo v težka jedra visokih energij in vidimo, kaj se tam zgodi. Če je energija trka visoka, se bo rodilo na tisoče delcev, vključno z antiprotoni in antinevtroni, ki se bodo razpršili v vse smeri. Antiprotoni in antinevtroni, ki se po nesreči oddajo v eno smer, se lahko med seboj združijo in tvorijo antinukleus.
Detektor ALICE lahko razlikuje med različnimi jedri in antinukleusi na podlagi njihovega sproščanja energije in smeri zasuka v magnetnem polju.
Slika: CERN
Metoda je preprosta, a ne preveč neučinkovita: verjetnost, da bi na ta način sintetizirali jedro, močno upade, ko se poveča število nukleonov. Najlažja antinukleusa, antidevteron, so prvič opazili pred natanko pol stoletja. Antihelij-3 je bil viden leta 1971. Znana sta tudi antitriton in antihelij-4, slednji je bil odkrit pred kratkim, leta 2011. Težjih antinukleusov še niso opazili.
Dva parametra, ki opisujeta nukleon-nukleonske interakcije (sipalna dolžina f0 in efektivni polmer d0) za različne pare delcev. Rdeča zvezdica je rezultat za par antiprotonov, pridobljenih s sodelovanjem STAR.
Na žalost na ta način ne morete narediti antiatomov. Antinukleusi ne le redko nastajajo, ampak imajo tudi preveč energije in letijo ven na vse strani. Poskušati jih ujeti na trkalniku in jih nato peljati skozi poseben kanal in ohladiti, je nerealno.
Vendar je včasih dovolj, da natančno sledimo antinukleusom med letom, da pridobimo nekaj zanimivih informacij o antinuklearnih silah, ki delujejo med antinukleoni. Najenostavneje je natančno izmeriti maso antinukleusov, jo primerjati z vsoto mas antiprotonov in antinevtronov ter izračunati masni defekt, tj. jedrska vezna energija. Nedavno deluje na velikem hadronskem trkalniku; Vezavna energija za antidevteron in antihelij-3 je sovpadala v mejah napake z običajnimi jedri.
Drug, bolj subtilen učinek je proučeval eksperiment STAR na ameriškem trkalniku težkih ionov RHIC. Izmeril je kotno porazdelitev proizvedenih antiprotonov in ugotovil, kako se spremeni, ko sta dva antiprotona oddana v zelo blizu smeri. Korelacije med antiprotoni so prvič omogočile merjenje lastnosti "antinuklearnih" sil, ki delujejo med njimi (razpršilna dolžina in efektivni radij interakcije); so sovpadale s tem, kar je znano o interakciji protonov.
Ali je v vesolju antimaterija?
Ko je Paul Dirac iz svoje teorije sklepal o obstoju pozitronov, je popolnoma domneval, da lahko nekje v vesolju obstajajo resnični protisvetovi. Zdaj vemo, da v vidnem delu vesolja ni zvezd, planetov ali galaksij, narejenih iz antimaterije. Bistvo niti ni v tem, da anihilacijske eksplozije niso vidne; Preprosto popolnoma nepredstavljivo je, kako so sploh lahko nastali in preživeli do danes v nenehno razvijajočem se vesolju.
Toda vprašanje "kako se je to zgodilo" je še ena velika skrivnost sodobne fizike; v znanstvenem jeziku se imenuje problem bariogeneze. Po kozmološki sliki sveta je bilo v najzgodnejšem vesolju enako število delcev in antidelcev. Potem bi se moral zaradi kršitve CP simetrije in barionskega števila v dinamično razvijajočem se vesolju pojaviti majhen presežek snovi nad antimaterijo na ravni ene milijarde. Ko se je vesolje ohlajalo, so se vsi antidelci segreli z delci; le ta presežek snovi je preživel, kar je rodilo vesolje, ki ga opazujemo. Zaradi njega je v njej ostalo vsaj nekaj zanimivega, po njegovi zaslugi sploh obstajamo. Kako natančno je nastala ta asimetrija, ni znano. Teorij je veliko, katera je resnična, pa ni znano. Jasno je le, da mora biti to zagotovo nekakšna Nova fizika, teorija, ki presega standardni model, presega meje eksperimentalno preverjenega.
Tri možnosti, od kod lahko izvirajo antidelci v visokoenergijskih kozmičnih žarkih: 1 - lahko preprosto nastanejo in pospešijo v "kozmičnem pospeševalniku", na primer v pulsarju; 2 - lahko se rodijo med trki navadnih kozmičnih žarkov z atomi medzvezdnega medija; 3 - lahko nastanejo med razpadom težkih delcev temne snovi.
Čeprav ni planetov ali zvezd iz antimaterije, je antimaterija še vedno prisotna v vesolju. Tokove pozitronov in antiprotonov različnih energij beležijo satelitski observatoriji kozmičnih žarkov, kot so PAMELA, Fermi, AMS-02. Dejstvo, da pozitroni in antiprotoni pridejo k nam iz vesolja, pomeni, da se rodijo nekje tam zunaj. Visokoenergijski procesi, ki jih lahko ustvarijo, so načeloma znani: to so močno namagnetene soseščine nevtronskih zvezd, različne eksplozije, pospeševanje kozmičnih žarkov na frontah udarnih valov v medzvezdnem mediju itd. Vprašanje je, ali lahko pojasnijo vse opažene lastnosti toka kozmičnih antidelcev. Če se ne izkaže, bo to dokaz v prid dejstvu, da nekateri od njih nastanejo pri razpadu ali anihilaciji delcev temne snovi.
Tukaj je tudi skrivnost. Leta 2008 je observatorij PAMELA odkril sumljivo veliko število visokoenergijskih pozitronov v primerjavi s predvidevanjem teoretičnega modeliranja. Te rezultate je nedavno potrdila naprava AMS-02 - eden od modulov Mednarodne vesoljske postaje in nasploh največji detektor osnovnih delcev, izstreljen v vesolje (in sestavljen, uganite kje? - pravilno, v CERN). Ta presežek pozitronov vznemirja ume teoretikov - navsezadnje za to morda niso odgovorni "dolgočasni" astrofizični objekti, temveč težki delci temne snovi, ki razpadejo ali anihilirajo v elektrone in pozitrone. Tukaj še ni jasnosti, vendar namestitev AMS-02, pa tudi številni kritični fiziki zelo natančno preučujejo ta pojav.
Razmerje med antiprotoni in protoni v kozmičnih žarkih različnih energij. Pike so eksperimentalni podatki, večbarvne krivulje so astrofizikalna pričakovanja z različnimi napakami.
Slika: Univerzitetna knjižnica Cornell
Nejasna je tudi situacija z antiprotoni. Aprila letos je AMS-02 na posebni znanstveni konferenci predstavil preliminarne rezultate novega cikla raziskav. Glavni poudarek poročila je bila trditev, da AMS-02 vidi preveč visokoenergijskih antiprotonov - in to bi lahko bil tudi namig na razpad delcev temne snovi. Vendar se drugi fiziki ne strinjajo s tako veselo ugotovitvijo. Zdaj se domneva, da je antiprotonske podatke iz AMS-02 mogoče z določeno mero razložiti s konvencionalnimi astrofizikalnimi viri. Tako ali drugače vsi nestrpno pričakujejo nove podatke o pozitronih in antiprotonih iz AMS-02.
AMS-02 je zaznal že na milijone pozitronov in četrt milijona antiprotonov. Toda ustvarjalci te instalacije imajo svetle sanje - ujeti vsaj eno antinukleus. To bo prava senzacija - naravnost neverjetno je, da bi se antinukleusi rodili nekje v vesolju in prileteli k nam. Zaenkrat tak primer še ni bil odkrit, a zbiranje podatkov se nadaljuje in kdo ve, kakšna presenečenja nam pripravlja narava.
Antimaterija - antigravitacija? Kako sploh čuti gravitacijo?
Če se zanašamo le na eksperimentalno preverjeno fiziko in se ne spuščamo v eksotične, še nepotrjene teorije, potem bi morala gravitacija na antimaterijo delovati povsem enako kot na snov. Za antimaterijo ni pričakovati antigravitacije. Če si dovolimo pogledati še malo dlje, čez meje znanega, potem so čisto teoretično možne opcije, ko poleg običajne univerzalne gravitacijske sile obstaja še nekaj dodatnega, ki različno deluje na materijo in antimaterijo. Ne glede na to, kako iluzorna se zdi ta možnost, jo je treba eksperimentalno preveriti, za to pa je treba izvesti poskuse, da bi preverili, kako antimaterija čuti zemeljsko gravitacijo.
Dolgo časa tega res ni bilo mogoče narediti iz preprostega razloga, ker je za to potrebno ustvariti posamezne atome antimaterije, jih ujeti in z njimi izvajati poskuse. Zdaj smo se naučili, kako to storiti, tako da je dolgo pričakovani test tik pred vrati.
Glavni dobavitelj rezultatov je isti CERN s svojim obsežnim programom za preučevanje antimaterije. Nekateri od teh poskusov so že posredno potrdili, da je gravitacija antimaterije v redu. Na primer, odkril je, da (inertna) masa antiprotona z zelo visoko natančnostjo sovpada z maso protona. Če bi gravitacija na antiprotone delovala drugače, bi fiziki razliko opazili – navsezadnje je bila primerjava narejena v isti napravi in pod enakimi pogoji. Rezultat tega poskusa: učinek gravitacije na antiprotone sovpada z vplivom na protone z natančnostjo, boljšo od ene milijoninke.
Vendar je ta meritev posredna. Da bi bil bolj prepričljiv, bi rad izvedel neposredni eksperiment: vzemite več atomov antimaterije, jih spustite in poglejte, kako padajo v gravitacijskem polju. Takšne poskuse izvajajo oziroma pripravljajo tudi v CERN-u. Prvi poskus ni bil preveč impresiven. Leta 2013 je eksperiment ALPHA - ki se je do takrat že naučil zadržati oblak antivodika v svoji pasti - poskušal ugotoviti, kam bi padli antiatomi, če bi past izklopili. Na žalost zaradi nizke občutljivosti eksperimenta ni bilo mogoče dobiti nedvoumnega odgovora: minilo je premalo časa, antiatomi so hiteli sem in tja v pasti, tu in tam so se pojavili izbruhi anihilacije.
Stanje obljubljata še dva Cernova poskusa: GBAR in AEGIS. Oba poskusa bosta na različne načine testirala, kako oblak ultrahladnega antivodika pade v gravitacijsko polje. Njihova pričakovana natančnost pri merjenju gravitacijskega pospeška za antimaterijo je približno 1 %. Obe namestitvi sta trenutno v fazi montaže in odpravljanja napak, glavne raziskave pa se bodo začele leta 2017, ko bo AD antiprotonski moderator dopolnjen z novim hranilnim obročem ELENA.
Različice obnašanja pozitronov v trdni snovi.
Slika: nature.com
Kaj se zgodi, če pozitron vstopi v snov?
Tvorba molekularnega pozitronija na površini kremena.
Slika: Clifford M. Surko / Atomska fizika: Pridih juhe iz antimaterije
Če ste prebrali do tukaj, že dobro veste, da takoj, ko delec antimaterije vstopi v običajno snov, pride do anihilacije: delci in antidelec izginejo in se spremenijo v sevanje. Toda kako hitro se to zgodi? Predstavljajmo si pozitron, ki je priletel iz vakuuma in vstopil v trdno snov. Ali bo anihilirala ob stiku s prvim atomom? Sploh ni potrebno! Uničenje elektrona in pozitrona ni trenutni proces; zahteva dolgo časa na atomskih lestvicah. Zato pozitronu uspe živeti svetlo življenje v materiji, polno netrivialnih dogodkov.
Prvič, pozitron lahko pobere osiroteli elektron in tvori vezano stanje, pozitronij (Ps). Ob ustrezni orientaciji spina lahko pozitronij živi več deset nanosekund pred anihilacijo. Ker je v trdni snovi, bo v tem času imel čas, da se milijonkrat zaleti v atome, saj je toplotna hitrost pozitronija pri sobni temperaturi približno 25 km/s.
Drugič, pozitronij, ki se premika v snovi, lahko pride na površje in se tam drži - to je pozitronski (ali bolje rečeno pozitronijev) analog atomske adsorpcije. Pri sobni temperaturi ne sedi na enem mestu, ampak aktivno potuje po površini. In če to ni zunanja površina, ampak nanometrska pora, potem je pozitronij dolgo časa ujet v njej.
Nadalje več. V standardnem materialu za tovrstne poskuse, poroznem kremenu, pore niso izolirane, ampak so povezane z nanokanali v skupno mrežo. Topel pozitronij, ki plazi po površini, bo imel čas za pregled na stotine por. In ker v takšnih poskusih nastane veliko pozitronija in skoraj vsi lezejo ven v pore, se prej ali slej zaletijo drug v drugega in v interakciji včasih tvorijo prave molekule - molekularni pozitronij, Ps 2. Potem lahko preučujete, kako se plin pozitronij obnaša, kakšna vzbujena stanja ima pozitronij itd. In ne mislite, da so to zgolj teoretični premisleki; Vsi ti učinki so bili že preizkušeni in eksperimentalno raziskani.
Ali ima antimaterija praktične aplikacije?
Seveda. Na splošno bo vsak fizični proces, če nam odpre nekaj novega vidika našega sveta in ne zahteva dodatnih stroškov, zagotovo našel praktično uporabo. Še več, takšne aplikacije, ki si jih sami ne bi zamislili, če ne bi odkrili in predhodno preučili znanstvene plati tega pojava.
Najbolj znana uporaba antidelcev je PET, pozitronska emisijska tomografija. Na splošno ima jedrska fizika impresivno zgodovino uporabe v medicini in antidelci tudi tu ne mirujejo. Pri PET se v pacientovo telo vbrizga majhen odmerek zdravila, ki vsebuje nestabilen izotop s kratko življenjsko dobo (minut do ur) in razpada zaradi pozitivnega beta razpada. Zdravilo se kopiči v želenih tkivih, jedra razpadejo in oddajajo pozitrone, ki v bližini anihilirajo in proizvedejo dva gama kvanta določene energije. Detektor jih registrira, določi smer in čas njihovega prihoda ter obnovi mesto, kjer je prišlo do razpada. To omogoča izdelavo tridimenzionalne karte porazdelitve snovi z visoko prostorsko ločljivostjo in minimalno dozo sevanja.
Pozitrone je mogoče uporabiti tudi v znanosti o materialih, na primer za merjenje poroznosti snovi. Če je snov neprekinjena, potem pozitroni, ki so obtičali v snovi na zadostni globini, precej hitro anihilirajo in oddajajo žarke gama. Če so znotraj snovi nanopore, je anihilacija zakasnjena, ker se pozitronij prilepi na površino por. Z merjenjem te zakasnitve je mogoče z brezkontaktno in nedestruktivno metodo določiti stopnjo nanoporoznosti snovi. To tehniko ponazarjajo nedavna dela o tem, kako se nanopore pojavijo in zaprejo v najtanjši plasti ledu, ko se hlapi nanesejo na površino. Podoben pristop deluje tudi pri proučevanju strukturnih napak v polprevodniških kristalih, na primer prostih mest in dislokacij, in omogoča merjenje strukturne utrujenosti materiala.
Antiprotoni imajo lahko tudi medicinske aplikacije. Zdaj v istem CERN-u poteka eksperiment ACE, ki proučuje učinek antiprotonskega žarka na žive celice. Njegov cilj je preučiti možnosti uporabe antiprotonov za zdravljenje raka.
Sproščanje energije ionskega žarka in rentgenskih žarkov pri prehodu skozi snov.
Slika: Johannes Gutleber/CERN
Ta ideja lahko bralca iz navade prestraši: kako je mogoče, da antiprotonski žarek zadene živega človeka?! Da, in to je veliko varnejše kot obsevanje globokega tumorja z rentgenskimi žarki! Antiprotonski žarek posebej izbrane energije postane v rokah kirurga učinkovito orodje, s katerim je mogoče izgoreti tumorje globoko v telesu in zmanjšati vpliv na okoliška tkiva. Za razliko od rentgenskih žarkov, ki sežgejo vse, kar pade pod žarek, težki nabiti delci na poti skozi snov sprostijo glavnino energije v zadnjih centimetrih, preden se ustavijo. S prilagajanjem energije delcev lahko spreminjate globino, na kateri se delci ustavijo; Prav to območje, veliko milimetrov, bo nosilo glavni vpliv sevanja.
Ta vrsta radioterapije s protonskim žarkom se že dolgo uporablja v številnih dobro opremljenih klinikah po vsem svetu. Pred kratkim so nekateri od njih prešli na ionsko terapijo, ki namesto protonov uporablja žarek ogljikovih ionov. Pri njih je profil sproščanja energije še bolj kontrasten, kar pomeni, da se poveča učinkovitost para »terapevtski učinki proti stranskim učinkom«. Toda že dolgo je bilo predlagano, da bi v ta namen poskusili z antiprotoni. Konec koncev, ko vstopijo v snov, ne le oddajo svojo kinetično energijo, ampak po zaustavitvi tudi anihilirajo - in to večkrat poveča sproščanje energije. Kje se odloži ta dodatna energija, je zapleteno vprašanje in ga je treba skrbno preučiti, preden se začnejo klinična preskušanja.
Točno to počne eksperiment ACE. V njej raziskovalci preidejo žarek antiprotonov skozi kiveto, ki vsebuje bakterijsko kulturo, in merijo njihovo preživetje kot funkcijo lokacije, parametrov žarka in fizičnih značilnosti okolja. To metodično in morda dolgočasno zbiranje tehničnih podatkov je pomembna začetna faza vsake nove tehnologije.
Igor Ivanov
»Antimaterija se fizikalno in kemično ne razlikuje od snovi. Pravzaprav je to ista zadeva, le obrnjena navzven. Naši fizikalni in kemijski priročniki so prav tako primerni za procionide kot za nas. Opisujejo iste vzorce, iste reakcije z istimi elementi. Samo za njih je naša materija antimaterija. Vprašanje je, na katero stran gledati.« (Krzysztof Borun, »Antimir«, 1963)
Zamisel o možnosti obstoja antimaterije je bila izražena že v dobi klasične fizike, konec 19. stoletja.
Vodik in antivodik sta po zgradbi povsem enaka – sestavljena sta iz hadrona in leptona. V prvem primeru pozitivno nabit proton, sestavljen iz treh kvarkov (dva gor in en dol), in negativno nabit elektron tvorita atom poznanega vodika. Antivodik je sestavljen iz negativno nabitega antiprotona, ki je zgrajen iz treh ustreznih antikvarkov in pozitivno nabitega pozitrona (antidelec elektrona).
Anihilacija elektrona in pozitrona pri nizkih energijah generira vsaj dva (to je zaradi ohranitve gibalne količine) fotona. Ta proces lahko shematično prikažemo s tako imenovanim Feynmanovim diagramom. Ko je presežen določen energijski prag, lahko pride do anihilacije z rojstvom »virtualnih« fotonov, ki spet hitro razpadejo v pare elektronov in pozitronov.
Računalniški model anihilacije materije in antimaterije. Rdeče črte so fotoni, ki se sipajo v nasprotnih smereh med anihilacijo pozitronov, rumene črte pa so delci, ki nastanejo med anihilacijo antiprotonov. Sledi prihajajo iz ene same točke - to je dokaz, da antiprotoni in pozitroni tvorijo antivodikove atome (poskus ATHENA v CERN-u)
Komora za časovno projekcijo eksperimenta PANDA v mednarodnem centru FAIR v Darmstadtu
Odkritje antidelcev upravičeno velja za največji dosežek fizike dvajsetega stoletja. Prvič je dokazal nestabilnost materije na najgloblji, najbolj temeljni ravni. Pred tem so bili vsi prepričani, da je snov našega sveta sestavljena iz elementarnih delcev, ki nikoli ne izginejo ali se ponovno rodijo. Ta preprosta slika je postala preteklost, ko je bilo pred skoraj 80 leti dokazano, da elektron in njegov pozitivno nabit dvojček izgineta, ko se srečata, kar povzroči kvante elektromagnetnega sevanja. Kasneje se je izkazalo, da se delci mikrosveta na splošno radi spreminjajo drug v drugega, in to na več načinov. Odkritje antidelcev je pomenilo začetek radikalne preobrazbe temeljnih idej o naravi materije.
Ideja o možnosti obstoja antimaterije je bila prvič izražena leta 1898 - Anglež Arthur Schuster je v reviji Nature objavil zelo nejasen zapis, ki ga je verjetno navdihnilo nedavno odkritje elektrona. "Če obstaja negativna elektrika," je vprašal Schuster, "zakaj potem ne bi bilo negativno nabitega zlata, enako rumenega, z enakim tališčem in z enakim spektrom?" In takrat se - prvič v svetovni znanstveni literaturi - pojavita besedi "antiatom" in "antimaterija". Schuster je domneval, da se antiatomi med seboj privlačijo zaradi gravitacijskih sil, vendar jih navadna snov odbija.
Antielektrone so prvič opazili v poskusu, spet pred uradnim odkritjem. To je uspelo leningrajskemu fiziku Dmitriju Skobelcinu, ki je v dvajsetih letih prejšnjega stoletja proučeval sipanje žarkov gama na elektronih v oblačni komori, postavljeni v magnetno polje. Opazil je, da so nekatere skladbe, na videz elektronskega izvora, zakrivljene v napačno smer. Bistvo je seveda v tem, da lahko kvant gama pri interakciji s snovjo povzroči nastanek elektrona in pozitrona, ki se v magnetnem polju vrtita v nasprotni smeri. Skobelcin tega seveda ni vedel in ni mogel razložiti čudnega učinka, vendar je leta 1928 o tem poročal na mednarodni konferenci v Cambridgeu. Po zanimivem naključju je bil leto prej v svet St. John's College v Cambridgeu izvoljen mladi teoretični fizik Paul Dirac, katerega raziskave so na koncu omogočile razlago teh anomalij.
Diracova enačba
Leta 1926 je Avstrijec Erwin Schrödinger formuliral enačbo, ki opisuje obnašanje nerelativističnih delcev, ki jih ureja kvantna mehanika – diferencialno enačbo, katere rešitve določajo stanja delca. Schrödingerjeva enačba je opisala delec, ki nima lastne vrtilne količine - spina (z drugimi besedami, ne obnaša se kot vrh). Toda že leta 1926 je bilo znano, da imajo elektroni spin, ki ima lahko dve različni vrednosti: grobo povedano je os vrha elektrona usmerjena v prostoru le v dve nasprotni smeri (leto kasneje so bili podobni dokazi pridobljeni za protone) . Istočasno je švicarski teoretik Wolfgang Pauli posplošil Schrödingerjevo enačbo za elektron, tako da je omogočila upoštevanje spina. Tako je bil spin najprej eksperimentalno odkrit in nato umetno vsiljen Schrödingerjevi enačbi.
V Einsteinovi relativistični mehaniki je formula za energijo prostega delca videti bolj zapletena kot v Newtonovi mehaniki. Prevesti Einsteinovo formulo v kvantno enačbo ni težko; Schrödingerju in trem njegovim sodobnikom je to uspelo. Toda rešitve takšne enačbe kažejo, da se lahko verjetnost, da najdemo delec na določeni točki, izkaže za negativno, kar nima fizičnega pomena. Druge težave nastanejo zaradi dejstva, da se matematična struktura nove enačbe (imenovane Klein-Gordonova enačba) razlikuje od teorije relativnosti (v formalnem jeziku ni relativistično invariantna).
Dirac je leta 1927 razmišljal o tem problemu. Da bi ohranil invariantnost, v enačbo ni vključil kvadratov operatorjev energije in gibalne količine, temveč njihovo prvo potenco. Da bi zapisali enačbo v tej obliki, smo morali na začetku uvesti bolj zapletene matrike 4x4 od Paulijevih. Ta enačba ima štiri enakovredne rešitve in v dveh primerih je energija elektrona pozitivna, v dveh pa negativna.
Tu je nastala zatika. Prvi par rešitev je bil interpretiran preprosto - to je navaden elektron v vsakem od možnih spinskih stanj. Če Diracovi enačbi dodamo elektromagnetno polje, se zlahka izkaže, da ima elektron pravilen magnetni moment. To je bil velikanski uspeh za Diracovo teorijo, ki je elektronu podelila tako spin kot magnetni moment brez dodatnih predpostavk. Vendar se sprva nihče ni mogel odločiti, kaj storiti s preostalimi odločbami. Tako v Newtonovi kot Einsteinovi mehaniki energija prostega delca ni nikoli negativna in delci z energijo, manjšo od nič, so bili bega. Poleg tega ni bilo jasno, zakaj navadni elektroni ne preidejo v stanja z očitno nižjo energijo, ki jih predvideva Diracova teorija, medtem ko elektroni v lupinah atomov te priložnosti ne zamudijo.
Iskanje smisla
Dve leti pozneje je Dirac našel zelo lepo interpretacijo paradoksalnih rešitev. Po Paulijevem principu dva elektrona (kot kateri koli delec s polcelim spinom) ne moreta biti istočasno v istem kvantnem stanju. Po Diracu so vsa stanja z negativno energijo običajno že zapolnjena, prehod v ta stanja iz območja pozitivnih energij pa Paulijev princip prepoveduje. Zato je Diracovo morje elektronov z negativno energijo načeloma neopazno, a le dokler v njem ni prostih mest. Takšna praznina se lahko ustvari, če elektron izbijemo iz negativne energetske ravni na pozitivno (na primer z dovolj močnim kvantom elektromagnetnega sevanja). Ker bo elektronsko morje izgubilo enoto negativnega naboja, se bo nastala praznina (Dirac jo je imenoval luknja) v električnem polju obnašala kot delec s pozitivnim nabojem. Po isti logiki padec elektrona iz normalnega stanja v takšno luknjo vodi do izginotja tako elektrona kot luknje, ki ga spremlja emisija enega fotona.
Kako se Diracove luknje kažejo v resničnem svetu? Sprva jih je Dirac identificiral s protoni, o čemer je pisal leta 1930 v Nature. Bilo je milo rečeno čudno – proton je 2000-krat težji od elektrona. Bodoči akademik in Nobelov nagrajenec Igor Tamm in bodoči oče atomske bombe Robert Oppenheimer sta podala resnejši ugovor, pri čemer sta opozorila, da potem vsakemu atomu vodika grozi izumrtje, tega pa se v naravi ne zgodi. Dirac je to hipotezo kmalu opustil in septembra 1931 objavil članek, v katerem je napovedal, da se bodo luknje, če jih bo mogoče odkriti, izkazale za popolnoma nove delce, ki jih eksperimentalna fizika ne pozna. Predlagal je, da jih imenujemo antielektroni.
Diracov model je postal stvar zgodovine po nastanku kvantne elektrodinamike in kvantne teorije polja, ki delcem in antidelcem pripisujeta isto realnost. Iz kvantne elektrodinamike tudi izhaja, da srečanje prostega elektrona z antielektronom povzroči nastanek vsaj para kvantov, zato je v tem delu model enostavno napačen. Kot se pogosto zgodi, se je Diracova enačba izkazala za veliko pametnejšo od interpretacije, ki jo je predlagal njen ustvarjalec.
Odkritje antielektrona
Kot že omenjeno, je pozitrone dejansko opazoval Dmitrij Skobelcin. Leta 1930 jih je srečal podiplomski študent Caltecha Chung-Yao Chao med preučevanjem prehoda žarkov gama skozi svinčeno folijo. V tem poskusu so nastali pari elektron-pozitron, nakar so se novorojeni pozitroni uničili z elektroni atomskih lupin in ustvarili sekundarno sevanje gama, ki ga je posnel Chao. Vendar so številni fiziki dvomili o rezultatih in to delo ni bilo priznano.
Chaov vodja je bil predsednik Caltecha, Nobelov nagrajenec Robert Millikan, ki se je takrat ukvarjal s kozmičnimi žarki (on je skoval ta izraz). Millikan jih je imel za tok žarkov gama in je zato pričakoval, da bodo atome razdelili na elektrone in protone (nevtron so odkrili kasneje, leta 1932). Millikan je predlagal testiranje te hipoteze Karlu Andersonu, še enemu od njegovih podiplomskih študentov in tudi prijatelju Chaa. Tako kot Skobeltsin se je odločil uporabiti komoro oblakov, povezano z zelo močnim elektromagnetom. Anderson je dobil tudi sledi nabitih delcev, ki se po videzu niso razlikovale od sledi elektronov, ampak so bile ukrivljene v nasprotno smer. Sprva jih je pripisal elektronom, ki se ne premikajo od zgoraj navzdol, ampak od spodaj navzgor. Za nadzor je na sredino komore namestil 6 mm debelo svinčeno ploščo. Izkazalo se je, da so bili nad ploščo momenti delcev s tiri elektronskega tipa več kot dvakrat večji od tistih v spodnjem delu komore - iz tega je sledilo, da so se vsi delci gibali od zgoraj navzdol. Ista tehnika je dokazala, da delci z nenormalnim zasukom ne morejo biti protoni – zataknili bi se v svinčenem zaslonu.
Na koncu je Anderson prišel do zaključka, da skoraj vse nenormalne sledi pripadajo nekakšnim svetlobnim delcem s pozitivnim nabojem. Vendar Milliken temu ni verjel in Anderson ni želel objaviti v znanstvenem tisku brez odobritve svojega šefa. Zato se je omejil na kratko pismo priljubljeni reviji Science News Letter in priložil fotografijo nenavadne sledi. Urednik, ki se je strinjal z Andersonovo razlago, je predlagal, da bi novi delec imenovali pozitron. Ta fotografija je bila objavljena decembra 1931.
Spomnite se, da je Dirac septembra objavil hipotezo o obstoju antielektrona. Vendar tako Anderson kot Millikan o njegovi teoriji nista vedela skoraj nič in komaj razumela njenega bistva. Zato Andersonu ni prišlo na misel, da bi pozitron identificiral z Diracovim antielektronom. Dolgo je poskušal prepričati Millikana, da ima prav, a brez uspeha je septembra 1932 objavil zapis o svojih opažanjih v reviji Science. Vendar v tem delu še vedno ne govorimo o elektronskem dvojčku, temveč le o pozitivno nabitem delcu neznane vrste, katerega masa je veliko manjša od mase protona.
Naslednji korak k identifikaciji antielektrona je bil narejen tam, kjer je bil predviden - v Cambridgeu. Angleški fizik Patrick Blackett in njegov italijanski kolega Giuseppe Occhialini sta preučevala kozmične žarke v znamenitem laboratoriju Cavendish, ki ga je vodil veliki Rutherford. Occhialini je predlagal opremljanje Wilsonove komore z elektronskim vezjem (izumil ga je njegov rojak Bruno Rossi), ki je vklopilo kamero v primeru hkratne aktivacije Geigerjevih števcev, od katerih je bil eden nameščen nad kamero, drugi pa pod njo. Do jeseni 1932 so partnerji prejeli približno 700 fotografij sledi, ki bi jih lahko pripisali nabitim delcem kozmičnega izvora. Med njimi so bili tudi pari tirnic v obliki črke V, ki jih ustvarjajo elektroni in pozitroni, ki se razhajajo v magnetnem polju.
Blackett je vedel za antielektron, ki ga je napovedal Dirac, vendar njegove teorije ni jemal resno. Tudi sam Dirac na Blackettovih fotografijah ni videl svojega hipotetičnega delca. Zaradi tega sta Blackett in Occhialini svoje fotografije pravilno interpretirala šele pozneje, ko sta se seznanila z Andersonovo septembrsko objavo. Svoje ugotovitve so predstavili v članku s skromnim naslovom »Fotografije sledi prodornega sevanja«, ki je 7. februarja 1933 dosegel urednike revije Proceedings of the Royal Society. V tem času se je Anderson že seznanil s Cavendishevimi konkurenti in ustrezno predstavil svoje rezultate v štiristranskem dokumentu "Pozitivni elektron", ki je bil objavljen v reviji Physical Review 28. februarja. Ker je bila Andersonova prioriteta ugotovljena s prejšnjimi publikacijami, je samo on prejel Nobelovo nagrado za odkritje pozitrona (leta 1936 skupaj z odkriteljem kozmičnih žarkov Victorjem Hessom). Blackett je prejel to nagrado 12 let pozneje (z besedilom "Za izboljšave metod opazovanja v oblakih v komorah in za odkritja na področju jedrske fizike in kozmičnega sevanja"), Occhialinija pa je nagrada zaobšla - domnevno iz političnih razlogov .
Kmalu so raziskave pozitronov napredovale z velikimi koraki. Pariški fizik Jean Thibault je opazoval pare elektron-pozitron zemeljskega izvora, ki nastanejo zaradi zaviranja gama kvantov v svincu iz radioaktivnega vira. Dokazal je, da za oba delca absolutna vrednost razmerja naboja in mase sovpada z zelo visoko natančnostjo. Leta 1934 sta Frédéric Joliot in Irene Curie odkrila, da pozitroni nastanejo tudi zaradi radioaktivnega razpada. Tako je do sredine tridesetih let dvajsetega stoletja obstoj antielektronov, ki jih je napovedal Dirac, postal uveljavljeno dejstvo.
Antinukleoni
Mehanizem nastanka pozitronov s kozmičnimi žarki je že dolgo ugotovljen. Primarno kozmično sevanje sestavljajo predvsem protoni z energijami nad 1 GeV, ki ob trku z atomskimi jedri v zgornji atmosferi proizvajajo pione in druge nestabilne delce. Pioni povzročajo nove razpade, med katerimi se pojavijo kvanti gama, ki ob upočasnjevanju v materiji proizvajajo pare elektron-pozitron.
Dovolj hitri protoni lahko ob trku z atomskimi jedri neposredno ustvarijo antiprotone in antinevtrone. Sredi dvajsetega stoletja fiziki niso več dvomili o možnosti tovrstnih transformacij in so njihove sledi iskali v sekundarnih kozmičnih žarkih. Rezultate nekaterih opazovanj bi si lahko razlagali kot anihilacijo antiprotonov, vendar brez popolne gotovosti. Zato so ameriški fiziki predlagali projekt izdelave pospeševalnika protonov 6 GeV, v katerem je bilo po teoriji mogoče pridobiti obe vrsti antinukleonov. Ta stroj, imenovan bevatron, je bil lansiran v Laboratoriju Lawrence Berkeley leta 1954. Leto pozneje so Owen Chamberlain, Emilio Segre in njuni kolegi pridobili antiprotone z izstrelitvijo protonov na bakreno tarčo. Leto pozneje je druga skupina fizikov na isti napravi registrirala antinevtrone. Leta 1965 so v CERN in Brookhaven National Laboratory sintetizirali jedra antidevterija, sestavljena iz antiprotona in antinevtrona. In v zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja je iz ZSSR prišlo sporočilo, da sta bila v pospeševalniku protonov 70 GeV Inštituta za fiziko visokih energij sintetizirana jedra antihelija-3 (dva antiprotona in antinevtron) in antitricija (antiproton in dva antinevtrona); leta 2002 so v CERN-u pridobili več lahkih antihelijevih jeder. Stvari še niso napredovale naprej, zato je sinteza vsaj enega antizlatega jedra stvar daljne prihodnosti.
Antimaterija, ki jo je ustvaril človek
Jedra so jedra, toda prava antimaterija zahteva polnopravne atome. Najenostavnejši med njimi je atom antivodika, antiproton in pozitron. Takšne atome so prvič ustvarili v CERN-u leta 1995, 40 let po odkritju antiprotona. Povsem možno je, da so bili to prvi atomi antivodika v času obstoja našega vesolja po velikem poku - v naravnih razmerah je verjetnost njihovega rojstva skoraj nič, obstoj nezemeljskih tehnoloških civilizacij pa je še vedno pod vprašajem.
Ta poskus je bil izveden pod vodstvom nemškega fizika Walterja Ohlerta. CERN je takrat upravljal shranjevalni obroč LEAR, v katerem so bili shranjeni nizkoenergijski (samo 5,9 MeV) antiprotoni (deloval je od 1984 do 1996). V poskusu Ohlertove skupine so bili antiprotoni usmerjeni v curek ksenona. Po trku antiprotonov z jedri tega plina so nastali pari elektron-pozitron in nekateri pozitroni so se zelo redko (s frekvenco 10–17%!) združili z antiprotoni v atome antivodika, ki se gibljejo skoraj s svetlobno hitrostjo. Nenabiti antiatomi se niso mogli več vrteti znotraj obroča in so odleteli proti detektorjema. V prvi napravi je bil vsak antiatom ioniziran, sproščeni pozitron pa je anihiliral z elektronom, kar je ustvarilo par gama kvantov. Antiproton je šel do drugega detektorja, ki je pred izginotjem tega delca uspel določiti njegov naboj in hitrost. Primerjava podatkov obeh detektorjev je pokazala, da je bilo v poskusu sintetiziranih vsaj 9 atomov antivodika. Kmalu so v Fermilabu ustvarili relativistične antivodikove atome.
Od poletja 2000 CERN upravlja nov obroč AD (Antiproton Decelerator). Sprejme antiprotone s kinetično energijo 3,5 GeV, ki jih upočasni na energijo 100 MeV in nato uporabi v različnih poskusih. Skupini ATHENA in ATRAP sta tam začeli delati na antimateriji in leta 2002 začeli pridobivati več deset tisoč atomov antivodika hkrati. Ti atomi nastajajo v posebnih elektromagnetnih steklenicah (tako imenovanih Penningovih pasteh), kjer se mešajo antiprotoni, ki prihajajo iz AD, in pozitroni, rojeni med razpadom natrija-22. Res je, da se življenjska doba nevtralnih antiatomov v takšni pasti meri le v mikrosekundah (toda pozitroni in antiprotoni so lahko tam shranjeni več mesecev!). Trenutno se razvijajo tehnologije za dolgotrajnejše shranjevanje antivodika.
V pogovoru s premierjem je vodja skupine ATRAP (projekt ATHENA je že zaključen), profesor na univerzi Harvard Gerald Gabriels poudaril, da za razliko od LEAR inštalacija AD omogoča sintezo razmeroma počasnega (kot pravijo fiziki, hladnega). ) antivodikove atome, s katerimi je veliko lažje delati. Zdaj znanstveniki poskušajo še bolj ohladiti antiatome in njihove pozitrone prenesti na nižje energijske nivoje. Če bo to uspelo, bo mogoče antiatome dlje zadržati v pasteh sile in določiti njihove fizikalne lastnosti (na primer spektralne značilnosti). Te kazalnike je mogoče primerjati z lastnostmi navadnega vodika in končno razumeti, kako se antimaterija razlikuje od snovi. Čaka nas še veliko dela.
ANTIMATERIJA
snov, sestavljena iz atomov, katerih jedra imajo negativen električni naboj in so obdana s pozitroni – elektroni s pozitivnim električnim nabojem. V navadni snovi, iz katere je zgrajen svet okoli nas, so pozitivno nabita jedra obdana z negativno nabitimi elektroni. Da bi jo razlikovali od antimaterije, navadno snov včasih imenujemo kovanec (iz grškega koinos - navaden). Vendar se ta izraz v ruski literaturi praktično ne uporablja. Treba je poudariti, da izraz "antimaterija" ni povsem pravilen, saj je tudi antimaterija snov, njena vrsta. Antimaterija ima enake vztrajnostne lastnosti in ustvarja enako gravitacijsko privlačnost kot navadna snov. Ko govorimo o materiji in antimateriji, je logično začeti z osnovnimi (subatomskimi) delci. Vsak osnovni delec ima antidelec; oba imata skoraj enake lastnosti, le da imata nasprotne električne naboje. (Če je delec nevtralen, je tudi antidelec nevtralen, vendar se lahko razlikujeta v drugih značilnostih. V nekaterih primerih sta delec in antidelec enaka drug drugemu.) Tako elektron, negativno nabit delec, ustreza pozitron, antidelec protona s pozitivnim nabojem pa je negativno nabit antiproton. Pozitron je bil odkrit leta 1932, antiproton pa leta 1955; to so bili prvi odkriti antidelci. Obstoj antidelcev je leta 1928 na podlagi kvantne mehanike napovedal angleški fizik P. Dirac. Ko elektron in pozitron trčita, se anihilirata, tj. oba delca izgineta in iz točke njunega trka se izsevata dva žarka gama. Če se trkajoči delci gibljejo z nizko hitrostjo, potem je energija vsakega kvanta gama 0,51 MeV. Ta energija je "energija mirovanja" elektrona ali njegova masa mirovanja, izražena v energijskih enotah. Če se trkajoči delci gibljejo z veliko hitrostjo, bo energija žarkov gama zaradi njihove kinetične energije večja. Do anihilacije pride tudi ob trku protona z antiprotonom, vendar je proces v tem primeru veliko bolj zapleten. Kot vmesni produkti interakcije se rodijo številni kratkoživi delci; vendar po nekaj mikrosekundah kot končni produkt transformacij ostanejo nevtrini, žarki gama in majhno število parov elektron-pozitron. Ti pari se lahko sčasoma uničijo in ustvarijo dodatne žarke gama. Do anihilacije pride tudi, ko antinevtron trči z nevtronom ali protonom. Ker antidelci obstajajo, se postavlja vprašanje, ali lahko iz antidelcev nastanejo antinukleusi. Jedra atomov navadne snovi sestavljajo protoni in nevtroni. Najenostavnejše jedro je jedro izotopa navadnega vodika 1H; predstavlja en sam proton. Jedro devterija 2H je sestavljeno iz enega protona in enega nevtrona; imenuje se devteron. Drug primer preprostega jedra je jedro 3He, ki je sestavljeno iz dveh protonov in enega nevtrona. Antidevteron, sestavljen iz antiprotona in antinevtrona, je bil pridobljen v laboratoriju leta 1966; Jedro anti-3He, sestavljeno iz dveh antiprotonov in enega antinevtrona, je bilo prvič pridobljeno leta 1970. Po sodobni fiziki delcev bi bilo mogoče z ustreznimi tehničnimi sredstvi dobiti antijedra vseh običajnih jeder. Če so ta antinukleusi obdani z ustreznim številom pozitronov, potem tvorijo antiatome. Antiatomi bi imeli skoraj popolnoma enake lastnosti kot navadni atomi; tvorili bi molekule, iz katerih bi lahko nastale trdne snovi, tekočine in plini, vključno z organskimi snovmi. Na primer, dva antiprotona in eno antikisikovo jedro skupaj z osmimi pozitroni bi lahko tvorili antivodno molekulo, podobno navadni vodi H2O, katere vsaka molekula je sestavljena iz dveh protonov vodikovih jeder, enega kisikovega jedra in osmih elektronov. Sodobna teorija delcev lahko napove, da bo antivoda zmrznila pri 0 °C, zavrela pri 100 °C in se drugače obnašala kot navadna voda. Če nadaljujemo s takšnim razmišljanjem, lahko pridemo do zaključka, da bi bil anti-svet, zgrajen iz antimaterije, izjemno podoben običajnemu svetu okoli nas. Ta sklep služi kot izhodišče za teorije o simetričnem vesolju, ki temeljijo na predpostavki, da vesolje vsebuje enake količine navadne snovi in antimaterije. Živimo v tistem njegovem delu, ki je sestavljen iz navadne snovi. Če prideta v stik dva enaka kosa snovi nasprotnih vrst, pride do anihilacije elektronov s pozitroni in jeder z antinukleusi. V tem primeru se bodo pojavili gama kvanti, po videzu katerih je mogoče presoditi, kaj se dogaja. Ker je Zemlja po definiciji sestavljena iz navadne snovi, v njej ni omembe vrednih količin antimaterije, razen majhnega števila antidelcev, ki nastanejo v velikih pospeševalnikih in v kozmičnih žarkih. Enako velja za celoten sončni sistem. Opazovanja kažejo, da v naši galaksiji nastaja le omejena količina sevanja gama. Iz tega vrsta raziskovalcev sklepa, da v njej ni opaznih količin antimaterije. Vendar ta ugotovitev ni neizpodbitna. Trenutno ni načina, da bi na primer ugotovili, ali je določena bližnja zvezda sestavljena iz snovi ali antimaterije; zvezda iz antimaterije oddaja popolnoma enak spekter kot običajna zvezda. Poleg tega je povsem možno, da je redka snov, ki zapolnjuje prostor okoli zvezde in je identična snovi same zvezde, ločena od območij, napolnjenih z snovjo nasprotnega tipa - zelo tanke visokotemperaturne "Leidenfrostove plasti". Tako lahko govorimo o »celični« strukturi medzvezdnega in medgalaktičnega prostora, v kateri vsaka celica vsebuje bodisi snov bodisi antimaterijo. To hipotezo podpirajo sodobne raziskave, ki kažejo, da imata magnetosfera in heliosfera (medplanetarni prostor) celično zgradbo. Celice z različnimi magnetizacijami in včasih tudi različnimi temperaturami in gostotami so ločene z zelo tankimi tokovnimi lupinami. To vodi do paradoksalnega zaključka, da ta opažanja niso v nasprotju z obstojem antimaterije niti v naši Galaksiji. Če prej ni bilo prepričljivih argumentov v prid obstoja antimaterije, so zdaj uspehi astronomije rentgenskih žarkov in žarkov gama spremenili situacijo. Opaženi so bili pojavi, povezani z ogromnim in pogosto zelo neurejenim sproščanjem energije. Najverjetneje je bil vir takšnega sproščanja energije anihilacija. Švedski fizik O. Klein je razvil kozmološko teorijo, ki temelji na hipotezi o simetriji med snovjo in antimaterijo, in prišel do zaključka, da igrajo anihilacijski procesi odločilno vlogo pri evoluciji vesolja in oblikovanju strukture galaksij.
Vse bolj postaja jasno, da je glavna alternativna teorija - teorija "velikega poka" - resno v nasprotju z opazovalnimi podatki in da bo osrednje mesto pri reševanju kozmoloških problemov v bližnji prihodnosti verjetno zasedla "simetrična kozmologija". Vloga antimaterije v problemih kozmologije je obravnavana v avtorjevi knjigi Svetovi - Antisvetovi: Antimaterija v kozmologiji (1966).
Poglej tudi
KOZMOLOGIJA;
ELEMENTARNI DELCI.
LITERATURA
Weinberg S. Prve tri minute. M., 1981 Silk J. Veliki pok. M., 1982 Davis P. Supermoč; iskanje enotne teorije narave. M., 1989
Collierjeva enciklopedija. - Odprta družba. 2000 .
Sopomenke:Poglejte, kaj je "ANTIMATER" v drugih slovarjih:
antimaterija... Pravopisni slovar-priročnik
antimaterija- antimaterija/, a/… Skupaj. Narazen. Z vezajem.
A; Sre Phys. Snov zgrajena iz antidelcev. ◁ Antimaterija, oh, oh. * * * antimaterija je snov, zgrajena iz antidelcev. Jedra atomov antimaterije sestavljajo antiprotoni in antinevtroni, atomske lupine pa so zgrajene iz pozitronov.... ... enciklopedični slovar
Antimaterija je snov, sestavljena iz antidelcev. Vsebina 1 Lastnosti 2 Pridobivanje 3 Stroški ... Wikipedia
ANTIMATERIJA, snov, sestavljena iz antidelcev. Jedra atomov antimaterije sestavljajo antiprotoni in antinevtroni, vlogo elektronov pa imajo pozitroni. Predpostavlja se, da sta v prvih trenutkih nastanka vesolja antimaterija in materija... ... Sodobna enciklopedija
Snov zgrajena iz antidelcev. Jedra atomov antimaterije sestavljajo antiprotoni in antinevtroni, atomske lupine pa so zgrajene iz pozitronov. Kopičenja antimaterije v vesolju še niso odkrili. Prejeto v pospeševalnikih nabitih delcev... ... Veliki enciklopedični slovar
ANTIMATERIJA, snov, sestavljena iz antidelcev, ki so v vseh pogledih enaki navadnim delcem, razen ELEKTRIČNEGA NABOJA, SPINA IN MAGNETNEGA MOMENTA, ki imajo nasprotni predznak. Ko je antidelec, na primer pozitron... ... Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar
Sre Snov nastala iz antidelcev (v fiziki). Efraimov razlagalni slovar. T. F. Efremova. 2000 ... Sodobni razlagalni slovar ruskega jezika Efremove
Snov zgrajena iz antidelcev. Jedra atomov v va sestavljajo protoni in nevtroni, elni pa tvorijo lupine atomov. V atomih so jedra sestavljena iz antiprotonov in antinevtronov, pozitroni pa prevzamejo mesto elektronov v njihovih lupinah. Po sodobnem teorije, strup... Fizična enciklopedija
Samostalnik, število sinonimov: 1 antimaterija (2) Slovar sinonimov ASIS. V.N. Trishin. 2013… Slovar sinonimov
ANTIMATERIJA- zadeva, sestavljena iz (glej). Vprašanje razširjenosti A. v vesolju ostaja odprto ... Velika politehnična enciklopedija
knjige
- Vesolje je v vzvratnem ogledalu. Je bil Bog desničar? Ali pa skrita simetrija, antimaterija in Higgsov bozon, Goldberg, Dave. Ne marate fizike? Preprosto niste prebrali knjig Dava Goldberga! Ta knjiga vas bo seznanila z eno najbolj zanimivih tem sodobne fizike - temeljnimi simetrijami. Navsezadnje v našem...
Antimaterija je materija, sestavljena iz antidelcev, to je delcev s popolnoma enakim, vendar nasprotnim pomenom in lastnostmi tistih delcev, katerih nasprotja so. Vsak delec ima svojo zrcalno kopijo – antidelec. Antidelce protona in nevtrona imenujemo antiproton, antinevtron oziroma pozitron. Protoni in nevtroni pa so sestavljeni iz še manjših delcev, imenovanih kvarki. Antiprotoni in antinevtroni so sestavljeni iz antikvarkov.
Antidelci imajo podoben, vendar nasproten naboj kot njihovi primerki iz običajne snovi, vendar imajo enako maso in so si v vseh drugih pogledih podobni. Znanstveniki domnevajo, da bi lahko obstajale cele galaksije iz antimaterije. Obstaja tudi mnenje, da je v vesolju morda celo več antimaterije kot navadne snovi. Nemogoče pa je videti antimaterijo, tako kot predmete običajnega sveta okoli nas. Človeškemu vidu ni vidno.
Večina astronomov se še vedno strinja, da antimaterije v naravi ni toliko ali pa je sploh ni, sicer bi bilo, kot razmišljajo, veliko mest v vesolju, kjer bi običajna snov in antimaterija trčili druga v drugo, kar bi spremljal močan tok gama. žarki, ki nastanejo zaradi njihovega uničenja. Anihilacija je medsebojno uničenje delcev snovi in antimaterije, ki ga spremlja sproščanje energije. Vendar takšnih regij ni bilo mogoče najti.
Ena od možnih hipotez za nastanek antimaterije je povezana s teorijo velikega poka. Ta teorija trdi, da so vsi naši nastali kot posledica širjenja določene točke v vesolju. Po eksploziji sta se pojavili enaki količini materije in antimaterije. Takoj se je začel proces njihovega medsebojnega uničenja. Vendar pa je bilo iz nekega razloga nekaj več snovi, kar je omogočilo, da se je vesolje oblikovalo v obliki, ki jo poznamo.
Zaradi pomanjkanja možnosti za preučevanje lastnosti antimaterije v , se znanstveniki zatečejo k umetnim metodam za tvorbo antimaterije. Za njegovo pridobivanje se uporabljajo posebne znanstvene naprave - pospeševalniki delcev, v katerih se atomi snovi pospešijo približno na svetlobno hitrost (300.000 km/s). Ko nekateri delci trčijo, se ti uničijo, kar povzroči nastanek antidelcev, iz katerih je mogoče pridobiti antimaterijo. Težaven problem je shranjevanje antimaterije, saj se ob stiku z navadno snovjo antimaterija uniči. Da bi to naredili, se nastala zrna antimaterije postavijo v vakuum in v vakuumu, ki jih drži obešene in preprečuje, da bi se dotaknila sten skladišča.
Kljub težavam pri pridobivanju in preučevanju antimaterije lahko prinese številne koristi za naše življenje. Vsi temeljijo na dejstvu, da se pri interakciji antimaterije s snovjo sprosti ogromna količina energije. Poleg tega razmerje med sproščeno energijo in maso vključene snovi ni preseženo z nobeno vrsto ali eksplozivom. Ni stranskih produktov anihilacije, samo čista energija. Zato znanstveniki že sanjajo o njegovi uporabi. Na primer o antimateriji z neskončnim virom. Vesoljske ladje z anihilacijskimi motorji bodo lahko prepotovale tisoče svetlobnih let s hitrostjo blizu svetlobne. To bo vojski dalo priložnost, da ustvari ogromno moč, veliko bolj uničujočo od atomske ali vodikove. Vendar se vse te sanje ne bodo uresničile, dokler ne bomo lahko proizvajali poceni antimaterije v industrijskem obsegu.
Skoraj vse, kar zaznamo na Zemlji in s pomočjo umetnih satelitov, je snov. Antimaterijo na Zemlji proizvajajo s pomočjo visokoenergijskih pospeševalnikov. Dobili so na primer antiprotone, antidevteronska in antihelijeva jedra ter antiatome.
Neposredno opazovanje antimaterije z astronomskimi metodami ni mogoče, ker fotoni, ki nastanejo zaradi interakcije delcev antimaterije med seboj, se ne razlikujejo od fotonov, ki nastanejo zaradi interakcije delcev snovi. Razlog je v tem, da je foton resnično nevtralen delec in. Načeloma lahko snov ločimo od antimaterije z opazovanjem nevtrinov ν in antinevtrinov, vendar so takšna opazovanja trenutno nerealna.
Če bi v neposrednem okolju Zemlje obstajala območja, v katerih bi prevladovala antimaterija, bi se to moralo pokazati v obliki anihilacijskih γ-kvantov, ki nastanejo pri anihilaciji snovi in antimaterije. Pomemben argument v prid prevlade snovi nad antimaterijo so kozmični žarki. So delci snovi – protoni, elektroni, atomska jedra, sestavljena iz protonov in nevtronov.
Nastanek delcev antimaterije opazimo kot rezultat interakcije delcev kozmičnega sevanja visoke energije z zemeljsko atmosfero. Antidelci nastajajo v območjih s povečano koncentracijo energije. Na primer, nastajanje antidelcev se pojavi v jedrih aktivnih galaksij. Praviloma se v takih primerih delci antimaterije pojavijo skupaj z delci snovi. Na naslednji stopnji pride do nastanka in anihilacije delcev materije in antimaterije. Na primer, foton z energijo večjo od 1 MeV lahko tvori par elektron-pozitron v polju atomskega jedra. Nastali pozitron ob srečanju z elektronom anihilira in tvori pogosteje 2 in manj pogosto 3 γ-kvante.
Problem obstoja antimaterije v vesolju je temeljni problem fizike, ki je povezan s problemom nastanka in razvoja vesolja.
Obstajajo različne hipoteze o tem, zakaj je opazljivo vesolje skoraj v celoti sestavljeno iz snovi. Ali obstajajo področja vesolja, kjer prevladuje antimaterija? Ali je mogoče uporabiti antimaterijo? Razlog za navidezno asimetrijo snovi in antimaterije v vidnem vesolju je ena največjih nerazrešenih skrivnosti sodobne fizike. Proces, pri katerem pride do te asimetrije med delci in antidelci, se imenuje bariogeneza.
Do 50. let 20. stoletja je prevladovalo mnenje, da je v vesolju enaka količina materije in antimaterije. Vendar pa je sredi 60. let prejšnjega stoletja delo na področju teorije velikega poka omajalo to stališče. Dejansko, če bi bilo v prvih trenutkih obstoja vročega in gostega vesolja število delcev in antidelcev enako, bi njihova anihilacija povzročila dejstvo, da bi v vesolju ostalo samo sevanje. Trenutno se večina fizikov strinja, da je zaradi kršitve CP simetrije v vesolju v prvih trenutkih evolucije nastalo nekoliko več delcev kot antidelcev - približno en delec na 10 9 parov delec-antidelec. Posledično je po anihilaciji ostalo majhno število delcev.
Druga možnost za razlago prevlade snovi v "bližnjem" vesolju je domneva, da je antimaterija koncentrirana v oddaljenih, slabo raziskanih regijah vesolja. Leta 1979 je Floyd Stecker predlagal, da bi lahko asimetrija snovi in antimaterije nastala spontano v prvih trenutkih po velikem poku, ko sta materija in antimaterija razleteli v različne smeri.
Ker elektromagnetno sevanje medsebojno vpliva na materijo in antimaterijo na enak način, so planeti, zvezde in galaksije iz snovi in antimaterije v elektromagnetnem sevanju videti enaki. Zato so potrebne druge metode iskanja antimaterije v vesolju. Ena takih metod je opazovanje antinuklearjev v vesolju. To bi morali biti antinukleusi z masnim številom A > 4. Če bi v bližini Zemlje zaznali antihelijeva jedra, bi dobili dokaj trdne dokaze v prid obstoja območij povečane vsebnosti antimaterije v vesolju.
Zakaj bi morali iskati antihelijeva jedra ali težja jedra za iskanje antimaterije? Dejstvo je, da lahko antiprotoni nastanejo med interakcijo ultrarelativističnih protonov ali drugih jeder kozmičnih žarkov. Energijski spekter takih antiprotonov (običajno imenovanih sekundarni) bi moral imeti širok maksimum v območju 2 GeV. Drugi viri antiprotonov, ki se imenujejo primordialni, bi lahko bili anihilacija hipotetičnih supersimetričnih delcev, iz katerih naj bi bila sestavljena temna snov - nevtralinov in/ali izhlapevanje "primarnih" črnih lukenj. Parna anihilacija nevtralinov lahko privede do rojstva kvark-antikvarkovih curkov, čemur sledi njihova hadronizacija in nastanek antiprotonov. Primordialne črne luknje so lahko nastale v zgodnjem vesolju. Takšne črne luknje z maso 10 14-15 lahko precej intenzivno izhlapevajo delce (Hawkingovo sevanje). Prispevek takih primarnih antiprotonov k posnetemu energijskemu spektru je mogoče poskusiti zaznati v nizkoenergijskem območju< 1 ГэВ.
Tok sekundarnih antiprotonov je mogoče oceniti glede na sprejeti model Galaksije. Maksimum doseže pri energiji ~10 GeV. V območju z energijami do nekaj sto GeV, ki temelji na naravi spektra, obstaja upanje, da bomo pridobili informacije o bariogenezi in/ali anihilaciji supersimetričnih delcev in/ali WIMP.
Nastanek antidevteronov pod vplivom kozmičnih žarkov je veliko manj verjeten. Spekter sekundarnih antidevteronov bi moral biti premaknjen k višjim energijam v primerjavi s spektrom sekundarnih antiprotonov in bi se moral hitro zniževati z zmanjševanjem energije. Za primordialne antidevterone, ki nastanejo med anihilacijo delcev temne snovi in/ali izhlapevanjem primordialnih črnih lukenj, se pričakuje maksimum spektra pri energiji< 1 ГэВ.
Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо
разделены.
Verjetnost nastanka antihelijevih jeder pod vplivom kozmičnih žarkov je izginotno majhna. Da se to zgodi, se morata namreč na enem mestu in skoraj istočasno oblikovati dva antiprotona in dva antinevtrona, njuni relativni hitrosti pa morata biti majhni. Leta 1997 je Pascal Chardonnet ocenil verjetnost takega dogodka. Po njegovih ocenah lahko nastane eno antihelijevo jedro na 10 15 protonov ultrarelativističnih kozmičnih žarkov. Povprečna čakalna doba za tak dogodek je 15 milijard let, kar je primerljivo s starostjo vesolja.
Če so se v vesolju na zgodnji stopnji evolucije res oblikovala območja vesolja, v katerih prevladuje materija ali antimaterija, potem bi se morala ločiti, ker Na meji teh območij nastane svetlobni tlak, ki loči materijo in antimaterijo. Na meji med območji s snovjo in antimaterijo naj bi prišlo do anihilacije in temu primerno oddajanja anihilacijskih kvantov gama. Sodobni teleskopi za žarke gama pa takšnega sevanja ne zaznajo. Na podlagi občutljivosti teleskopov so naredili ocene. Po njihovem mnenju območja antimaterije ne morejo biti bližje od 65 milijonov svetlobnih let. Takšnih območij torej ni ne le v naši galaksiji, ampak tudi v naši galaksijski jati, ki poleg Rimske ceste obsega še 50 drugih galaksij.
Zaznavanje antihelijevih jeder, ki nastanejo na takšnih razdaljah, je težaven problem. Za antihelijevo jedro ni tako enostavno prileteti s tako velike razdalje do detektorja in biti registrirano. Predvsem se lahko zaplete v galaktična in medgalaktična magnetna polja in tako nikoli ne odleti daleč od mesta svojega nastanka. Poleg tega bo antihelij nenehno v nevarnosti anihilacije. In končno, detektor ni prevelika tarča, da bi jo zlahka zadeli s tako velikanske razdalje. Zato je učinkovitost detekcije antihelijevih jeder izjemno nizka.
V pogojih "potovanja" antihelija je veliko negotovosti, ki nam ne omogoča ocene verjetnosti zaznavanja jeder. Vedno obstaja možnost, da bi do odkritja prišlo, če bi bil detektor malo bolj občutljiv.
Jasno je le, da je lahko "potovalni" čas nizkoenergijskega antinukleusa krajši od življenjske dobe vesolja. Zato je treba loviti visokoenergijske antinukleuse. Poleg tega imajo takšna jedra boljše možnosti, da premagajo galaktični kozmični veter.
Kar zadeva pozitrone in antiprotone, jih lahko oddajajo tudi hipotetična območja antimaterije in prispevajo k spektrom, izmerjenim v bližini Zemlje. V primerjavi z antiprotoni je pozitron težje zaznati. To je posledica dejstva, da so tokovi protonov, ki so vir ozadja, 10 3 večji od tokov pozitronov. Signale pozitronov, ki prihajajo iz regij antimaterije, lahko "pogoltnejo" signali pozitronov, ki so posledica drugih procesov. Medtem tudi izvor pozitronov v kozmičnih žarkih ni povsem znan. Ali so v kozmičnih žarkih primordialni pozitroni? Ali obstaja povezava med presežkom antiprotonov in pozitronov? Za razjasnitev situacije je potrebno meriti pozitronske spektre v širokem energijskem območju.
Prvo izstrelitev instrumenta za preučevanje kozmičnih žarkov v zgornje plasti atmosfere z uporabo balona je leta 1907 izvedel Victor Hess. Do začetka petdesetih let prejšnjega stoletja je bilo preučevanje kozmičnih žarkov vir najpomembnejših odkritij v fiziki delcev. Od leta 1979 so v takih poskusih opazili antiprotone (Bogomolov, E. A. et al. 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), vol. 1, str. 330; Golden, R. L. et al. 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Odprli so nove možnosti pri preučevanju antimaterije in temne snovi. Sodobne raziskave kozmičnih žarkov uporabljajo tehnike, razvite za poskuse pospeševalnikov.
Do nedavnega so skoraj vse informacije o antidelcih v kozmičnih žarkih pridobivali z detektorji, ki so jih v visoko atmosfero izstrelili v balonih. Hkrati se je pojavil sum, da je antiprotonov več, kot je bilo pričakovano po ocenah verjetnosti njihovega nastanka kot posledica interakcije kozmičnih žarkov z medzvezdnim medijem (sekundarni antiprotoni). Predlagani mehanizmi za razlago "presežnih" antiprotonov so dali različne napovedi za energijske spektre antiprotonov. Vendar sta kratek čas letenja balona in prisotnost ostankov zemeljske atmosfere omejila možnosti tovrstnega eksperimenta. Podatki so imeli veliko negotovost, poleg tega energija ni segala čez 20 GeV.
Za registracijo antidelcev se uporabljajo veliki baloni (do 3 milijone kubičnih metrov), ki lahko dvignejo težke detektorje, težke do 3 tone, na višino ~ 40 km helija, ko zunanja temperatura pade. V večini primerov trajanje leta ne presega 24 ur. Poleg tega se atmosferska temperatura po hitrem znižanju od nič do 20–25 km začne povečevati in doseže maksimum na nadmorski višini ~40 km, nato pa začne spet padati. Ker se prostornina balona zmanjša, ko se zunanja temperatura zraka zniža, največja višina dviga ne more biti višja od ~40 km. Na tej višini je atmosfera še precej gosta in tok antiprotonov z energijami več deset GeV, ki nastanejo med interakcijo primarnih kozmičnih žarkov s preostalo atmosfero, presega tok antiprotonov, proizvedenih v galaktičnem mediju. Pri višjih energijah zaznanih delcev postanejo napake prevelike, da bi dobili zanesljive rezultate.
V zadnjem času so se začeli izvajati tudi daljši leti (do 20 dni). Uporabljajo tudi odprte balone, vendar so se izgube helija bistveno zmanjšale zaradi dejstva, da so balone izstrelili na zelo visokih zemljepisnih širinah, blizu polov, med polarnim dnevom. Vendar pa masa njihovega tovora pri letenju do višine 40 km ne presega 1 tone. To je premajhno za merjenje tokov antimaterije pri visokih energijah. Za izvedbo zelo dolgih letov z balonom (približno 100 dni) je predvidena uporaba zaprtih balonov. So debelejši in težji, ne izgubljajo helija in lahko prenesejo razlike v tlaku med notranjostjo in zunanjostjo. Lahko dvignejo relativno lahka orodja, manj kot 1 tono.
riž. 20.1. Izstrelitev balona s fizično opremo.
riž. 20.2. BESS-Polar II detektor kozmičnega sevanja. Spektrometer (1) s solarnimi paneli (2).
Iskanje antihelija s spektrometri na balonih je potekalo v okviru eksperimenta BESS (B allon-borne E xperiment z S prekomerna prevodnost S spektrometer) (slika 20.2). Od leta 1993 do 2000 so bili spektrometri BESS večkrat izstreljeni v zgornjo atmosfero v severni Kanadi. Leti so trajali približno en dan. Spektrometer so nenehno izboljševali in povečali občutljivost. Skupna občutljivost za razmerje helij/antihelij, dosežena v tej seriji letov, je ~6,8×10 −7 v območju trdote 1–14 GV. V poskusu BESS-TeV (2001) so območje trdote spektrometra povečali na 500 GV in dosegli občutljivost 1,4×10 −4. Za povečanje statistike v letih 2004–2008. na Antarktiki so bili izvedeni večdnevni poleti naprednih spektrometrov (0,6-20 GV). V letih 2004–2005 je bila med poletom BESS-Polar I, ki je trajal 8,5 dni, dosežena občutljivost 8 × 10 −6. V letih 2007-2008 Med letom BESS-Polar II (trajanje meritve 24,5 dni) je bila dosežena občutljivost 9,8×10 −8. Skupna občutljivost je ob upoštevanju vseh poletov BESS dosegla vrednost 6,7×10 −8. Najdeno ni bilo niti enega antihelijevega jedra.
Magnetni spektrometer, ki je bil uporabljen pri poletu BESS-Polar II, je sestavljen iz superprevodnega solenoidnega magneta z ultratankimi stenami, centralnega sledilnika (JET/IDC), hodoskopa za merjenje časa leta (TOF) in detektorja Čerenkova ( Slika 20.3).
riž. 20.3. Prerez spektrometra eksperimenta BESS-Polar II.
Hodoskop za merjenje časa letenja omogoča merjenje hitrosti (β) in izgube energije (dE/dx). Sestavljen je iz zgornjega in spodnjega plastičnega scintilacijskega števca, sestavljenega iz 10 in 12 scintilacijskih trakov (100×950×10 mm). Časovna ločljivost sistema za merjenje časa leta je ~70 ps. Poleg tega obstaja še tretji scintilacijski števec (Middle-TOF), ki se nahaja znotraj solenoida in je sestavljen iz 64 plastičnih scintilatorskih palic. Omogoča znižanje energijskega praga registracije zaradi delcev, ki ne morejo leteti skozi spodnji del solenoida.
Odnašajoče se komore se nahajajo v enakomernem magnetnem polju. Z 28 točkami, vsaka z natančnostjo 200 μm, se izračuna ukrivljenost trajektorije delca, ki prileti v spektrometer, kar omogoča določitev njegove magnetne togosti R = pc/Ze in predznaka naboja.
Aerohelijev Čerenkov števec vam omogoča ločevanje signalov antiprotonov in antidevteronov od ozadja e - /μ - .
riž. 20.4. Identifikacija delcev v instalaciji BESS.
Delce identificiramo po masi (slika 20.4), ki je povezana s togostjo R, hitrostjo delcev β in izgubo energije dE/dx, izmerjeno z uporabo števcev časa preleta in odnašalnih komor.
V ta namen so ustrezne regije identificirane na dvodimenzionalnih porazdelitvah dE/dx – |R| in β -1 – R.
Zemljin antiprotonski sevalni pas
Kolaboracija PAMELA je odkrila sevalni pas okoli Zemlje na območju južnoatlantske anomalije. Spektri antiprotonov in protonov so bili izmerjeni neposredno v sevalnem pasu in izven sevalnega pasu (sl. 20.5, 20.6).
Dokazano je, da so antiprotoni, ki so jih zabeležile detektorske naprave, nameščene na valjih in satelitih, sekundarnega izvora. Nastanejo kot posledica interakcije galaktičnih kozmičnih žarkov z medzvezdno snovjo ali atmosfero pri reakciji pp → ppp. Vendar bistveno večji prispevek prihaja iz razpada albedo antinevtronov (antinevtronov, katerih tok je usmerjen od Zemlje), ki nastanejo v reakciji
pp → ppn .
Ti antinevtroni gredo skozi geomagnetno polje in razpadejo, da tvorijo antiprotone → + e + + ν e. Nekaj nastalih antiprotonov lahko ujame magnetosfera in tvori antiprotonski sevalni pas. Tako kot je glavni vir protonskega sevalnega pasu razpad albedo nevtronov, vodi razpad antinevtronov v nastanek antiprotonskega pasu.
Iz eksperimentalnih podatkov sledi, da je gostota antiprotonov v sevalnem pasu 3-4 velikosti večja od gostote antiprotonov zunaj sevalnega pasu. Oblika spektra antiprotonov, ki nastanejo neposredno kot posledica interakcije galaktičnih kozmičnih žarkov, praktično sovpada z obliko spektra antiprotonov zunaj antiprotonskega sevalnega pasu.
Problem odkrivanja antimaterije v vesolju še zdaleč ni rešen. Aktivno iskanje antimaterije je predvideno v programih vesoljskih teleskopov Fermija in drugih.
