Son zamanlarda, CERN'deki ALICE işbirliğinin üyeleri, antimadde çekirdeklerinin kütlelerini rekor bir doğrulukla ölçtüler ve hatta antiprotonları antinötronlara bağlayan enerjiyi bile tahmin ettiler. Şu ana kadar madde ve antimadde açısından bu parametreler arasında önemli bir fark bulunamadı, ancak asıl mesele bu değil. Şu anda, son birkaç yılda sadece antiparçacıkların değil, aynı zamanda antinükleusların ve hatta antiatomların da ölçüm ve gözlem için kullanılabilir hale gelmesi önemlidir. Bu, antimaddenin ne olduğunu ve araştırmalarının modern fizikteki yerini anlamanın zamanının geldiği anlamına geliyor.
Antimaddeyle ilgili ilk sorularınızdan bazılarını tahmin etmeye çalışalım.
Antimadde kullanılarak süper güçlü bir bomba yapılabileceği doğru mu? Melekler ve Şeytanlar filminde gösterildiği gibi antimaddenin aslında CERN'de birikmiş olması ve bunun çok tehlikeli olması mümkün mü? Antimaddenin uzay yolculuğu için son derece verimli bir yakıt olacağı doğru mu? Isaac Asimov'un eserlerinde robotlara bahşettiği pozitronik beyin fikrinin doğruluk payı var mı?...
Çoğu insan için antimaddenin son derece (patlayıcı) tehlikeli bir şeyle, şüpheli bir şeyle, fantastik vaatler ve büyük risklerle hayal gücünü heyecanlandıran bir şeyle - dolayısıyla bu tür sorularla - ilişkilendirildiği bir sır değil. İtiraf edelim: Fizik yasaları tüm bunları doğrudan yasaklamıyor. Ancak bu fikirlerin uygulanması gerçeklikten, modern teknolojilerden ve gelecek onyılların teknolojilerinden o kadar uzak ki, pragmatik cevap basit: hayır, modern dünya için bu doğru değil. Bu konulardaki konuşmalar, gerçek bilimsel ve teknik başarılara değil, modern yeteneklerin sınırlarının çok ötesindeki tahminlere dayanan, yalnızca bir fantezidir. Bu konuları ciddi bir şekilde konuşmak istiyorsanız 2100'e yaklaşın. Şimdilik antimadde üzerine gerçek bilimsel araştırmalardan bahsedelim.
Antimadde nedir?
Dünyamız, her tür parçacık için (elektronlar, protonlar, nötronlar vb.) - antipartiküller var (pozitronlar, antiprotonlar, antinötronlar). Aynı kütleye ve kararsızlarsa aynı yarı ömre sahiptirler, ancak zıt yükler ve etkileşimi karakterize eden diğer sayılardır. Pozitronlar elektronlarla aynı kütleye sahiptir ancak yalnızca pozitif yüke sahiptir. Antiprotonların negatif yükü vardır. Antinötronlar da tıpkı nötronlar gibi elektriksel olarak nötrdür ancak zıt baryon sayısına sahiptirler ve antikuarklardan oluşurlar. Bir antinükleus, antiprotonlardan ve antinötronlardan oluşturulabilir. Pozitronları ekleyerek antiatomları, biriktirerek de antimaddeyi elde ederiz. Bunların hepsi antimadde.
Ve burada konuşmaya değer birkaç ilginç incelik var. Her şeyden önce antiparçacıkların varlığı teorik fiziğin büyük bir zaferidir. Bu açık olmayan ve hatta bazıları için şok edici olan fikir, teorik olarak Paul Dirac tarafından ortaya atıldı ve başlangıçta düşmanlıkla karşılandı. Dahası, pozitronların keşfinden sonra bile birçok kişi antiprotonların varlığından hâlâ şüphe ediyordu. İlk olarak Dirac'ın elektronu tanımlamak için kendi teorisini ortaya attığını, bunun proton için işe yarayacağı da bir gerçek değil dediler. Örneğin protonun manyetik momenti, Dirac teorisinin öngörüsünden birkaç kez farklıdır. İkincisi, uzun süre kozmik ışınlarda antiproton izleri aradılar ama hiçbir şey bulamadılar. Üçüncüsü, kelimenin tam anlamıyla bizim sözlerimizi tekrarlayarak, eğer antiprotonlar varsa, o zaman antiatomlar, antistarlar ve antigalaksiler de olması gerektiğini ve onları görkemli kozmik patlamalarda kesinlikle fark edeceğimizi savundular. Bunu göremediğimize göre bunun nedeni muhtemelen antimaddenin var olmamasıdır. Bu nedenle, 1955 yılında yeni başlatılan Bevatron hızlandırıcısında antiprotonun deneysel keşfi oldukça önemsiz bir sonuçtu ve 1959 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. 1956'da aynı hızlandırıcıda antinötron keşfedildi. Bu arayışların, şüphelerin ve başarıların hikayesi çok sayıda tarihi makalede bulunabilir; örneğin bu raporda veya Frank Close'un son kitabı Antimadde'de.
Ancak, salt teorik ifadelerdeki sağlıklı şüphenin her zaman yararlı olduğunu ayrıca belirtmek gerekir. Örneğin antipartiküllerin parçacıklarla aynı kütleye sahip olduğu ifadesi de teorik bir sonuçtur; bu, çok önemli bir CPT teoreminden kaynaklanmaktadır. Evet, mikro dünyanın modern, deneysel olarak test edilmiş fiziği bu ifade üzerine inşa edilmiştir. Ama yine de eşitlik var: Kim bilir, belki bu şekilde teorinin uygulanabilirliğinin sınırlarını bulabiliriz.
Başka bir özellik: Mikro dünyanın tüm kuvvetleri parçacıklar ve antipartiküllerle eşit derecede ilişkili değildir. Elektromanyetik ve güçlü etkileşimler için aralarında bir fark yoktur, zayıf olanlar için ise vardır. Bu nedenle, parçacıkların ve antiparçacıkların etkileşimlerine ilişkin bazı ince ayrıntılar farklılık gösterir; örneğin A parçacığının bir B parçacıkları kümesine ve anti-A'nın bir anti-B kümesine bozunma olasılıkları (bkz. farklılıklar için bkz. Pavel Pakhov'un koleksiyonu). Bu özellik, zayıf etkileşimlerin dünyamızın CP simetrisini kırması nedeniyle ortaya çıkar. Ancak bunun neden gerçekleştiği, temel parçacıkların gizemlerinden biridir ve bilinenin sınırlarının ötesine geçmeyi gerektirir.
İşte başka bir incelik daha: Bazı parçacıkların özellikleri o kadar az ki antiparçacıklar ve parçacıklar birbirinden hiç farklı değil. Bu tür parçacıklara gerçekten nötr denir. Bu bir foton, bir Higgs bozonu, aynı türden kuarklardan ve antikuarklardan oluşan nötr mezonlardır. Ancak nötrinolarla ilgili durum hala belirsiz: Belki gerçekten nötrdürler (Majorana), belki de değiller. Bu, nötrinoların kütlelerini ve etkileşimlerini açıklayan teori için kritik öneme sahiptir. Bu sorunun cevabı gerçekten ileriye doğru atılmış büyük bir adım olacak çünkü dünyamızın yapısını anlamamıza yardımcı olacak. Deney henüz bu konuda net bir şey söylemedi. Ancak nötrino araştırmalarına yönelik deneysel program o kadar güçlü ki, yürütülen o kadar çok deney var ki fizikçiler yavaş yavaş çözüme yaklaşıyor.
Bu antimadde nerede?
Bir antipartikül kendi parçacığıyla karşılaştığında yok olur: her iki parçacık da kaybolur ve bir dizi fotona veya daha hafif parçacıklara dönüşür. Tüm dinlenme enerjisi bu mikro patlamanın enerjisine dönüşür. Bu, kütlenin termal enerjiye en verimli şekilde dönüştürülmesidir ve nükleer bir patlamadan yüzlerce kat daha verimlidir. Ancak çevremizde büyük doğal patlamalar görmüyoruz; Antimadde doğada kayda değer miktarlarda mevcut değildir. Bununla birlikte, bireysel antipartiküller çeşitli doğal süreçlerde de doğabilir.
En kolay yol pozitron yaratmaktır. En basit seçenek radyoaktivitedir; bazı çekirdeklerin pozitif beta radyoaktivitesi nedeniyle bozunması. Örneğin, deneylerde yarılanma ömrü iki buçuk yıl olan sodyum-22 izotopu sıklıkla pozitron kaynağı olarak kullanılıyor. Oldukça beklenmedik bir başka doğal kaynak, bazen pozitronların yok edilmesinden kaynaklanan gama radyasyonu parlamalarının tespit edilmesidir; bu, pozitronların bir şekilde orada doğduğu anlamına gelir.
Antiprotonları ve diğer antipartikülleri yaratmak daha zordur: Bunun için yeterli radyoaktif bozunma enerjisi yoktur. Doğada, yüksek enerjili kozmik ışınların etkisi altında doğarlar: atmosferin üst katmanlarındaki bazı moleküllerle çarpışan kozmik bir proton, parçacık ve antipartikül akışları üretir. Ancak bu yukarıda oluyor, antiprotonlar neredeyse hiçbir zaman yere ulaşmıyor (ki bu, 40'lı yıllarda kozmik ışınlarda antiproton arayanlar tarafından bilinmiyordu) ve bu antiproton kaynağını laboratuvara getiremiyorsunuz.
Tüm fizik deneylerinde antiprotonlar "kaba kuvvet" ile üretilir: Yüksek enerjili proton ışınını alıp bir hedefe yönlendirirler ve bu çarpışmada büyük miktarda üretilen "hadron kırıntılarını" ayıklarlar. Sıralanmış antiprotonlar bir ışın şeklinde üretilir ve daha sonra ya protonlarla çarpışmak için yüksek enerjilere hızlandırılırlar (örneğin, Amerikan Tevatron çarpıştırıcısı bu şekilde çalıştı) ya da tam tersine yavaşlarlar ve Daha ince ölçümler için kullanılır.
Uzun bir antimadde araştırması geçmişiyle haklı olarak gurur duyabilecek CERN'de, tam da bu görevi yapan özel bir "hızlandırıcı" AD, "Antiproton Moderatörü" bulunmaktadır. Bir antiproton ışınını alır, onları soğutur (yani yavaşlatır) ve ardından yavaş antiprotonların akışını birkaç özel deneye dağıtır. Bu arada, AD'nin durumuna gerçek zamanlı olarak bakmak istiyorsanız, Cernov çevrimiçi monitörleri buna izin veriyor.
Antiatomları, hatta en basitleri olan antihidrojen atomlarını bile sentezlemek zaten çok zordur. Doğada hiç ortaya çıkmazlar - uygun koşullar yoktur. Antiprotonların pozitronlarla birleşmeye tenezzül etmesi için laboratuvarda bile birçok teknik zorluğun aşılması gerekiyor. Sorun şu ki, kaynaklardan yayılan antiprotonlar ve pozitronlar hala çok sıcak; bir anti-atom oluşturmak yerine birbirleriyle çarpışıp uçup gidecekler. Fizikçiler hala bu zorlukların üstesinden geliyorlar, ancak oldukça kurnaz yöntemlerle (ASACUSA Cern deneylerinden birinde yapıldığı gibi).
Antinükleuslar hakkında neler biliniyor?
İnsanlığın tüm antiatomik başarıları yalnızca antihidrojenle ilgilidir. Diğer elementlerin antiatomları henüz laboratuvarda sentezlenemedi veya doğada gözlemlenmedi. Nedeni basit: Antinükleilerin yaratılması antiprotonlardan çok daha zordur.
Antinükleus yaratmanın bildiğimiz tek yolu, yüksek enerjili ağır çekirdekleri çarpıştırmak ve orada ne olacağını görmektir. Çarpışma enerjisi yüksekse, aralarında antiproton ve antinötronların da bulunduğu binlerce parçacık doğacak ve her yöne dağılacaktır. Yanlışlıkla bir yönde yayılan antiprotonlar ve antinötronlar birbirleriyle birleşerek bir antinükleus oluşturabilir.
ALICE dedektörü, enerji salınımına ve manyetik alandaki bükülme yönüne bağlı olarak farklı çekirdekler ve antinükleiler arasında ayrım yapabilir.
Resim: CERN
Yöntem basit ama çok etkisiz değil: Bir çekirdeği bu şekilde sentezleme olasılığı, nükleon sayısı arttıkça keskin bir şekilde düşüyor. En hafif antinükleuslar olan antidöteronlar ilk kez tam yarım yüzyıl önce gözlemlendi. Antihelyum-3 1971'de görüldü. Antitriton ve antihelyum-4 de bilinmektedir; ikincisi 2011'de oldukça yakın zamanda keşfedilmiştir. Daha ağır antinükleuslar henüz gözlemlenmedi.
Farklı parçacık çiftleri için nükleon-nükleon etkileşimlerini açıklayan iki parametre (saçılma uzunluğu f0 ve etkili yarıçap d0). Kırmızı yıldız işareti, STAR işbirliğiyle elde edilen bir çift antiprotonun sonucudur.
Ne yazık ki antiatomları bu şekilde yapamazsınız. Antiçekirdekler nadiren üretilmiyor, aynı zamanda çok fazla enerjiye sahipler ve her yöne uçuyorlar. Bunları çarpıştırıcıda yakalayıp özel bir kanaldan geçirip soğutmaya çalışmak gerçekçi değil.
Bununla birlikte, bazen antinükleonlar arasında etkili olan antinükleer kuvvetler hakkında bazı ilginç bilgiler elde etmek için antinükleileri uçuş sırasında dikkatle takip etmek yeterlidir. En basit şey, antinükleus kütlesini dikkatlice ölçmek, bunu antiproton ve antinötron kütlelerinin toplamı ile karşılaştırmak ve kütle kusurunu hesaplamaktır; nükleer bağlanma enerjisi Yakın zamanda Büyük Hadron Çarpıştırıcısında çalışıyor; Antidöteron ve antihelyum-3'ün bağlanma enerjisi, sıradan çekirdeklerle hata sınırları dahilinde çakıştı.
Daha incelikli bir başka etki, Amerikan ağır iyon çarpıştırıcısı RHIC'deki STAR deneyinde incelendi. Üretilen antiprotonların açısal dağılımını ölçtü ve iki antiproton çok yakın bir yönde yayıldığında bunun nasıl değiştiğini buldu. Antiprotonlar arasındaki korelasyonlar, aralarında etkili olan "antinükleer" kuvvetlerin özelliklerini (saçılma uzunluğu ve etkili etkileşim yarıçapı) ilk kez ölçmeyi mümkün kıldı; protonların etkileşimi hakkında bilinenlerle örtüşüyordu.
Uzayda antimadde var mı?
Paul Dirac, teorisinden pozitronların varlığını çıkardığında, uzayda bir yerlerde gerçek anti-dünyaların var olabileceğini tamamen varsayıyordu. Artık Evrenin görünür kısmında antimaddeden yapılmış yıldızların, gezegenlerin veya galaksilerin olmadığını biliyoruz. Sorun, imha patlamalarının görünür olmaması bile değil; Sürekli gelişen bir evrende bunların nasıl oluşup günümüze kadar hayatta kalabildikleri tamamen hayal edilemez.
Ancak "bu nasıl oldu" sorusu modern fiziğin bir başka büyük gizemidir; bilimsel dilde buna baryogenez problemi denir. Dünyanın kozmolojik tablosuna göre, ilk evrende eşit sayıda parçacık ve antiparçacık vardı. Daha sonra, CP simetrisinin ve baryon sayısının ihlali nedeniyle, dinamik olarak gelişen bir evrende, antimadde üzerinde milyarda bir düzeyinde küçük bir madde fazlalığı ortaya çıkmış olmalıdır. Evren soğudukça tüm antiparçacıklar parçacıklarla tavlandı; yalnızca gözlemlediğimiz evreni doğuran bu madde fazlası hayatta kaldı. Onun sayesinde en azından ilginç bir şey kaldı, onun sayesinde varız. Bu asimetrinin tam olarak nasıl ortaya çıktığı bilinmiyor. Pek çok teori var ama hangisinin doğru olduğu bilinmiyor. Sadece bunun kesinlikle bir tür Yeni Fizik olması gerektiği, Standart Modelin ötesine geçen, deneysel olarak doğrulanan sınırların ötesine geçen bir teori olması gerektiği açıktır.
Yüksek enerjili kozmik ışınlardaki antipartiküllerin nereden gelebileceğine dair üç seçenek: 1 - bir "kozmik hızlandırıcıda", örneğin bir pulsarda basitçe ortaya çıkıp hızlanabilirler; 2 - sıradan kozmik ışınların yıldızlararası ortamın atomlarıyla çarpışması sırasında doğabilirler; 3 - Ağır karanlık madde parçacıklarının bozunması sırasında ortaya çıkabilirler.
Antimaddeden yapılmış gezegenler veya yıldızlar olmamasına rağmen, uzayda hala antimadde mevcuttur. Farklı enerjilerdeki pozitron ve antiprotonların akışları PAMELA, Fermi, AMS-02 gibi uydu kozmik ışın gözlemevleri tarafından kaydedilir. Pozitron ve antiprotonların uzaydan bize gelmiş olması, onların dışarıda bir yerde doğmuş olduğu anlamına gelir. Bunlara yol açabilecek yüksek enerjili süreçler prensipte bilinmektedir: bunlar nötron yıldızlarının yüksek derecede mıknatıslanmış mahalleleri, çeşitli patlamalar, kozmik ışınların yıldızlararası ortamdaki şok dalgası cephelerinde hızlanması vb. Soru, kozmik antipartiküllerin akışının gözlemlenen tüm özelliklerini açıklayıp açıklayamayacaklarıdır. Aksi takdirde, bu, bazılarının karanlık madde parçacıklarının bozunması veya yok edilmesinden kaynaklandığı gerçeğini destekleyen bir kanıt olacaktır.
Burada da bir gizem var. 2008 yılında PAMELA gözlemevi, teorik modellemenin öngördüğüyle karşılaştırıldığında şüpheli derecede fazla sayıda yüksek enerjili pozitron keşfetti. Bu sonuçlar yakın zamanda, Uluslararası Uzay İstasyonunun modüllerinden biri olan ve genel olarak uzaya fırlatılan (ve tahmin edin nerede? - CERN'de doğru bir şekilde monte edilen) temel parçacıkların en büyük dedektörü olan AMS-02 kurulumu tarafından doğrulandı. Pozitronların bu fazlalığı teorisyenlerin zihinlerini heyecanlandırıyor; sonuçta bundan sorumlu olan "sıkıcı" astrofizik nesneler değil, elektronlara ve pozitronlara bozunan veya yok olan ağır karanlık madde parçacıkları olabilir. Bu konuda henüz bir netlik yok ancak AMS-02 kurulumu ve birçok kritik fizikçi bu olguyu çok dikkatli bir şekilde inceliyor.
Farklı enerjilerdeki kozmik ışınlarda antiprotonların protonlara oranı. Noktalar deneysel verilerdir, çok renkli eğriler çeşitli hatalarla birlikte astrofiziksel beklentilerdir.
Resim: Cornell Üniversitesi Kütüphanesi
Antiprotonların durumu da belirsiz. Bu yılın Nisan ayında AMS-02, özel bir bilimsel konferansta yeni bir araştırma döngüsünün ön sonuçlarını sundu. Raporun ana vurgusu, AMS-02'nin çok fazla yüksek enerjili antiproton gördüğü iddiasıydı ve bu aynı zamanda karanlık madde parçacıklarının bozulmasına dair bir ipucu da olabilir. Ancak diğer fizikçiler bu kadar neşeli bir sonuca katılmıyorlar. Artık AMS-02'den gelen antiproton verilerinin, biraz genişletilerek, geleneksel astrofizik kaynaklarla açıklanabileceğine inanılıyor. Öyle ya da böyle, herkes heyecanla AMS-02'den gelecek yeni pozitron ve antiproton verilerini bekliyor.
AMS-02 halihazırda milyonlarca pozitron ve çeyrek milyon antiproton tespit etti. Ancak bu kurulumun yaratıcılarının parlak bir hayali var: en az bir antinükleus yakalamak. Bu gerçek bir sansasyon olacak; antinükleilerin uzayda bir yerde doğup bize uçması kesinlikle inanılmaz. Şu ana kadar böyle bir vakaya rastlanmadı ama veri toplama devam ediyor ve doğanın bize ne sürprizler hazırladığını kim bilebilir?
Antimadde, anti-yerçekimi? Yer çekimini nasıl hissediyor?
Yalnızca deneysel olarak doğrulanmış fiziğe güvenirsek ve egzotik, henüz doğrulanmamış teorilere girmezsek, o zaman yerçekimi, antimadde üzerinde de madde üzerinde olduğu gibi etki etmelidir. Antimadde için anti yerçekimi beklenmemektedir. Biraz daha ileriye, bilinenin sınırlarının ötesine bakmamıza izin verirsek, o zaman tamamen teorik olarak olası seçenekler, olağan evrensel çekim kuvvetine ek olarak, madde ve antimadde üzerinde farklı şekilde etki eden ek bir şeyin olduğu zamandır. Bu ihtimal ne kadar yanıltıcı görünse de deneysel olarak doğrulanması gerekiyor ve bunun için de antimaddenin yer çekimini nasıl hissettiğini test edecek deneyler yapılması gerekiyor.
Uzun zamandır bunu yapmak gerçekten mümkün değildi çünkü bunun için bireysel antimadde atomları yaratmak, onları tuzağa düşürmek ve onlarla deneyler yapmak gerekiyordu. Artık bunu nasıl yapacağımızı öğrendik, dolayısıyla uzun zamandır beklenen test çok yakında.
Sonuçların ana tedarikçisi, antimadde çalışmalarına yönelik kapsamlı programıyla aynı CERN'dir. Bu deneylerden bazıları, antimaddenin yerçekiminin iyi olduğunu dolaylı olarak doğruladı. Örneğin antiprotonun (atıl) kütlesinin protonun kütlesiyle çok yüksek bir doğrulukla örtüştüğünü keşfetti. Eğer yerçekimi antiprotonlar üzerinde farklı etki gösterseydi, fizikçiler farkı fark ederdi; sonuçta karşılaştırma aynı kurulumda ve aynı koşullar altında yapıldı. Bu deneyin sonucu: Yer çekiminin antiprotonlar üzerindeki etkisi, protonlar üzerindeki etkiyle milyonda birden daha iyi bir doğrulukla örtüşüyor.
Ancak bu ölçüm dolaylıdır. Daha ikna edici olmak için doğrudan bir deney yapmak istiyorum: Birkaç antimadde atomu alın, bırakın ve yerçekimi alanına nasıl düştüklerini görün. Bu tür deneyler CERN'de de yapılıyor veya hazırlanıyor. İlk deneme pek etkileyici değildi. 2013 yılında, tuzağında bir antihidrojen bulutu tutmayı çoktan öğrenmiş olan ALPHA deneyi, tuzak kapatıldığında antiatomların nereye düşeceğini belirlemeye çalıştı. Ne yazık ki deneyin duyarlılığının düşük olması nedeniyle net bir cevap almak mümkün olmadı: Çok az zaman geçmişti, antiatomlar tuzakta ileri geri hareket ediyordu ve orada burada yok olma patlamaları meydana geliyordu.
Diğer iki Cern deneyi durumu kökten iyileştirmeyi vaat ediyor: GBAR ve AEGIS. Bu deneylerin her ikisi de ultra soğuk antihidrojen bulutunun yerçekimi alanına nasıl düştüğünü farklı şekillerde test edecek. Antimadde için yerçekimi ivmesini ölçmede beklenen doğruluk oranı yaklaşık %1'dir. Her iki kurulum da şu anda montaj ve hata ayıklama aşamasındadır ve ana araştırma, AD antiproton moderatörünün yeni ELENA depolama halkasıyla tamamlanacağı 2017 yılında başlayacaktır.
Katı maddede pozitron davranışının çeşitleri.
Resim: doğa.com
Bir pozitron maddeye girerse ne olur?
Kuvars yüzeyinde moleküler pozitronyum oluşumu.
Resim: Clifford M. Surko / Atom fiziği: Bir miktar antimadde çorbası kokusu
Buraya kadar okuduysanız, zaten çok iyi biliyorsunuz ki, bir antimadde parçacığı sıradan maddeye girer girmez yok oluş meydana gelir; parçacıklar ve antiparçacık yok olur ve radyasyona dönüşür. Ama bu ne kadar çabuk oluyor? Bir pozitronun boşluktan çıkıp katı bir maddeye girdiğini düşünelim. İlk atomla temas ettiğinde yok olacak mı? Hiç de gerekli değil! Bir elektronun ve bir pozitronun yok olması anlık bir süreç değildir; atomik ölçekte uzun bir zaman gerektirir. Bu nedenle pozitron, maddede önemsiz olaylarla dolu, parlak bir hayat yaşamayı başarır.
İlk olarak, bir pozitron yetim bir elektronu alıp bağlı bir durum olan pozitronyumu (Ps) oluşturabilir. Uygun bir dönüş yönü verildiğinde, pozitronyum yok olmadan önce onlarca nanosaniye boyunca yaşayabilir. Katı maddede olduğundan bu süre zarfında atomlarla milyonlarca kez çarpışma zamanı olacaktır, çünkü pozitronyumun oda sıcaklığında termal hızı yaklaşık 25 km/sn'dir.
İkincisi, bir maddede sürüklenen pozitronyum yüzeye çıkıp oraya yapışabilir - bu, atomik adsorpsiyonun pozitronik (veya daha doğrusu pozitronyum) analoğudur. Oda sıcaklığında tek bir yerde durmaz, yüzey boyunca aktif olarak hareket eder. Ve eğer bu bir dış yüzey değil de nanometre boyutunda bir gözenekse, o zaman pozitronyum uzun süre içinde sıkışıp kalır.
Üstelik. Bu tür deneyler için standart malzeme olan gözenekli kuvarsta gözenekler izole edilmemiş, ancak nanokanallarla ortak bir ağa bağlanmıştır. Yüzey boyunca sürünen sıcak pozitronyumun yüzlerce gözeneği incelemek için zamanı olacak. Ve bu tür deneylerde çok fazla pozitronyum oluştuğundan ve neredeyse hepsi gözeneklere doğru süründüğünden, er ya da geç birbirleriyle çarpışırlar ve etkileşime girerek bazen gerçek moleküller oluştururlar - moleküler pozitronyum, Ps 2. Daha sonra pozitronyum gazının nasıl davrandığını, pozitronyumun hangi heyecanlı hallere sahip olduğunu vb. inceleyebilirsiniz. Ve bunların tamamen teorik değerlendirmeler olduğunu düşünmeyin; Bu etkilerin tümü zaten deneysel olarak test edilmiş ve incelenmiştir.
Antimaddenin pratik uygulamaları var mı?
Elbette. Genel olarak, herhangi bir fiziksel süreç, eğer bize dünyamızın yeni bir yönünü açarsa ve herhangi bir ekstra maliyet gerektirmiyorsa, kesinlikle pratik uygulamalar bulacaktır. Üstelik bu fenomenin bilimsel yönünü keşfedip ilk kez incelememiş olsaydık, bizim de tahmin edemeyeceğimiz bu tür uygulamalar.
Antipartiküllerin en iyi bilinen uygulaması PET, pozitron emisyon tomografisidir. Genel olarak nükleer fiziğin tıbbi uygulamalarda etkileyici bir geçmişi vardır ve antipartiküller de burada boş durmuyor. PET ile hastanın vücuduna kısa ömürlü (dakikalardan saatlere kadar) kararsız bir izotop içeren ve pozitif beta bozunması nedeniyle çürüyen küçük bir ilaç dozu enjekte edilir. İlaç istenen dokularda birikir, çekirdekler çürür ve pozitronlar yayar, bunlar yakınlarda yok olur ve belirli bir enerjiye sahip iki gama kuantumu üretir. Dedektör bunları kaydeder, varış yönünü ve zamanını belirler ve çürümenin meydana geldiği yeri eski haline getirir. Bu, yüksek uzaysal çözünürlük ve minimum radyasyon dozu ile madde dağılımının üç boyutlu bir haritasını oluşturmayı mümkün kılar.
Pozitronlar malzeme biliminde örneğin bir maddenin gözenekliliğini ölçmek için de kullanılabilir. Madde sürekli ise, yeterli derinlikte maddeye yapışan pozitronlar hızla yok olur ve gama ışınları yayar. Maddenin içinde nano gözenekler varsa, pozitronyum gözenek yüzeyine yapıştığı için yok olma gecikir. Bu gecikmeyi ölçerek, temassız ve tahribatsız bir yöntem kullanarak bir maddenin nano-gözeneklilik derecesini belirlemek mümkündür. Bu teknik, yüzeyde buhar biriktiğinde en ince buz tabakasında nanogözeneklerin nasıl görünüp kapandığına ilişkin son çalışmalarla gösterilmiştir. Benzer bir yaklaşım, yarı iletken kristallerdeki boşluklar ve dislokasyonlar gibi yapısal kusurları incelerken de işe yarar ve malzemenin yapısal yorgunluğunun ölçülmesine olanak tanır.
Antiprotonların tıbbi uygulamaları da olabilir. Şimdi aynı CERN'de antiproton ışınının canlı hücreler üzerindeki etkisini inceleyen ACE deneyi yürütülüyor. Amacı, kanser tedavisinde antiprotonların kullanılma olasılığını incelemektir.
Bir maddeden geçerken iyon ışınının ve x-ışınlarının enerji salınımı.
Resim: Johannes Gutleber/CERN
Bu fikir okuyucuyu alışkanlıktan dolayı korkutabilir: nasıl olur da bir antiproton ışın canlı bir insana çarpabilir?! Evet ve derin bir tümörün röntgen ışınlarıyla ışınlanmasından çok daha güvenli! Özel olarak seçilmiş enerjiye sahip bir antiproton ışını, cerrahın elinde, vücudun derinliklerindeki tümörleri yakmanın ve çevre dokular üzerindeki etkiyi en aza indirmenin mümkün olduğu etkili bir araç haline gelir. Işının altına düşen her şeyi yakan X ışınlarından farklı olarak, madde içinde ilerleyen ağır yüklü parçacıklar, durmadan önceki son santimetrelerde enerjilerinin büyük kısmını serbest bırakırlar. Parçacıkların enerjisini ayarlayarak parçacıkların durduğu derinliği değiştirebilirsiniz; Ana radyasyon etkisini taşıyacak olan, milimetre büyüklüğündeki bu bölgedir.
Bu tip proton ışın radyoterapisi dünya çapında birçok iyi donanımlı klinikte uzun süredir kullanılmaktadır. Son zamanlarda bazıları protonlar yerine karbon iyonları ışınını kullanan iyon terapisine geçtiler. Onlar için enerji salınım profili daha da zıttır, bu da "terapötik etkilere karşı yan etkiler" çiftinin etkinliğinin arttığı anlamına gelir. Ancak uzun zamandır bu amaç için antiprotonların denenmesi önerildi. Sonuçta, bir maddeye girdiklerinde sadece kinetik enerjilerinden vazgeçmekle kalmazlar, aynı zamanda durduktan sonra yok olurlar - ve bu, enerji salınımını birkaç kez artırır. Bu ekstra enerjinin nerede depolandığı karmaşık bir sorudur ve klinik denemeler başlatılmadan önce dikkatle incelenmesi gerekir.
ACE deneyinin yaptığı da tam olarak budur. Burada araştırmacılar, bir bakteri kültürü içeren bir küvetten bir antiproton ışınını geçiriyor ve konum, ışın parametreleri ve çevrenin fiziksel özelliklerinin bir fonksiyonu olarak hayatta kalmalarını ölçüyorlar. Teknik verilerin bu metodik ve belki de sıkıcı toplanması, her yeni teknolojinin önemli bir başlangıç aşamasıdır.
İgor İvanov
“Antimadde fiziksel ve kimyasal olarak maddeden farklı değildir. Aslında bu aynı mesele, sadece tersyüz edilmiş. Fiziksel ve kimyasal referans kitaplarımız bizim için olduğu kadar prokyonitler için de uygundur. Aynı kalıpları, aynı unsurlarla aynı tepkileri anlatıyorlar. Sadece onlar için maddemiz antimaddedir. Sorun hangi tarafa bakılacağıdır.” (Krzysztof Borun, “Antimir”, 1963)
Antimaddenin var olma olasılığı fikri, 19. yüzyılın sonlarında klasik fizik döneminde dile getirildi.
Hidrojen ve antihidrojen yapı olarak tamamen aynıdır; bir hadron ve bir leptondan oluşurlar. İlk durumda, üç kuarktan (iki yukarı ve bir aşağı) oluşan pozitif yüklü bir proton ve negatif yüklü bir elektron, tanıdık hidrojenin bir atomunu oluşturur. Antihidrojen, negatif yüklü bir antiprotondan oluşur ve bu da karşılık gelen üç antikuarktan ve pozitif yüklü bir pozitrondan (elektronun antiparçacığı) oluşur.
Düşük enerji durumunda bir elektronun ve bir pozitronun yok olması, en az iki foton (bu, momentumun korunmasından kaynaklanmaktadır) üretir. Bu süreç Feynman diyagramı olarak adlandırılan şematik olarak gösterilebilir. Belirli bir enerji eşiği aşıldığında, yine hızla elektron ve pozitron çiftlerine bozunan "sanal" fotonların doğuşuyla yok oluş meydana gelebilir.
Madde ve antimaddenin yok edilmesinin bilgisayar modeli. Kırmızı çizgiler, pozitronların yok olması sırasında zıt yönlere saçılan fotonları, sarı çizgiler ise antiprotonların yok olması sırasında oluşan parçacıkları göstermektedir. İzler tek bir noktadan geliyor; bu, antiprotonların ve pozitronların antihidrojen atomları oluşturduğunun kanıtıdır (CERN'deki ATHENA deneyi)
Darmstadt'taki FAIR Uluslararası Merkezi'ndeki PANDA deneyinin zaman projeksiyon odası
Antipartiküllerin keşfi haklı olarak yirminci yüzyılın fiziğinin en büyük başarısı olarak kabul ediliyor. İlk kez maddenin en derin, en temel düzeydeki kararsızlığını kanıtladı. Bundan önce herkes dünyamızın maddesinin hiçbir zaman yok olmayan veya yeniden doğmayan temel parçacıklardan oluştuğundan emindi. Bu basit resim, neredeyse 80 yıl önce bir elektron ile onun pozitif yüklü ikizinin karşılaştıklarında ortadan kaybolarak elektromanyetik radyasyon kuantumlarına yol açtığı kanıtlandığında geçmişte kaldı. Daha sonra mikro dünyanın parçacıklarının genellikle birçok yönden birbirine dönüşme eğiliminde olduğu ortaya çıktı. Antiparçacıkların keşfi, maddenin doğası hakkındaki temel fikirlerde radikal bir dönüşümün başlangıcına işaret ediyordu.
Antimaddenin var olma olasılığı fikri ilk kez 1898'de ifade edildi - İngiliz Arthur Schuster, Nature dergisinde muhtemelen elektronun son keşfinden ilham alan çok belirsiz bir not yayınladı. "Negatif elektrik varsa" diye sordu Schuster, "o zaman neden aynı sarı renkte, aynı erime noktasına ve aynı spektruma sahip negatif yüklü altın olmasın?" Ve sonra - dünya bilimsel literatüründe ilk kez - "antiatom" ve "antimadde" kelimeleri ortaya çıkıyor. Schuster, antiatomların yerçekimi kuvvetleri tarafından birbirlerine çekildiklerini, ancak sıradan madde tarafından itildiklerini varsaydı.
Antielektronlar, resmi olarak keşfedilmeden önce ilk kez bir deneyde fark edildi. Bu, 1920'lerde manyetik bir alana yerleştirilmiş bir bulut odasında gama ışınlarının elektronlar tarafından saçılmasını inceleyen Leningrad fizikçisi Dmitry Skobeltsin tarafından yapıldı. Görünüşe göre elektronik kökenli bazı izlerin yanlış yönde büküldüğünü fark etti. Elbette önemli olan nokta, bir gama kuantumunun maddeyle etkileşime girdiğinde manyetik alanda zıt yönlerde bükülen bir elektron ve bir pozitron ortaya çıkarabilmesidir. Skobeltsin doğal olarak bunu bilmiyordu ve garip etkiyi açıklayamıyordu, ancak 1928'de Cambridge'deki uluslararası bir konferansta bunu bildirdi. İlginç bir tesadüf eseri, bir yıl önce genç bir teorik fizikçi olan Paul Dirac, Cambridge'deki St. John's College'ın konseyine seçildi ve onun araştırması sonunda bu anormallikleri açıklamayı mümkün kıldı.
Dirac denklemi
1926'da Avusturyalı Erwin Schrödinger, kuantum mekaniği tarafından yönetilen göreceli olmayan parçacıkların davranışını tanımlayan bir denklem formüle etti; çözümleri parçacığın durumlarını belirleyen bir diferansiyel denklem. Schrödinger denklemi, kendi açısal momentumuna (spin) sahip olmayan (başka bir deyişle tepe gibi davranmayan) bir parçacığı tanımlıyordu. Bununla birlikte, 1926'da elektronların iki farklı değere sahip olabilecek bir dönüşe sahip olduğu zaten biliniyordu: kabaca konuşursak, elektronun tepesinin ekseni uzayda yalnızca iki zıt yönde yönlendirilir (bir yıl sonra protonlar için benzer kanıtlar elde edildi) . Aynı zamanda İsviçreli teorisyen Wolfgang Pauli, Schrödinger denklemini elektron için genelleştirerek spinin dikkate alınmasını sağladı. Böylece spin ilk olarak deneysel olarak keşfedildi ve daha sonra yapay olarak Schrödinger denklemine uygulandı.
Einstein'ın görelilik mekaniğinde, serbest bir parçacığın enerjisinin formülü, Newton mekaniğine göre daha karmaşık görünüyor. Einstein'ın formülünü kuantum denklemine çevirmek zor değil; Schrödinger ve onun üç çağdaşı bunu yaptı. Ancak böyle bir denklemin çözümleri, bir parçacığın belirli bir noktada bulunma olasılığının negatif çıkabileceğini ve bunun fiziksel bir anlamı olmadığını göstermektedir. Yeni denklemin (Klein-Gordon denklemi adı verilen) matematiksel yapısının görelilik teorisinden farklı olması (biçimsel dilde göreli olarak değişmez değildir) nedeniyle başka sorunlar ortaya çıkar.
Dirac'ın 1927'de düşündüğü sorun buydu. Değişmezliği korumak için enerji ve momentum operatörlerinin karelerini değil, onların birinci kuvvetlerini denkleme dahil etti. Denklemi bu biçimde yazmak için başlangıçta Pauli'ninkinden daha karmaşık 4x4 matrisleri kullanmamız gerekiyordu. Bu denklemin dört eşdeğer çözümü vardır ve iki durumda elektron enerjisi pozitif, iki durumda ise negatiftir.
Sorun da burada ortaya çıktı. İlk çözüm çifti basitçe yorumlandı; bu, olası spin durumlarının her birinde sıradan bir elektrondur. Dirac denklemine elektromanyetik alanı eklersek elektronun doğru manyetik momente sahip olduğu kolaylıkla ortaya çıkar. Bu, herhangi bir ek varsayım olmaksızın elektrona hem spin hem de manyetik moment kazandıran Dirac'ın teorisinin devasa bir başarısıydı. Ancak ilk başta kimse kalan kararlarla ne yapılacağına karar veremiyordu. Hem Newton hem de Einstein mekaniğinde, serbest bir parçacığın enerjisi asla negatif değildir ve enerjisi sıfırdan düşük olan parçacıklar kafa karıştırıcıydı. Ayrıca sıradan elektronların neden Dirac'ın teorisinin öngördüğü açıkça daha düşük enerjili durumlara girmedikleri, atomların kabuklarındaki elektronların ise bu fırsatı kaçırmadıkları da açık değildi.
Anlam ara
İki yıl sonra Dirac paradoksal çözümlerin çok güzel bir yorumunu buldu. Pauli ilkesine göre, iki elektron (yarım tamsayı spinli herhangi bir parçacık gibi) aynı anda aynı kuantum durumunda olamaz. Dirac'a göre negatif enerjili tüm durumlar normalde zaten doludur ve pozitif enerjiler bölgesinden bu durumlara geçiş Pauli ilkesi tarafından yasaklanmıştır. Bu nedenle, Dirac'ın negatif enerjili elektron denizi prensipte gözlemlenemez, ancak yalnızca içinde boş yer olmadığı sürece. Böyle bir boşluk, bir elektronun negatif enerji seviyesinden pozitif enerji seviyesine (örneğin, yeterince güçlü bir elektromanyetik radyasyon kuantumu tarafından) nakavt edilmesi durumunda yaratılabilir. Elektron denizi bir birim negatif yük kaybedeceğinden, ortaya çıkan boşluk (Dirac buna delik adını verdi) elektrik alanında pozitif yüklü bir parçacık gibi davranacaktır. Aynı mantıkla, bir elektronun normal durumdan böyle bir deliğe düşmesi, bir fotonun yayılmasıyla birlikte hem elektronun hem de deliğin yok olmasına yol açar.
Dirac delikleri gerçek dünyada kendilerini nasıl gösterir? Dirac ilk başta onları 1930'da Nature'da yazdığı protonlarla tanımladı. En hafif tabirle garipti; bir proton, bir elektrondan 2000 kat daha ağırdır. Geleceğin akademisyeni ve Nobel ödüllü Igor Tamm ve atom bombasının gelecekteki babası Robert Oppenheimer daha ciddi bir itiraz öne sürerek, her hidrojen atomunun yok olma tehlikesiyle karşı karşıya olduğunu ve bunun doğada gerçekleşmediğini belirtti. Dirac kısa süre sonra bu hipotezden vazgeçti ve Eylül 1931'de, eğer tespit edilebilirlerse deliklerin deneysel fizik tarafından bilinmeyen tamamen yeni parçacıklar haline geleceğini öngördüğü bir makale yayınladı. Onlara antielektronlar adını vermeyi önerdi.
Dirac modeli, parçacıklara ve antiparçacıklara aynı gerçekliği atfeden kuantum elektrodinamiği ve kuantum alan teorisinin yaratılmasından sonra tarihe karıştı. Ayrıca kuantum elektrodinamiğinden, serbest bir elektronun bir antielektronla buluşmasının en az bir çift kuantanın yaratılmasını gerektirdiği sonucu çıkar, dolayısıyla bu kısımda model tamamen yanlıştır. Çoğu zaman olduğu gibi, Dirac denkleminin yaratıcısının önerdiği yorumdan çok daha akıllı olduğu ortaya çıktı.
Antielektronun keşfi
Daha önce de belirtildiği gibi, pozitronlar aslında Dmitry Skobeltsin tarafından gözlemlendi. 1930'da Caltech yüksek lisans öğrencisi Chung-Yao Chao, gama ışınlarının kurşun folyodan geçişini incelerken onlarla karşılaştı. Bu deneyde, elektron-pozitron çiftleri ortaya çıktı, ardından yeni doğan pozitronlar atomik kabukların elektronları tarafından yok edildi ve Chao'nun kaydettiği ikincil gama radyasyonunu üretti. Ancak birçok fizikçi sonuçlardan şüphe etti ve bu çalışma tanınmadı.
Chao'nun lideri, o zamanlar kozmik ışınlar üzerinde çalışan (bu terimi icat eden) Caltech'in başkanı Nobel ödüllü Robert Millikan'dı. Millikan bunların bir gama ışınları akışı olduğunu düşünüyordu ve bu nedenle atomları elektronlara ve protonlara böleceklerini bekliyordu (nötron daha sonra 1932'de keşfedildi). Millikan, bu hipotezi yüksek lisans öğrencilerinden biri ve aynı zamanda Chao'nun arkadaşı olan Karl Anderson'a test etmeyi önerdi. O da Skobeltsin gibi çok güçlü bir elektromıknatısa bağlı bir bulut odası kullanmaya karar verdi. Anderson ayrıca görünüş olarak elektron izlerinden farklı olmayan ancak ters yönde kavisli yüklü parçacıkların izlerini de elde etti. İlk başta bunları yukarıdan aşağıya değil, aşağıdan yukarıya doğru hareket eden elektronlara bağladı. Kontrol için odanın ortasına 6 mm kalınlığında bir kurşun levha yerleştirdi. Plakanın üzerinde elektronik tip izlere sahip parçacıkların momentumunun odanın alt kısmındakilerden iki kat daha yüksek olduğu ortaya çıktı; bunu, tüm parçacıkların yukarıdan aşağıya doğru hareket ettiği takip etti. Aynı teknik, anormal bükülmeye sahip parçacıkların proton olamayacağını, kurşun ekrana sıkışıp kalacaklarını kanıtladı.
Anderson sonunda anormal izlerin neredeyse tamamının pozitif yüklü bir tür hafif parçacıklara ait olduğu sonucuna vardı. Ancak Milliken buna inanmadı ve Anderson, patronunun onayı olmadan bilimsel basında yayınlamak istemedi. Bu nedenle kendisini popüler Science News Letter dergisine yazdığı kısa bir mektupla sınırladı ve anormal yolun bir fotoğrafını ekledi. Anderson'ın yorumuna katılan editör, yeni parçacığa pozitron adını vermeyi önerdi. Bu fotoğraf Aralık 1931'de yayımlandı.
Dirac'ın Eylül ayında bir antielektronun varlığına ilişkin hipotezi yayınladığını hatırlayın. Ancak hem Anderson hem de Millikan, onun teorisi hakkında neredeyse hiçbir şey bilmiyorlardı ve onun özünü pek anlayamıyorlardı. Bu nedenle pozitronu Dirac antielektronuyla özdeşleştirmek Anderson'un aklına gelmedi. Uzun süre Millikan'ı haklı olduğuna inandırmaya çalıştı ancak başarıya ulaşamadı ve Eylül 1932'de gözlemlerine ilişkin bir notu Science dergisinde yayınladı. Bununla birlikte, bu çalışmada hala bir elektron ikizinden değil, yalnızca kütlesi bir protonun kütlesinden çok daha az olan, bilinmeyen türden pozitif yüklü bir parçacıktan bahsediyoruz.
Antielektronun tanımlanmasına yönelik bir sonraki adım, tahmin edildiği yerde, Cambridge'de atıldı. İngiliz fizikçi Patrick Blackett ve İtalyan meslektaşı Giuseppe Occhialini, büyük Rutherford'un başkanlığını yaptığı ünlü Cavendish Laboratuvarı'nda kozmik ışınlar üzerinde çalıştı. Occhialini, Wilson odasını, biri kameranın üstüne, diğeri de altına yerleştirilen Geiger sayaçlarının eşzamanlı olarak etkinleştirilmesi durumunda kamerayı açan bir elektronik devre (yurttaşı Bruno Rossi tarafından icat edildi) ile donatmayı önerdi. 1932 sonbaharında ortaklar, kozmik kökenli yüklü parçacıklara atfedilebilecek izlerin yaklaşık 700 fotoğrafını aldılar. Bunların arasında, manyetik bir alanda birbirinden ayrılan elektronlar ve pozitronlar tarafından üretilen V şeklinde iz çiftleri de vardı.
Blackett, Dirac'ın öngördüğü antielektronu biliyordu ancak teorisini ciddiye almadı. Dirac'ın kendisi de varsayımsal parçacığını Blackett'in fotoğraflarında görmedi. Sonuç olarak Blackett ve Occhialini, fotoğraflarını ancak daha sonra, Anderson'un Eylül yayınına aşina olduklarında doğru şekilde yorumladılar. Bulgularını, 7 Şubat 1933'te Kraliyet Cemiyeti Bildirileri editörlerine ulaşan "Nüfuz eden radyasyon izlerinin fotoğrafları" mütevazı başlığıyla bir makalede sundular. Bu zamana kadar Anderson, Cavendish'in rakiplerinin farkına varmış ve sonuçlarını 28 Şubat'ta Physical Review dergisinde çıkan "The Positive Electron" adlı dört sayfalık makalesinde yeterince özetlemişti. Anderson'un önceliği önceki yayınlarda belirlendiğinden, pozitronun keşfi nedeniyle Nobel Ödülü'nü tek başına o aldı (1936'da kozmik ışınların kaşifi Victor Hess ile birlikte). Blackett bu ödüle 12 yıl sonra layık görüldü ("Bulut odası gözlem yöntemlerindeki gelişmeler ve nükleer fizik ve kozmik radyasyon alanındaki keşifler için" ifadesiyle), ancak Occhialini ödül için atlandı - siyasi nedenlerden dolayı olduğuna inanılıyor .
Kısa sürede pozitron araştırmaları hızla ilerledi. Parisli fizikçi Jean Thibault, radyoaktif bir kaynaktan gelen kurşundaki gama kuantumunun engellenmesiyle üretilen karasal kökenli elektron-pozitron çiftlerini gözlemledi. Her iki parçacık için de yük-kütle oranının mutlak değerinin çok yüksek bir doğrulukla örtüştüğünü kanıtladı. 1934'te Frédéric Joliot ve Irene Curie, pozitronların da radyoaktif bozunmadan kaynaklandığını keşfettiler. Böylece yirminci yüzyılın 30'lu yıllarının ortalarına gelindiğinde, Dirac'ın öngördüğü antielektronların varlığı kanıtlanmış bir gerçek haline gelmişti.
Antinükleonlar
Kozmik ışınlar tarafından pozitron üretiminin mekanizması uzun zamandır kurulmuştur. Birincil kozmik radyasyon esas olarak, üst atmosferdeki atom çekirdekleriyle çarpıştığında pionlar ve diğer kararsız parçacıklar üreten, 1 GeV'den daha büyük enerjilere sahip protonlardan oluşur. Pionlar, maddede yavaşladığında elektron-pozitron çiftleri üreten gama kuantumunun ortaya çıktığı yeni bozunmalara yol açar.
Yeterince hızlı protonlar atom çekirdeğiyle çarpıştıklarında doğrudan antiprotonları ve antinötronları üretebilirler. Yirminci yüzyılın ortalarında fizikçiler artık bu tür dönüşümlerin olasılığından şüphe duymuyor ve bunların izlerini ikincil kozmik ışınlarda arıyorlardı. Bazı gözlemlerin sonuçları antiprotonların yok olması olarak yorumlanabilir, ancak tam bir kesinlik yoktur. Bu nedenle Amerikalı fizikçiler, teoriye göre her iki antinükleon türünün de elde edilmesinin mümkün olduğu 6 GeV'lik bir proton hızlandırıcının inşası için bir proje önerdiler. Bevatron adı verilen bu makine, 1954 yılında Lawrence Berkeley Laboratuvarı'nda piyasaya sürüldü. Bir yıl sonra Owen Chamberlain, Emilio Segre ve meslektaşları bakır bir hedefe proton ateşleyerek antiprotonlar elde ettiler. Bir yıl sonra aynı tesisteki başka bir grup fizikçi antinötronları kaydetti. 1965 yılında CERN ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda bir antiproton ve bir antinötrondan oluşan antidöteryum çekirdekleri sentezlendi. Ve 1970'lerin başında, SSCB'den antihelyum-3 (iki antiproton ve bir antinötron) ve antitrityum (bir antiproton ve iki antinötron) çekirdeğinin Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü'nün 70 GeV proton hızlandırıcısında sentezlendiğine dair bir mesaj geldi; 2002 yılında CERN'de birkaç hafif antihelyum çekirdeği elde edildi. İşler henüz ilerlemedi, bu nedenle en az bir altın karşıtı çekirdeğin sentezi uzak bir gelecek meselesi.
İnsan yapımı antimadde
Çekirdekler çekirdektir, ancak gerçek antimadde tam teşekküllü atomlara ihtiyaç duyar. Bunların en basiti bir antihidrojen atomu, bir antiproton artı bir pozitrondur. Bu tür atomlar ilk kez 1995 yılında, antiprotonun keşfinden 40 yıl sonra CERN'de yaratıldı. Bunların Büyük Patlama'dan sonra Evrenimizin varlığı sırasında ilk antihidrojen atomları olması oldukça olasıdır - doğal koşullar altında bunların doğma olasılığı neredeyse sıfırdır ve dünya dışı teknolojik uygarlıkların varlığı hala sorgulanmaktadır.
Bu deney Alman fizikçi Walter Ohlert'in önderliğinde gerçekleştirildi. CERN daha sonra düşük enerjili (yalnızca 5,9 MeV) antiprotonları depolayan LEAR depolama halkasını çalıştırdı (1984'ten 1996'ya kadar çalıştı). Ohlert'in grubunun yaptığı deneyde antiprotonlar bir ksenon jetine yönlendirildi. Antiprotonların bu gazın çekirdekleriyle çarpışmasından sonra, elektron-pozitron çiftleri ortaya çıktı ve bazı pozitronlar, son derece nadiren (%10−17 frekansıyla!) antiprotonlarla birleşerek neredeyse ışık hızında hareket eden antihidrojen atomları oluşturdu. Yüksüz antiatomlar artık halkanın içinde dönemedi ve iki dedektöre doğru uçtu. İlk cihazda, her antiatom iyonize edildi ve salınan pozitron bir elektronla yok edilerek bir çift gama kuantumu oluşturuldu. Antiproton, bu parçacığın kaybolmasından önce yükünü ve hızını belirlemeyi başaran ikinci dedektöre gitti. Her iki dedektörden elde edilen verilerin karşılaştırılması, deneyde en az 9 antihidrojen atomunun sentezlendiğini gösterdi. Kısa süre sonra Fermilab'da göreli antihidrojen atomları yaratıldı.
2000 yazından bu yana CERN yeni bir AD (Antiproton Yavaşlatıcı) halkası çalıştırıyor. 3,5 GeV kinetik enerjiye sahip antiprotonları alır, bunlar 100 MeV enerjiye yavaşlatılır ve daha sonra çeşitli deneylerde kullanılır. ATHENA ve ATRAP grupları burada antimadde üzerinde çalışmaya başladı ve 2002 yılında tek seferde onbinlerce antihidrojen atomu elde etmeye başladılar. Bu atomlar, AD'den gelen antiprotonların ve sodyum-22'nin bozunması sırasında doğan pozitronların karıştırıldığı özel elektromanyetik şişelerde (Penning tuzakları adı verilen) ortaya çıkar. Doğru, nötr antiatomların böyle bir tuzaktaki ömrü yalnızca mikrosaniyelerle ölçülür (ancak pozitronlar ve antiprotonlar orada aylarca saklanabilir!). Antihidrojenin daha uzun süreli depolanmasına yönelik teknolojiler şu anda geliştirilmektedir.
ATRAP grubunun başkanı (ATHENA projesi zaten tamamlandı) PM ile yaptığı bir konuşmada Harvard Üniversitesi profesörü Gerald Gabriels, LEAR'dan farklı olarak AD kurulumunun nispeten yavaş (fizikçilerin dediği gibi soğuk) sentezlemeyi mümkün kıldığını vurguladı. ) çalışmanın çok daha kolay olduğu antihidrojen atomları. Artık bilim insanları antiatomları daha da soğutmaya ve pozitronlarını daha düşük enerji seviyelerine aktarmaya çalışıyor. Eğer bu başarılı olursa antiatomları kuvvet tuzaklarında daha uzun süre tutmak ve onların fiziksel özelliklerini (örneğin spektral karakteristikleri) belirlemek mümkün olacak. Bu göstergeler sıradan hidrojenin özellikleriyle karşılaştırılabilir ve sonunda antimaddenin maddeden ne kadar farklı olduğu anlaşılabilir. Hala yapılması gereken çok iş var.
ANTİMADDE
çekirdekleri negatif elektrik yüküne sahip olan ve pozitif elektrik yüküne sahip elektronlar olan pozitronlarla çevrelenmiş atomlardan oluşan bir madde. Etrafımızdaki dünyanın inşa edildiği sıradan maddede, pozitif yüklü çekirdekler, negatif yüklü elektronlarla çevrilidir. Onu antimaddeden ayırmak için sıradan maddeye bazen madeni madde (Yunanca koinos - sıradan) denir. Ancak bu terim pratikte Rus edebiyatında kullanılmamaktadır. Antimadde tabirinin tam anlamıyla doğru olmadığının altını çizmek gerekiyor. Çünkü antimadde de maddedir, onun bir türüdür. Antimadde, sıradan maddeyle aynı eylemsizlik özelliklerine sahiptir ve aynı yerçekimi çekiciliğini yaratır. Madde ve antimaddeden bahsederken temel (atom altı) parçacıklarla başlamak mantıklıdır. Her temel parçacığın bir antiparçacığı vardır; zıt elektrik yüklerine sahip olmaları dışında her ikisi de hemen hemen aynı özelliklere sahiptir. (Parçacık nötrse antiparçacık da nötrdür ancak diğer özellikler bakımından farklılık gösterebilirler. Bazı durumlarda parçacık ve antiparçacık birbiriyle aynıdır.) Dolayısıyla negatif yüklü bir parçacık olan elektron, bir elektrona karşılık gelir. pozitron ve pozitif yüklü bir protonun antiparçacığı negatif yüklü bir antiprotondur. Pozitron 1932'de, antiproton ise 1955'te keşfedildi; bunlar keşfedilen ilk antipartiküllerdi. Antipartiküllerin varlığı 1928 yılında İngiliz fizikçi P. Dirac tarafından kuantum mekaniğine dayanarak tahmin edildi. Bir elektron ve bir pozitron çarpıştığında yok olurlar, yani. her iki parçacık da kaybolur ve çarpıştıkları noktadan iki gama ışını yayılır. Çarpışan parçacıklar düşük hızda hareket ederse, her bir gama kuantumunun enerjisi 0,51 MeV olur. Bu enerji, enerji birimleriyle ifade edilen, elektronun veya dinlenme kütlesinin "durgun enerjisi"dir. Çarpışan parçacıklar yüksek hızda hareket ederse, kinetik enerjilerinden dolayı gama ışınlarının enerjisi daha büyük olacaktır. Yok olma, bir protonun bir antiprotonla çarpışması durumunda da meydana gelir, ancak bu durumda süreç çok daha karmaşıktır. Etkileşimin ara ürünleri olarak bir dizi kısa ömürlü parçacık doğar; ancak birkaç mikrosaniye sonra nötrinolar, gama ışınları ve az sayıda elektron-pozitron çifti, dönüşümlerin son ürünleri olarak kalır. Bu çiftler sonunda yok olabilir ve ek gama ışınları yaratabilir. Yok olma, bir antinötronun bir nötron veya protonla çarpışması durumunda da meydana gelir. Antipartiküller mevcut olduğundan, antipartiküllerden antinükleilerin oluşup oluşamayacağı sorusu ortaya çıkıyor. Sıradan madde atomlarının çekirdekleri proton ve nötronlardan oluşur. En basit çekirdek, sıradan hidrojen 1H izotopunun çekirdeğidir; tek bir protonu temsil eder. Döteryum çekirdeği 2H bir proton ve bir nötrondan oluşur; buna döteron denir. Basit çekirdeğin bir başka örneği, iki proton ve bir nötrondan oluşan 3He çekirdeğidir. Bir antiproton ve bir antinötrondan oluşan antidöteron, 1966 yılında laboratuvarda elde edildi; iki antiproton ve bir antinötrondan oluşan anti-3He çekirdeği ilk kez 1970 yılında elde edildi. Modern parçacık fiziğine göre, uygun teknik araçlarla tüm sıradan çekirdeklerin antiçekirdeklerini elde etmek mümkün olacaktı. Bu antinükleuslar uygun sayıda pozitronla çevrelenmişse antiatom oluştururlar. Antiatomlar sıradan atomlarla hemen hemen aynı özelliklere sahip olacaktır; organik maddeler de dahil olmak üzere katıların, sıvıların ve gazların oluşabileceği moleküller oluşturacaklardı. Örneğin, iki antiproton ve bir antioksijen çekirdeği, sekiz pozitronla birlikte, her molekülü iki proton hidrojen çekirdeği, bir oksijen çekirdeği ve sekiz elektrondan oluşan, sıradan su H2O'ya benzer bir antisu molekülü oluşturabilir. Modern parçacık teorisi, antisuyun 0°C'de donacağını, 100°C'de kaynayacağını ve diğer durumlarda sıradan su gibi davranacağını öngörebilmektedir. Böyle bir akıl yürütmeye devam edersek, antimaddeden inşa edilen bir anti-dünyanın etrafımızdaki sıradan dünyaya son derece benzer olacağı sonucuna varabiliriz. Bu sonuç, evrenin eşit miktarda sıradan madde ve antimadde içerdiği varsayımına dayanan simetrik evren teorileri için başlangıç noktası görevi görüyor. Biz onun sıradan maddeden oluşan kısmında yaşıyoruz. Zıt türdeki iki özdeş madde parçası temas ettirilirse, elektronların pozitronlarla ve çekirdeklerin antinükleilerle yok olması meydana gelecektir. Bu durumda, ne olup bittiğini yargılayabileceğimiz bir gama kuantası ortaya çıkacaktır. Dünya, tanımı gereği sıradan maddeden oluştuğu için, büyük hızlandırıcılarda ve kozmik ışınlarda üretilen çok az sayıdaki antipartiküller dışında, içinde kayda değer miktarda antimadde yoktur. Aynı durum tüm güneş sistemi için de geçerlidir. Gözlemler, Galaksimizde yalnızca sınırlı miktarda gama radyasyonunun üretildiğini göstermektedir. Bundan bazı araştırmacılar, içinde gözle görülür miktarda antimadde bulunmadığı sonucuna varıyor. Fakat bu sonuç tartışılmaz değildir. Örneğin yakındaki belirli bir yıldızın maddeden mi yoksa antimaddeden mi oluştuğunu belirlemenin şu anda hiçbir yolu yok; Bir antimadde yıldızı, normal bir yıldızla tamamen aynı spektrumu yayar. Dahası, yıldızın etrafındaki boşluğu dolduran ve yıldızın maddesiyle aynı olan nadir maddenin, karşıt türden maddeyle dolu alanlardan - çok ince, yüksek sıcaklıktaki "Leidenfrost katmanları" - ayrılması oldukça olasıdır. Böylece yıldızlararası ve galaksiler arası uzayın her hücresinde ya madde ya da antimaddenin bulunduğu “hücresel” bir yapıdan söz edebiliriz. Bu hipotez, manyetosfer ve heliosferin (gezegenlerarası uzay) hücresel bir yapıya sahip olduğunu gösteren modern araştırmalarla desteklenmektedir. Farklı mıknatıslanmalara ve bazen de farklı sıcaklık ve yoğunluklara sahip hücreler çok ince akım kabuklarıyla ayrılır. Bu, bu gözlemlerin Galaksimizde bile antimaddenin varlığıyla çelişmediği yönünde paradoksal bir sonuca yol açıyor. Daha önce antimaddenin varlığını destekleyen ikna edici argümanlar olmasa da, şimdi X-ışını ve gama-ışını astronomisinin başarıları durumu değiştirdi. Enerjinin çok büyük ve çoğunlukla oldukça düzensiz salınımıyla ilişkili olaylar gözlemlendi. Büyük olasılıkla, bu tür enerji salınımının kaynağı yok oluştu. İsveçli fizikçi O. Klein, madde ve antimadde arasındaki simetri hipotezine dayanan kozmolojik bir teori geliştirmiş ve evrenin evriminde ve galaksilerin yapısının oluşumunda yok olma süreçlerinin belirleyici bir rol oynadığı sonucuna varmıştır.
Ana alternatif teorinin - "büyük patlama" teorisinin - gözlemsel verilerle ciddi şekilde çeliştiği ve yakın gelecekte kozmolojik sorunların çözümünde merkezi yerin büyük olasılıkla "simetrik kozmoloji" tarafından işgal edileceği giderek daha açık hale geliyor. Antimaddenin kozmoloji problemlerindeki rolü, yazarın Worlds - Antiworlds: Antimatter in Cosmology (1966) adlı kitabında tartışılmaktadır.
Ayrıca bakınız
KOZMOLOJİ;
TEMEL PARÇACIKLAR.
EDEBİYAT
Weinberg S. İlk üç dakika. M., 1981 İpek J. Büyük Patlama. M., 1982 Davis P. Süper Güç; Birleşik bir doğa teorisi arayın. M., 1989
Collier'in Ansiklopedisi. - Açık Toplum. 2000 .
Eş anlamlı:Diğer sözlüklerde "ANTİMADDE"nin ne olduğuna bakın:
Antimadde... Yazım sözlüğü-referans kitabı
antimadde- antimadde/, a/… Birlikte. Ayrı. Tireli.
A; evlenmek Fizik. Antipartiküllerden oluşan madde. ◁ Antimadde, ah, ah. * * * antimadde, antipartiküllerden oluşan maddedir. Antimadde atomlarının çekirdekleri antiprotonlardan ve antinötronlardan oluşur ve atom kabukları pozitronlardan oluşur.... ... ansiklopedik sözlük
Antimadde, antipartiküllerden oluşan bir maddedir. İçindekiler 1 Özellikler 2 Elde Etme 3 Maliyet ... Vikipedi
ANTİMADDE, antipartiküllerden oluşan bir maddedir. Antimadde atomlarının çekirdekleri antiprotonlardan ve antinötronlardan oluşur ve elektronların rolü pozitronlar tarafından oynanır. Evrenin oluşumunun ilk anlarında antimadde ve maddenin... ... Modern ansiklopedi
Antipartiküllerden oluşan madde. Antimadde atomlarının çekirdekleri antiprotonlardan ve antinötronlardan oluşur ve atomik kabuklar pozitronlardan oluşur. Evrendeki antimadde birikimleri henüz keşfedilmedi. Yüklü parçacık hızlandırıcılarda alındı... ... Büyük Ansiklopedik Sözlük
ANTİMADDE, zıt işareti olan ELEKTRİK YÜKÜ, DÖNÜŞ VE MANYETİK MOMENT dışında her bakımdan sıradan parçacıklarla aynı olan antipartiküllerden oluşan bir maddedir. Bir antiparçacık, örneğin bir pozitron... ... Bilimsel ve teknik ansiklopedik sözlük
Evlenmek. Antipartiküllerden oluşan madde (fizikte). Ephraim'in açıklayıcı sözlüğü. T. F. Efremova. 2000... Efremova'nın Rus dilinin modern açıklayıcı sözlüğü
Antipartiküllerden oluşan madde. Va'daki atomların çekirdekleri protonlardan ve nötronlardan oluşur ve elnler atomların kabuklarını oluşturur. Atomlarda çekirdek antiproton ve antinötronlardan oluşur ve kabuklarındaki elektronların yerini pozitronlar alır. Modern göre teoriler, zehir... Fiziksel ansiklopedi
Mevcut, eş anlamlıların sayısı: 1 antimadde (2) ASIS Eşanlamlılar Sözlüğü. V.N. Trishin. 2013… Eşanlamlılar sözlüğü
ANTİMADDE- aşağıdakilerden oluşan madde (bkz.). A.'nın Evrendeki yaygınlığı sorusu hala açık... Büyük Politeknik Ansiklopedisi
Kitabın
- Evren dikiz aynasındadır. Tanrı sağ elini mi kullanıyordu? Veya gizli simetri, antimadde ve Higgs bozonu, Goldberg, Dave. Fiziği sevmiyor musun? Dave Goldberg'in kitaplarını okumadınız! Bu kitap sizi modern fiziğin en ilgi çekici konularından biri olan temel simetrilerle tanıştıracak. Sonuçta bizim...
Antimadde, antipartiküllerden, yani zıt oldukları parçacıkların tamamen aynı, ancak anlam ve özelliklerinde zıt olan parçacıklardan oluşan maddedir. Her parçacığın kendi ayna kopyası vardır; bir antiparçacık. Proton ve nötronun antiparçacıklarına sırasıyla antiproton, antinötron ve pozitron adı verilir. Protonlar ve nötronlar ise kuark adı verilen daha da küçük parçacıklardan oluşur. Antiprotonlar ve antinötronlar antikuarklardan oluşur.
Antipartiküller, normal maddedeki benzerleriyle benzer ancak zıt bir yük taşırlar, ancak aynı kütleye sahiptirler ve diğer tüm açılardan benzerlerdir. Bilim adamları, antimaddeden oluşan galaksilerin tamamının var olabileceğini öne sürüyorlar. Ayrıca Evrende sıradan maddeden daha fazla antimaddenin bulunabileceği yönünde bir görüş de var. Ancak etrafımızdaki sıradan dünyadaki nesneler gibi antimaddeyi de görmek imkansızdır. İnsan gözüyle görülmez.
Gökbilimcilerin çoğu, doğada çok fazla antimadde bulunmadığı veya hiç antimadde bulunmadığı konusunda hâlâ hemfikir; aksi takdirde, onlara göre, Evrende sıradan madde ile antimaddenin birbiriyle çarpıştığı ve buna güçlü bir gama akışının eşlik ettiği birçok yer olurdu. yok edilmesinden kaynaklanan ışınlar. Yok olma, enerjinin açığa çıkmasıyla birlikte madde ve antimadde parçacıklarının karşılıklı yok edilmesidir. Ancak böyle bir bölge bulunamadı.
Antimaddenin ortaya çıkışına ilişkin olası hipotezlerden biri büyük patlama teorisiyle ilişkilidir. Bu teori, hepimizin uzayda belirli bir noktanın genişlemesi sonucu ortaya çıktığını iddia ediyor. Patlamanın ardından eşit miktarda madde ve antimadde ortaya çıktı. Karşılıklı yıkım süreci hemen başladı. Ancak bazı nedenlerden dolayı, Evrenin alışık olduğumuz biçimde oluşmasını sağlayan biraz daha fazla madde vardı.
Antimaddenin özelliklerini inceleme fırsatının olmaması nedeniyle bilim adamları, antimadde oluşumu için yapay yöntemlere başvuruyorlar. Bunu elde etmek için, madde atomlarının yaklaşık ışık hızına (300.000 km/sn) kadar hızlandırıldığı parçacık hızlandırıcıları gibi özel bilimsel cihazlar kullanılır. Bazı parçacıklar çarpıştığında yok edilirler ve bunun sonucunda antimaddenin elde edilebileceği antiparçacıklar oluşur. Antimaddeyi depolamak zor bir sorundur, çünkü antimadde sıradan maddeyle temas ettiğinde yok olur. Bunu yapmak için, ortaya çıkan antimadde tanecikleri bir vakuma ve bir vakuma yerleştirilir, bu da onları asılı tutar ve depolama tesisinin duvarlarına temas etmelerini engeller.
Antimaddeyi elde etmek ve üzerinde çalışmak zor olsa da hayatımıza pek çok fayda sağlayabilir. Hepsi antimadde maddeyle etkileşime girdiğinde büyük miktarda enerji açığa çıktığı gerçeğine dayanıyor. Üstelik açığa çıkan enerjinin ilgili maddenin kütlesine oranı hiçbir tür veya patlayıcı tarafından aşılmaz. Yok oluşun hiçbir yan ürünü yoktur, yalnızca saf enerji vardır. Bu nedenle bilim adamları zaten onun kullanımını hayal ediyorlar. Örneğin sonsuz kaynağa sahip antimadde hakkında. İmha motorlarına sahip uzay gemileri, ışık hızına yakın bir hızla binlerce ışık yılı yol alabilecek. Bu, orduya atom veya hidrojenden çok daha yıkıcı, muazzam bir güç yaratma fırsatı verecek. Ancak endüstriyel ölçekte ucuz antimadde üretinceye kadar tüm bu hayaller gerçekleşmeyecek.
Dünya üzerinde yapay uyduların yardımıyla tespit ettiğimiz hemen hemen her şey maddedir. Antimadde, Dünya'da yüksek enerjili hızlandırıcılar kullanılarak üretilir. Örneğin antiprotonlar, antidöteron ve antihelyum çekirdekleri ve antiatomlar elde edildi.
Astronomik yöntemler kullanılarak antimaddenin doğrudan gözlemlenmesi imkansızdır çünkü Antimadde parçacıklarının birbirleriyle etkileşimi sonucu üretilen fotonlar, madde parçacıklarının etkileşimi sonucu üretilen fotonlardan ayırt edilemez. Bunun nedeni, fotonun gerçekten nötr bir parçacık olmasıdır. Prensip olarak madde, nötrinolar ν ve antinötrinoların gözlemlenmesiyle antimaddeden ayırt edilebilir, ancak bu tür gözlemler şu anda gerçekçi değildir.
Eğer Dünya'nın yakın çevresinde antimaddenin hakim olduğu bölgeler olsaydı, bu durum madde ve antimaddenin yok olması sırasında oluşan γ-kuantanın yok olması şeklinde kendini gösterirdi. Maddenin antimaddeye üstünlüğünü destekleyen önemli bir argüman kozmik ışınlardır. Bunlar maddenin parçacıklarıdır; protonlar, elektronlar, protonlardan ve nötronlardan oluşan atom çekirdekleri.
Antimadde parçacıklarının oluşumu, yüksek enerjili kozmik radyasyon parçacıklarının Dünya atmosferiyle etkileşimi sonucu gözlemlenir. Enerji konsantrasyonunun arttığı bölgelerde antipartiküller oluşur. Örneğin aktif galaksilerin çekirdeklerinde antipartiküllerin oluşumu meydana gelir. Kural olarak bu gibi durumlarda madde parçacıklarıyla birlikte antimadde parçacıkları da ortaya çıkar. Bir sonraki aşamada madde ve antimadde parçacıklarının oluşumu ve yok olması gerçekleşir. Örneğin enerjisi 1 MeV'den büyük olan bir foton, atom çekirdeğinin alanında bir elektron-pozitron çifti oluşturabilir. Ortaya çıkan pozitron, bir elektronla karşılaştığında yok olur ve daha sıklıkla 2 ve daha az sıklıkla 3 γ-kuanta oluşturur.
Evrende antimaddenin varlığı sorunu, fizikte Evrenin oluşumu ve gelişimi sorunuyla ilişkili temel bir sorundur.
Gözlemlenebilir Evrenin neden neredeyse tamamen maddeden oluştuğuna dair çeşitli hipotezler vardır. Evrende antimaddenin hakim olduğu alanlar var mı? Antimadde kullanılabilir mi? Görünür Evrendeki madde ve antimadde arasındaki bariz asimetrinin nedeni, modern fiziğin çözülmemiş en büyük gizemlerinden biridir. Parçacıklar ve antiparçacıklar arasındaki bu asimetrinin meydana geldiği sürece baryogenez denir.
20. yüzyılın 50'li yıllarına kadar evrende eşit miktarda madde ve antimaddenin bulunduğu yönündeki yaygın görüş hakimdi. Ancak 60'lı yılların ortalarında Big Bang teorisi alanında yapılan çalışmalar bu bakış açısını sarstı. Nitekim, sıcak ve yoğun bir Evrenin varlığının ilk anlarında parçacık ve antiparçacık sayısı aynı olsaydı, onların yok olması, Evrende yalnızca radyasyonun kalacağı gerçeğine yol açacaktı. Şu anda çoğu fizikçi, Evrendeki CP simetrisinin ihlali sonucunda, evrimin ilk anlarında, antipartiküllerden biraz daha fazla partikülün oluştuğu konusunda hemfikirdir - yaklaşık 10 9 partikül-antipartikül çifti başına bir partikül. Sonuç olarak, imhadan sonra az sayıda parçacık kaldı.
"Yakın" Evren'deki maddenin hakimiyetini açıklamanın bir başka olasılığı, antimaddenin Evren'in uzak, yeterince araştırılmamış bölgelerinde yoğunlaştığını varsaymaktır. 1979'da Floyd Stecker, madde ve antimaddenin asimetrisinin, Büyük Patlama'dan sonraki ilk anlarda, madde ve antimaddenin farklı yönlere uçtuğu zaman kendiliğinden ortaya çıkabileceğini öne sürdü.
Elektromanyetik radyasyon hem madde hem de antimadde ile aynı şekilde etkileşime girdiğinden, madde ve antimaddeden oluşan gezegenler, yıldızlar ve galaksiler elektromanyetik radyasyonda aynı görünür. Bu nedenle Evrende antimaddeyi aramak için başka yöntemlere ihtiyaç vardır. Böyle bir yöntem, uzaydaki antinükleerlerin gözlemlenmesidir. Bunlar kütle numarası A > 4 olan anti-çekirdekler olmalıdır. Eğer Dünya'nın yakınında antihelyum çekirdekleri tespit edebilseydik, Evren'de artan antimadde içeriğine sahip bölgelerin varlığı lehine oldukça güçlü kanıtlar elde ederdik.
Antimaddeyi aramak için neden antihelyum çekirdekleri veya daha ağır çekirdekler aramalıyız? Gerçek şu ki, ultrarelativistik protonların veya diğer kozmik ışın çekirdeklerinin etkileşimi sırasında antiprotonlar oluşabiliyor. Bu tür antiprotonların (genellikle ikincil olarak adlandırılan) enerji spektrumu, 2 GeV civarında geniş bir maksimum sergilemelidir. İlkel olarak adlandırılan diğer antiproton kaynakları, karanlık maddenin nötrinolardan oluştuğu varsayılan varsayımsal süpersimetrik parçacıkların yok edilmesi ve/veya "birincil" kara deliklerin buharlaşması olabilir. Nötralinoların ikili olarak yok edilmesi, kuark-antikuark jetlerinin doğuşuna, ardından bunların hadronizasyonuna ve antiprotonların oluşumuna yol açabilir. İlkel kara delikler evrenin erken dönemlerinde oluşmuş olabilir. Kütlesi 10 · 14-15 olan bu tür kara delikler, parçacıkları oldukça yoğun bir şekilde buharlaştırabilir (Hawking radyasyonu). Bu tür birincil antiprotonların kaydedilen enerji spektrumuna katkısı düşük enerji bölgesinde tespit edilmeye çalışılabilir.< 1 ГэВ.
İkincil antiprotonların akışı, benimsenen Galaksi modeline bağlı olarak tahmin edilebilir. ~10 GeV enerjide maksimuma ulaşır. Birkaç yüz GeV'ye kadar enerjileri olan bölgede, spektrumun doğasına bağlı olarak, süpersimetrik parçacıkların ve/veya WIMP'lerin hem baryogenez hem de/veya yok edilmesi hakkında bilgi elde etme umudu vardır.
Kozmik ışınların etkisi altında antidöteronların oluşumu çok daha az olasıdır. İkincil antidöteronların spektrumu, ikincil antiprotonların spektrumuna kıyasla daha yüksek enerjilere kaymalı ve enerji azaldıkça hızla azalmalıdır. Karanlık madde parçacıklarının yok edilmesi ve/veya ilkel kara deliklerin buharlaşması sırasında oluşan ilkel antidöteronlar için spektrum maksimumunun enerji seviyesinde olması beklenir.< 1 ГэВ.
Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо
разделены.
Kozmik ışınların etkisi altında antihelyum çekirdeklerinin oluşma olasılığı yok denecek kadar azdır. Nitekim bunun gerçekleşebilmesi için iki antiproton ve iki antinötronun aynı yerde ve hemen hemen aynı anda oluşması ve bunların bağıl hızlarının küçük olması gerekir. 1997 yılında Pascal Chardonnet böyle bir olayın olasılığını değerlendirdi. Tahminlerine göre, 10 15 ultrarelativistik kozmik ışın protonu başına bir antihelyum çekirdeği oluşabiliyor. Böyle bir olayın ortalama bekleme süresi 15 milyar yıldır ki bu da Evren'in yaşıyla eşdeğerdir.
Eğer Evrende evrimin erken bir aşamasında gerçekten de madde veya antimaddenin baskın olduğu uzay bölgeleri oluşmuşsa, o zaman bunların ayrılması gerekir çünkü Bu bölgelerin sınırında maddeyi ve antimaddeyi ayıran hafif basınç oluşur. Madde ve antimaddenin bulunduğu bölgeler arasındaki sınırda yok oluş meydana gelmeli ve buna göre yok oluş gama kuantası yayılmalıdır. Ancak modern gama ışını teleskopları bu tür radyasyonu tespit edemiyor. Teleskopların hassasiyetine göre tahminler yapıldı. Onlara göre antimadde bölgeleri 65 milyon ışık yılından daha yakın olamaz. Dolayısıyla sadece bizim galaksimizde değil, Samanyolu'nun yanı sıra diğer 50 galaksiyi içeren galaksi kümemizde de bu tür alanlar yoktur.
Bu mesafelerde oluşan antihelyum çekirdeklerinin tespiti zor bir problemdir. Bir antihelyum çekirdeğinin bu kadar uzak mesafeden bir dedektöre uçup kayıt edilmesi o kadar da kolay değil. Özellikle galaktik ve galaksiler arası manyetik alanlara karışabilir ve bu nedenle oluştuğu yerden asla uzağa uçamaz. Ayrıca antihelyum sürekli olarak yok olma tehlikesiyle karşı karşıya kalacaktır. Ve son olarak dedektör bu kadar devasa bir mesafeden kolaylıkla vurulabilecek kadar büyük bir hedef değil. Bu nedenle antihelyum çekirdeklerinin tespit verimliliği son derece düşüktür.
Antihelyumun "yolculuğu" koşulları altında, çekirdekleri tespit etme olasılığını tahmin etmemize izin vermeyen çok fazla belirsizlik vardır. Dedektör biraz daha hassas olsaydı keşfin gerçekleşmesi ihtimali her zaman vardır.
Düşük enerjili bir antinükleusun “yolculuk” süresinin Evrenin ömründen daha az olabileceği açıktır. Bu nedenle yüksek enerjili antinükleilerin avlanması gerekir. Ek olarak, bu tür çekirdeklerin galaktik kozmik rüzgarın üstesinden gelme şansı daha yüksektir.
Pozitronlar ve antiprotonlar da antimaddenin varsayımsal bölgelerinden yayılabilir ve Dünya yakınında ölçülen spektrumlara katkıda bulunabilirler. Antiprotonlarla karşılaştırıldığında pozitronların tespit edilmesi daha zordur. Bunun nedeni, arka planın kaynağı olan protonların akışlarının, pozitronların akışlarından 10 3 daha fazla olmasıdır. Antimadde bölgelerinden gelen pozitronlardan gelen sinyaller, diğer süreçlerden kaynaklanan pozitronlardan gelen sinyaller tarafından "yutulabilir". Bu arada kozmik ışınlardaki pozitronların kökeni de tam olarak bilinmiyor. Kozmik ışınlarda ilkel pozitronlar var mı? Antiproton ve pozitron fazlalığı arasında bir bağlantı var mı? Durumu açıklığa kavuşturmak için geniş bir enerji aralığında pozitron spektrumlarını ölçmek gerekir.
Bir balon kullanarak üst atmosfere doğru kozmik ışınları incelemek için bir cihazın ilk fırlatılması 1907'de Victor Hess tarafından gerçekleştirildi. 1950'lerin başına kadar kozmik ışınların incelenmesi parçacık fiziğindeki en önemli keşiflerin kaynağıydı. 1979'dan bu yana, bu tür deneylerde antiprotonlar gözlemlenmiştir (Bogomolov, E.A. ve diğerleri 1979, Proc. 16th Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), cilt 1, s. 330; Golden, R.L. ve diğerleri 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Antimadde ve karanlık madde araştırmalarında yeni olasılıkların önünü açtılar. Modern kozmik ışın araştırmaları, hızlandırıcı deneyleri için geliştirilen teknikleri kullanıyor.
Yakın zamana kadar kozmik ışınlardaki antipartiküllere ilişkin hemen hemen tüm bilgiler, balonlardaki yüksek atmosfere fırlatılan dedektörler kullanılarak elde ediliyordu. Aynı zamanda, kozmik ışınların yıldızlararası ortamla (ikincil antiprotonlar) etkileşimi sonucu ortaya çıkma olasılıklarına ilişkin tahminlerden beklenenden daha fazla antiproton olduğuna dair bir şüphe ortaya çıktı. Antiprotonların "fazlalığını" açıklamak için önerilen mekanizmalar, antiprotonların enerji spektrumları için farklı tahminler verdi. Ancak balonun kısa uçuş süresi ve dünya atmosferinden kalan kalıntıların varlığı, bu tür deneylerin olanaklarını sınırladı. Verilerde büyük bir belirsizlik vardı ve ayrıca enerji 20 GeV'nin üzerine çıkmamıştı.
Antipartikülleri kaydetmek için, 3 tona kadar ağır dedektörleri ~40 km yüksekliğe kaldırabilen büyük balonlar (3 milyon metreküp'e kadar) kullanılır. Kural olarak, Montgolfier'ler gibi altları açıktır ve kaybolurlar. Dış sıcaklık düştüğünde helyum. Çoğu durumda uçuş süresi 24 saati geçmez. Ayrıca atmosfer sıcaklığı sıfırdan 20-25 km'ye hızla düştükten sonra artmaya başlayarak ~40 km yükseklikte maksimuma ulaşıyor ve ardından tekrar düşmeye başlıyor. Dış hava sıcaklığı düştüğünde balonun hacmi de azalacağından maksimum kaldırma yüksekliği ~40 km'den fazla olamaz. Bu yükseklikte, atmosfer hala oldukça yoğundur ve birincil kozmik ışınların artık atmosferle etkileşimi sırasında oluşan onlarca GeV enerjili antiproton akışı, galaktik ortamda üretilen antiproton akışını aşıyor. Tespit edilen parçacıkların daha yüksek enerjileri için hatalar, güvenilir sonuçlar elde edilemeyecek kadar büyük hale gelir.
Son dönemde daha uzun uçuşlar (20 güne kadar) yapılmaya başlandı. Açık balonlar da kullanıyorlar ancak balonların kutup günü boyunca kutuplara yakın çok yüksek enlemlerde fırlatılması nedeniyle helyum kayıpları önemli ölçüde azaldı. Ancak 40 km yüksekliğe uçarken taşıdıkları yükün kütlesi 1 tonu geçmiyor. Bu, yüksek enerjilerdeki antimadde akılarını ölçmek için çok küçük. Ultra uzun balon uçuşlarının (yaklaşık 100 gün) gerçekleştirilmesi için kapalı balonların kullanılması planlanmaktadır. Daha kalın ve ağırdırlar, helyum kaybetmezler ve iç ve dış arasındaki basınç farklılıklarına dayanabilirler. 1 tondan daha hafif olan nispeten hafif aletleri kaldırabilirler.
Pirinç. 20.1. Balonun fiziksel ekipmanla fırlatılması.
Pirinç. 20.2. BESS-Polar II kozmik radyasyon dedektörü. Güneş panelli (2) spektrometre (1).
Deney kapsamında balonlarda spektrometreler kullanılarak antihelyum aranması gerçekleştirildi. EN İYİ (B alloon kaynaklı e deney ile S aşırı iletken S spektrometre) (Şekil 20.2). 1993'ten 2000'e kadar BESS spektrometreleri kuzey Kanada'daki üst atmosfere defalarca fırlatıldı. Uçuş süresi yaklaşık bir gündü. Spektrometre sürekli geliştirildi ve hassasiyeti artırıldı. Bu uçuş serisinde helyum/antihelyum oranı için elde edilen toplam hassasiyet, 1-14 GV sertlik aralığında ~6,8×10 −7'dir. BESS-TeV deneyinde (2001) spektrometrenin sertlik aralığı 500 GV'ye çıkarılmış ve 1,4×10−4 hassasiyete ulaşılmıştır. 2004-2008 istatistiklerini artırmak. Antarktika'da gelişmiş spektrometrelerin (0,6-20 GV) çok günlük uçuşları gerçekleştirildi. 2004-2005 yıllarında 8,5 gün süren BESS-Polar I uçuşunda 8×10−6 hassasiyete ulaşıldı. 2007-2008'de BESS-Polar II uçuşu sırasında (ölçüm süresi 24,5 gün) 9,8×10−8 hassasiyete ulaşıldı. Tüm BESS uçuşları dikkate alındığında toplam hassasiyet 6,7×10−8 değerine ulaştı. Tek bir antihelyum çekirdeği bulunamadı.
BESS-Polar II uçuşunda kullanılan manyetik spektrometre, ultra ince duvarlara sahip süper iletken bir solenoidal mıknatıs, merkezi bir izleyici (JET/IDC), uçuş süresi (TOF) hodoskopu ve bir Cherenkov dedektöründen oluşur ( Şekil 20.3).
Pirinç. 20.3. BESS-Polar II deneyinin spektrometresinin kesit görünümü.
Uçuş süresi hodoskopu, hızın (β) ve enerji kaybının (dE/dx) ölçülmesine olanak sağlar. 10 ve 12 adet sintilasyon şeridinden (100×950×10 mm) oluşan üst ve alt plastik sintilasyon sayacından oluşur. Uçuş süresi sisteminin zaman çözünürlüğü ~70 ps'dir. Ayrıca solenoidin içinde yer alan ve 64 adet plastik sintilatör çubuğundan oluşan üçüncü bir sintilasyon sayacı (Orta-TOF) bulunmaktadır. Solenoidin alt kısmından uçamayan parçacıklar nedeniyle kayıt enerji eşiğini düşürmenize olanak tanır.
Sürüklenme odaları düzgün bir manyetik alanda bulunur. Her biri 200 μm doğrulukta olan 28 nokta kullanılarak, spektrometreye uçan bir parçacığın yörüngesinin eğriliği hesaplanır; bu, onun manyetik sertliğini R = pc/Ze ve yükün işaretini belirlemeyi mümkün kılar.
Bir havahelyum Çerenkov sayacı, antiprotonlardan ve antidöteronlardan gelen sinyalleri arka plandaki e - /μ -'den ayırmanıza olanak tanır.
Pirinç. 20.4. BESS kurulumundaki parçacıkların tanımlanması.
Parçacıklar, R sertliği, parçacık hızı β ve uçuş süresi sayaçları ve sürüklenme odaları kullanılarak ölçülen enerji kaybı dE/dx ile ilişkili olan kütle (Şekil 20.4) ile tanımlanır.
Bu amaçla, karşılık gelen bölgeler iki boyutlu dE/dx – |R| dağılımlarında tanımlanır. ve β -1 – R.
Dünyanın antiproton radyasyon kuşağı
PAMELA işbirliği, Güney Atlantik Anomalisi bölgesinde Dünya çevresinde bir radyasyon kuşağı keşfetti. Antiprotonların ve protonların spektrumları doğrudan radyasyon kuşağının içinde ve radyasyon kuşağının dışında ölçülmüştür (Şekil 20.5, 20.6).
Silindirlere ve uydulara yerleştirilen dedektör düzenekleri tarafından kaydedilen antiprotonların ikincil kökenli olduğu gösterilmiştir. Galaktik kozmik ışınların yıldızlararası madde veya atmosfer ile pp → ppp reaksiyonunda etkileşimi sonucu oluşurlar. Bununla birlikte, reaksiyonda ortaya çıkan albedo antinötronların (akışı Dünya'dan yönlendirilen antinötronlar) bozunmasından önemli ölçüde daha büyük bir katkı gelir.
s → ppn .
Bu antinötronlar jeomanyetik alandan geçerek antiprotonları oluşturmak üzere bozunurlar → + e + + ν e. Ortaya çıkan antiprotonlardan bazıları manyetosfer tarafından yakalanarak bir antiproton radyasyon kuşağı oluşturulabilir. Proton radyasyon kuşağının ana kaynağının albedo nötronların bozunması olması gibi, antinötronların bozunması da bir antiproton kuşağının oluşumuna yol açar.
Deneysel verilerden, radyasyon kuşağındaki antiprotonların yoğunluğunun, radyasyon kuşağı dışındaki antiprotonların yoğunluğundan 3-4 kat daha fazla olduğu sonucu çıkıyor. Doğrudan galaktik kozmik ışınların etkileşimi sonucu oluşan antiproton spektrumunun şekli, pratik olarak antiproton radyasyon kuşağı dışındaki antiproton spektrumunun şekliyle örtüşmektedir.
Evrendeki antimaddeyi tespit etme sorunu çözülmekten çok uzak. Fermi ve diğerleri tarafından uzay teleskoplarının programlarında aktif bir antimadde araştırması sağlanmaktadır.
