Антиматерия: что это, как получают, для чего нужна

Что такое антиматерия

Антиматерия (или антиматерия) — это материя, состоящая из античастиц. Как и любое другое вещество, антивещество состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов (ядро атома) и электронов (внешняя оболочка атома). За единственным уточнением, что это антипротоны, антинейтроны и антиэлектроны. Последние, кстати, называются позитронами.

Все вышеперечисленные античастицы обладают теми же свойствами, что и обычные частицы, но имеют противоположный электрический заряд. То есть антипротоны заряжены отрицательно, в отличие от своих «обычных» близнецов, а позитроны заряжены положительно, что отличает их от отрицательно заряженных электронов.

Получается, что нейтрон является собственной античастицей, раз у него нет заряда? Нет, есть еще антинейтроны. Дело в том, что нейтроны состоят из кварков (как и протоны), а у кварков тоже есть свои античастицы — антикварки, из которых состоит антинейтрон. Кроме того, когда нейтрон и антинейтрон встречаются, они аннигилируют (трансформируются), как и положено паре частиц и античастиц.

Где найти антиматерию

Античастицы образуются в ядрах активных галактик, а также на ускорителях — вместе с частицами. Но сразу после этого частицы и античастицы при встрече аннигилируют. Насколько нам известно, антиматерия, а точнее античастицы, возникает на Земле при трех обстоятельствах. Во-первых, они образуются в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей, обладающих (в масштабах элементарных частиц) большой энергией, а при их встрече с земными частицами происходят процессы, аналогичные тем, что происходят в ускорителях заряженных частиц.

Во-вторых, античастицы образуются при разряде молнии. Грозовой разряд также является своеобразным природным реактором. Гамма-кванты, образующиеся при разряде молнии, достаточно мощные, чтобы выбить один нейтрон из атмосферного азота. Так образуется нестабильный изотоп азота 13N.

Период полураспада чуть меньше 10 минут, то есть наиболее активный период испускания позитронов при распаде азота-13 до углерода-13 приходится на достаточно короткий период. Именно такой период низкоэнергетического гамма-излучения, достаточно короткий по человеческим меркам, но слишком долгий по меркам элементарных частиц, наблюдали ученые из Японии. Они зафиксировали три всплеска гамма-излучения от грозового разряда, причем последний, длившийся около минуты, показался им подозрительным — это был сигнал аннигиляции электрон-позитронных пар.

Наконец, античастицы производятся на ускорителях, чаще всего как побочный продукт других экспериментов. Сейчас в научном мире наблюдение античастиц на коллайдерах уже не вызывает ажиотажа. Загадки связаны не с тем, что античастицы существуют, а с тем, почему их так мало во Вселенной, учитывая, что в ускорителях они образуются в равных пропорциях с частицами?

 

Свойства

Согласно современным представлениям, силы, определяющие строение материи, совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антиматерии должна быть идентична структуре обычной материи, видимой через зеркало.

г) Мы знаем, что ты есть, но зачем ты нужен?

При взаимодействии вещества и антивещества они аннигилируют, и образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц (около 50% энергии при аннигиляции нуклон-антинуклонной пары выделяется в виде нейтрино, которые практически не взаимодействует с веществом). При взаимодействии 1 кг антивещества с 1 кг вещества выделится примерно 1,8·1017 джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделившейся при взрыве 42,96 мегатонн тротила.

Это означает, что антивещество является отличным источником энергии. Писатели-фантасты часто говорят об аннигиляции антиматерии как об одном из самых мощных и почти бесконечных источников энергии. К сожалению, при современном развитии технологий об использовании антивещества в качестве источника энергии все еще можно забыть. При сегодняшнем уровне производства антивещества — даже если бы мы могли найти способ его хранения — потребовались бы миллиарды лет, чтобы наполнить воздушный шар водородом.

Однако надежда еще есть. Вселенная симметрична, а это значит, что где-то антиматерии должно быть столько же, сколько здесь материи. Это просто там? «Где-то в далеких галактиках кто-то может обнаружить залежи антиматерии, но астрономы изучают пространство вокруг Солнечной системы на протяжении миллионов световых лет и ничего не нашли», — добавил ЦЕРН. «Либо антиматерия находится где-то, чего мы еще не искали, либо она была почти полностью заменена материей в результате Большого взрыва.»

Заключение

Самое сложное было найти слово — точное и короткое. И вся информация должна быть разбита на слайды.

Было легко определить порядок слайдов и включить гипертекст в слайды. Вернее, гипертексты в Prezi можно полностью исключить.

В заключение хотелось бы рассказать одну притчу. Оказывается, в Древней Греции ученый и студент гуляли по красивому саду и разговаривали. И студенты многое поняли из этих разговоров. Вот в одной из таких бесед ученик спросил учителя, что такое знание, — ответил учитель. Представь, весь этот самолет — это то, чего ты не знаешь. Вот круг — это то, что вы знаете. Чем больше вы знаете, тем больше вы касаетесь невежества. И тебе кажется, что ты ничего не знаешь.

Выполняя эту работу, я также затронул тот факт, что, оказывается, я не силен во многих вещах. Оказывается, на черных дырах рождаются античастицы. Как это происходит, я пока не знаю, но обязательно узнаю.

Я многому научился в работе над этим проектом. Наконец-то я понял, что такое антиматерия, и дошел до того, что стало возможным понимать и систематизировать информацию.

Я считаю, что я достиг своей цели. Но осталось много информации, которую я не включил в презентацию.

Эта работа помогла мне освоить новую программу. Передо мной открылись новые презентационные возможности. Я научился говорить о чем-то интересном и захватывающем. Эти навыки помогут мне в будущем реализовать свои идеи, найти единомышленников.

Почему антивещества так мало?

Некоторые предположения опровергают тайну начала, говоря, что после Большого взрыва материи было больше, чем антиматерии.

Теория утверждает, что было создано лишь небольшое количество антиматерии, а после первоначальной аннигиляции осталось огромное количество материи для образования звезд и галактик.

Согласно теории, расхождение составляло примерно один к одному миллиарду.

Другим вариантом было нейтрино, частица, которой еще предстояло сравниться с античастицей.

Нейтрино имеют нейтральный заряд и почти не взаимодействуют с другими частицами.

Теоретически нейтрино могли бы быть их античастицами.

Несколько нейтрино могут время от времени переходить в свои низкоэнергетические состояния античастиц, но остальные в основном остаются в своих высокоэнергетических состояниях.

На универсальном уровне это может объяснить преобладание высокоэнергетических состояний.

Но пока попытки безрезультатны.

Пока что в физике нет ничего, что наделяло бы материю свойствами, которые могли бы объяснить ее господство.

А так как пары частиц одинаковы во всех измерениях, то возникает вопрос, почему они должны существовать по отдельности, а не по одной или вообще ничего.

И почему заряд при контакте превращался в энергетический суп?

Мы можем получить больше подсказок из радиоактивных экспериментов, производящих различное количество частиц и античастиц.

Но отклонение в этих экспериментах нельзя сравнивать с отклонением на вселенском уровне.

Большой адронный коллайдер изобилует активностью античастиц, и ученые каждый день узнают все больше о свойствах зеркал.

Например, исследовательская группа на Большом адронном коллайдере показала довольно значительную разницу в количестве заряда позитронно-антиводородных частиц по сравнению с их электронным аналогом.

Другие исследователи изучают влияние таких сил, как гравитация и электромагнетизм, на противоположные частицы.

Ожидается, что эти эксперименты также приведут нас к новаторским открытиям в таких областях, как квантовая механика и теория относительности.

Антиматерия и материя

Предположительно, на ранних стадиях существования Вселенной симметрия между частицами и античастицами была нарушена. Преобладание частиц оценивается в 1 частицу на 1 миллиард пар частица-античастица. Почти все античастицы аннигилировали при столкновении с частицами, поэтому мы наблюдаем такое незначительное их количество.

Возможно, нарушение симметрии в ранней Вселенной каким-то образом связано с различием свойств таких короткоживущих частиц, как К-мезоны, и различием свойств вещества и антивещества из-за существования трех поколений кварков. Возможно, это как-то связано с очарованными мезонами — это короткоживущие частицы, способные переключаться между двумя состояниями: частицы и античастицы. В июне 2021 года это выяснили исследователи из Оксфорда.

В любом случае весь видимый мир в теории состоит из частиц. По крайней мере, доступный нам мир — это материя. При этом из всего огромного количества частиц весь мир состоит всего из трех: два — это нуклоны: протон и нейтрон (они называются нуклонами, потому что составляют ядро ​​атома) и электроны во внешней оболочке атома атом.

Это явление, склонность к частицам, называется барионной асимметрией Вселенной. Барионы — это тяжелые частицы, к которым также относятся протоны и нейтроны. Кроме того, к барионам относятся и другие тяжелые частицы, состоящие из кварков. И у каждого бариона есть антибарион, состоящий из соответствующих антикварков. Но все эти частицы имеют чрезвычайно короткое время жизни, поэтому их следует оставить в стороне.

Барионная асимметрия — это исключительно вопрос космологии и физики элементарных частиц. Если бы было равное количество барионов и антибарионов, и не было бы разницы в свойствах между материей и антиматерией, то, как показал в 1967 году академик Андрей Сахаров, вся Вселенная превратилась бы в излучение — очевидно, этого не произошло. Но, может быть, в ранней Вселенной материя и антиматерия не были «перемешаны» равномерно и просто разбросаны в разные стороны — в нашем углу преобладает материя, но где-то есть области, где антизвезды образуют антигалактики?

Теоретически это возможно, но крайне маловероятно, потому что плотность ранней Вселенной была слишком высока, чтобы большие сгустки могли просто разлетаться в разные стороны, не вступая в контакт.

И все же антизвезды ищут. Для их обнаружения необходимо регистрировать ядра антигелия, так как только антигелий может гарантировать, что он не образовался под действием космических лучей — антипротонов и антидейтронов (ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия, состоит из антипротона и антинейтрон) не может этого гарантировать. Но антиспиральное ядро ​​не может «собраться» случайно, поэтому если оно зафиксировано, значит, оно прилетело к нам как продукт термоядерных реакций антизвезды.

Пост-наука

В 2021 году была опубликована статья, в которой авторы создали каталог из 14 кандидатов в антизвезды, проанализировав данные космического телескопа Ферми. Телескоп точно зафиксировал ядра антигелия.

Дмитрий Казаков, доктор физико-математических наук, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна:

«Проблема антисимметрии Вселенной по отношению к материи и антиматерии действительно серьезна и давно обсуждается в физике высоких энергий, но четкого понимания пока нет. Это связано со свойствами взаимодействия между элементарными частицами и , возможно, с новыми частицами.

При изучении спектра космических лучей обнаруживаются позитроны и антипротоны, их значительно меньше на общем фоне и они могут быть обнаружены по аннигиляционному сигналу. Так, например, пытаются обнаружить сигнал от темной материи. Но античастицы особо не изучались, особого интереса к этому нет. Мы знаем, что у всех частиц есть античастицы и они обладают одинаковыми свойствами. Здесь нет никакой загадки, кроме того, как Вселенная была склонна к частицам».

Футурология Загадочные частицы: что ученые знают о космических лучах

Бездна энергии

Физик Павел Пахлов делает следующие сравнения, чтобы оценить мощность антиматерии:

При сжигании 1 грамма угля мы получаем энергию примерно в одну миллионную часть массы

Из 1 грамма урана, запустив цепную реакцию, можно извлечь энергию, достигающую значения 0,001 (т.е одной тысячной) в идеальных условиях

1 грамм антиводорода при аннигиляции даст 2 (!) грамма энергии.

Есть одно очень большое «НО»: да, в 1 грамме антиматерии энергии больше, чем в 1000 тонн угля. Но на Земле нет месторождений антивещества: чтобы получить 1 грамм антиводорода, нужно сжечь более 1000 тонн угля.

Евгений Куликов

Доцент кафедры молекулярной и биологической физики Московского физико-технического института

Раковые клетки более прожорливы и активны, чем здоровые, «едящие» глюкозу. Поэтому к ней примешивается радиоактивный фтор, который испускает античастицу позитрон после того, как опухолевые клетки «проглотят» сладкую приманку.

Материя и антиматерия немного разные

Еще до открытия Андерсона, пытаясь найти ответ на вопрос, почему позитроны не наблюдаются в окружающем нас мире, Дирак понял, что позитроны не могут жить с нами: возникнув где-то рядом, они тут же аннигилируют с окружающими электронами. Он рационально рассудил, что поскольку наша Солнечная система построена из электронов и частиц вообще, то и античастицам здесь нет места, их нужно искать в других галактиках, не соприкасающихся с нашей.

Антигалактики искали и продолжают искать, но пока не нашли. Более того, сегодня мало кто верит, что они могут существовать на самом деле. В чем причина такой асимметрии во Вселенной, где есть материя и почти нет антиматерии?

В 1960-х годах было сделано совершенно неожиданное открытие: антиматерия немного отличается от материи. Кажется, как это? Ведь мы только что вывели антивещество из симметрии между положительным и отрицательным, а симметрии, оказывается, нет? Ну, не совсем.. симметрия нарушается только в слабых взаимодействиях, но есть также электромагнитные и ядерные взаимодействия, которые соблюдают эту симметрию. Не будем обвинять в этом неуважении к симметрии слабое взаимодействие, ведь только благодаря ему мы, в отличие от менее удачливых антилюдей, существуем! К такому выводу пришел Андрей Дмитриевич Сахаров в 1967 году.

На самом деле, если бы материя и антиматерия были полностью идентичны, вскоре после Большого взрыва, в результате которого образовалось одинаковое количество частиц и античастиц, они были бы полностью аннигилированы. Выжили бы только фотоны, из которых построить мир (и нас) было бы довольно проблематично. На самом деле из-за разницы в свойствах материи и антиматерии выжила малая часть частиц материи (одна из миллиардов аннигилировала!), и этого остатка, пережившего грандиозную битву, хватило, чтобы сделать нас с вами.

История открытия античастицы

Вы можете лучше понять, что такое антивещество, взглянув на историю его открытия. Интересно, что существование антивещества было предсказано еще до того, как оно было обнаружено.

В 1920-х годах новая теория под названием квантовая механика отлично зарекомендовала себя для описания мельчайших частиц материи — атомов и элементарных частиц. Но было не так просто согласовать квантовую механику с другой крупной теорией 20-го века, теорией относительности.

Молодой британский физик Поль Дирак бросился решать эту задачу и сумел вывести уравнение, позволяющее объединить квантовую механику со специальной теорией относительности.

С помощью этого уравнения стало возможным описать движение электрона, хотя его скорость приближалась к скорости света.

Но уравнение подготовило сюрприз. У него было два решения, как и у уравнения х²=4: х=2 и х=-2». То есть оно может описывать не только всем известный электрон, но и другую частицу — электрон с отрицательной энергией.

Как только Томпсон открыл электрон, в журнале Nature в 1898 году появилась статья английского физика Артура Шустера, предполагавшая существование частицы, идентичной электрону, но с положительным зарядом. Аргумент был очень прост — в природе положительные и отрицательные электрические заряды присутствуют в одинаковом количестве.

В 1925 году тот же британец Поль Дирак проанализировал свои уравнения, в которых попытался объединить теорию относительности с квантовой теорией. Анализ полученного им уравнения показал, что оно справедливо не только для ставшего известным электрона, но и для частицы той же массы с положительным зарядом. Сначала Поль Дирак не решался сообщить о своих теоретических выводах, но потом заявил «Городу и миру», что у каждой частицы во Вселенной есть зеркальная античастица. Открытие было удостоено Нобелевской премии в 1933 году.

Трек позитрона в камере Вильсона, записанный во время эксперимента, проведенного Карлом Андерсоном в 1932 году. Направление движения частицы снизу вверх, направление вращения трека указывает на то, что заряд положительный:

В 1932 году ученик Милликена Карл Андерсон из США решил попытаться зафиксировать след положительного электрона с помощью пузырьковой камеры Вильсона при изучении космических лучей.

Там было много треков электронов, и они имели обычные данные. Но несколько треков, не отличавшихся другими свойствами, отклонялись в магнитном поле в сторону, противоположную электронам. Это были характерные отпечатки положительных электронов, или, как их называли, позитронов.

Сначала считалось, что электроны и позитроны равны во всем, кроме электрического заряда. Однако дальнейшие исследования элементарных частиц показали, что они обладают таким интересным свойством, как спин. Это свойство связано с магнитными свойствами частицы.

По мере того, как стали открываться все новые и новые частицы, ученые быстро открыли соответствующие им античастицы. С заряженными частицами все просто — их античастицы имеют одинаковую массу, но противоположный электрический заряд.

Трудности возникли с частицами, не имеющими электрического заряда. Например, возьмем нейтрон — он электрически нейтрален, но ему соответствует антинейтрон, который также электрически нейтрален, но имеет противоположный спин. И все же есть частицы, для которых они сами являются античастицами — это фотон (квант света) и бозон Хиггса.

Хотя атомы, состоящие из античастиц в свободном состоянии, на Земле не наблюдались, существует немало материалов, излучающих их. Так обычный банан содержит изотоп калия с атомной массой 40. Этот изотоп радиоактивен и подвержен бета-распаду, при котором высвобождаются позитроны.

Так банан испускает позитрон в среднем каждые 75 минут, а человек, съевший банан, тоже начинает насыщать окружающее пространство положительными электронами.

Так что даже банан может испускать античастицы, но существует ли настоящая антиматерия? Стоит помнить, что простейшая единица материи — атом, состоит из ядра (протонов и нейтронов) и электронов, движущихся по орбитам. Следовательно, антивещество должно иметь ядро ​​из антипротонов и антинейтронов, а позитроны должны вращаться по орбитам.

В свободном состоянии такая антиматерия еще не обнаружена, но создана искусственно. Антидейтерий был создан в 1965 г., а антитритий в 1970 г. В 1974 г на ускорителе г. Серпухова создан искусственный антигелий.

Поскольку вся их масса преобразуется в энергию при взаимодействии пары частица-античастица, антивещество представляется наиболее подходящим топливом для ракетных двигателей. Для полетов в Солнечной системе не нужна большая масса антивещества, и время полета сильно сокращается.

Читайте также: Подводные лодки третьего Рейха

Сколько стоит антиматерия

По оценкам 2006 года, получение одного миллиграмма позитронов будет стоить 25 миллионов долларов, а стоимость одного грамма антиводорода — 62,5 триллиона долларов. Неудивительно, что антивещество считается самым дорогим веществом в мире. Но до синтеза в таких количествах очень далеко.

Антиматерия и темная материя

Важно не путать антивещество с темной материей. Несмотря на одинаковую завесу тайны, окружающую оба явления, и в известном смысле сходный эпитет, добавленный к слову «материя» в названии каждого из них, это совершенно разные явления.

Темная материя получила свое название из-за того, что не вступает в электромагнитные взаимодействия, то есть не излучает свет. Но не закрывает его, как в случае с газопылевыми туманностями. Темная материя регистрируется как присутствующая масса, которая оказывает гравитационное воздействие и влияет на движение звезд в нашей и других галактиках. То есть звезды не вращаются вокруг центра галактики, как должны, исходя из их видимой массы. Другими словами, либо законы Ньютона не верны для макрообъектов, либо существует скрытая масса, которую ученые пока не в состоянии обнаружить.

Темной материи теоретически отводится около 82-85% всей материи во Вселенной (энергия не является веществом, поэтому мы исключаем еще одно загадочное явление — темную энергию). Остальные 15-18% — это доля известной нам обычной материи, т.е материи. Доля антиматерии в этом целом ничтожна — она исчисляется как 10-10 (то есть одна десятимиллиардная) по отношению к материи.

Преобладание материи над антиматерией, или асимметрия — одна из главных загадок современной физики

Как получается, что материя иногда побеждает антиматерию? Ученые предполагают, что во время Большого взрыва материи и антиматерии было равное количество. Вся антиматерия и материя должны были либо самоуничтожиться, либо существовать отдельно в равных количествах. Однако открытие в 60-х годах немного помогло разобраться в этой тайне. Оказалось, что антиматерия все-таки немного отличается от материи: именно благодаря этой разнице не самоуничтожается после Большого взрыва одинаковое количество частиц и античастиц. Как пишет физик Павел Пахлов, «выжила» малая доля частиц вещества»:

На самом деле из-за разницы в свойствах материи и антиматерии выжила малая часть частиц материи (одна из миллиардов аннигилировала!), и этого остатка, пережившего грандиозную битву, хватило, чтобы сделать нас с вами.

Откуда появилась и куда пропала антиматерия?

Антивещество тесно связано с темой происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва около 14 миллиардов лет назад. Эта теория утверждает, что вся наша Вселенная возникла в результате взрыва и расширения определенной точки пространства. После взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии. Тут же начался процесс их взаимного уничтожения. Но почему-то именно немного больше материи позволило Вселенной сформироваться в привычном нам виде.

Сейчас во Вселенной гораздо меньше антиматерии, чем материи. Куда это идет? Если он улетел в другую область космоса, то почему такое количество антиматерии ничем не обнаруживается? Масса античастиц такая же, как у частиц. Если антиматерия исчезла после аннигиляции с материей, то почему существует так много «лишней» материи, из которой состоит мир?

Может быть, «неравенство» возникло раньше, чем думают? Или античастицы все-таки не идентичны «своим» частицам по свойствам и более склонны к распаду? Антиматерия может помочь решить эти загадки — не только предсказанные формулами, но и вполне осязаемые детекторами.

Изучение антиматерии

В очень свободной и интуитивно понятной форме антивещество было предсказано Артуром Шустером, который ввел этот термин в 1898 году. После открытия электрона Джозефом Томсоном годом ранее Шустер полагал, что электрон должен иметь парную частицу. В своих письмах в журнал Nature он пытался убедить научную общественность в своей правоте. Но доказательств у него не было, только интуиция и во многом ущербная логика, поэтому идеи Шустера никто не воспринимал всерьез, а самого его считали чудаком.

Открытие антиматерии

Точнее, существование антивещества предсказал английский физик-теоретик швейцарского происхождения Поль Дирак — в 1928 году он вывел уравнение для описания электрона, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году (совместно с Эрвином Шредингером с официальным формулировка «За открытие новых продуктивных форм ядерной энергии»). Уравнение Дирака также можно решить для частицы с отрицательным значением энергии и, следовательно, отрицательной массой. С математической точки зрения это возможно, но создаст много проблем с соблюдением физических законов.

Это означает, что это должна быть частица с массой электрона, но противоположным электрическим зарядом. Эта частица была открыта в 1932 году Карлом Дэвидом Андерсоном, американским физиком-экспериментатором, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году.

Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии

Чтобы изучать антиматерию, вы должны предотвратить ее аннигиляцию с материей. Ученые нашли несколько способов сделать это.

Заряженные частицы антивещества, такие как позитроны и антипротоны, могут храниться в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, а магнитное и электрическое поля не дают им столкнуться со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц, таких как антиводород. Поскольку они не имеют заряда, эти частицы не могут удерживаться электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область в пространстве, где магнитное поле становится сильнее во всех направлениях. Частицы антиматерии застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может действовать как ловушка антивещества. Антипротоны обнаружены в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

CERN

Помещения ускорителя частиц антивещества ЦЕРН наполнены постоянным гулом машин. Внутри охлаждаемые металлоконструкции и бетонные блоки. Здесь происходят столкновения частиц высокой энергии. В результате образуются антипротоны, которые затем связываются с позитронами, образуя антиводород. Индивидуальные антитела довольно легко получить. Но это полностью сформированные антиатомы. Они очень редки и очень востребованы.

Антиводород, произведенный в этих лабораториях, удерживается магнитным полем. Поэтому он не вступает в контакт с каким-либо веществом. Результатом, конечно же, будет его разрушение. В наши дни ученые могут месяцами удерживать антивещество на месте. Это означает, что они могут получить много информации во время наблюдений.

Физики надеются найти различия между материей и антиматерией, которые могли бы объяснить барионную асимметрию. Но пока пары ведут себя одинаково. Они одинаково реагируют на магнитные поля, поглощают свет на тех же частотах. И даже во время знаменитого эксперимента с двумя щелями они ведут себя точно так же.

Как получают антиматерию

Антивещество часто называют «самым дорогим веществом в мире». По имеющимся данным, 1 грамм антивещества стоит 63,5 триллиона долларов. Но это утверждение вводит в заблуждение. Дело в том, что антиматерия не продается и не покупается, а вся антиматерия, полученная в ходе экспериментов, составляет едва ли миллионную долю грамма. И важно отметить, что получение античастиц и составление из них атомов антиматерии — это две разные задачи, и вторая гораздо сложнее первой.

Возможно, ажиотаж вокруг антиматерии и ее удивительных энергетических свойств исходит из романа Дэна Брауна «Ангелы и демоны», в котором рассказывается о краже канистры с антиматерией, ее вероятном взрыве, который разрушит Ватикан, и приключениях, связанных с попыткой остановить это роковое событие. Но не путайте вымысел с реальностью. Количество созданной экспериментально антиматерии ничтожно мало — счет идет даже не на микро (миллионные) или нано- (одна миллиардная) граммы, а на атомы.

Антиатомы, если их можно собрать из античастиц, захватывают с помощью магнитных ловушек — ведь они не могут взаимодействовать с атомами материи. С ними проводятся эксперименты, изучаются их свойства. Но время жизни антиатомов в быту очень короткое — счет идет на секунды, в редких случаях — на минуты.

Так откуда же взялась такая конкретная цена на антивещество? Если это не чистое воображение, то цену можно рассчитать следующим образом, что, вероятно, и использовалось. Средства для исследователей выделяются на вполне конкретные цели, например на изучение свойств антиводорода. За достигнутые результаты (которые могут быть как положительными, так и отрицательными) руководитель исследования отчитывается перед организацией, давшей деньги. То есть синтез антиводорода не был прихотью или случайностью — это была цель работы научной группы.

Теперь, если вы знаете количество добавки (что не секрет) и количество атомов антиводорода, которое получилось в результате эксперимента, то вы можете знать массу молекулы водорода (одна молекула водорода состоит из двух атомов), вычислить сколько будет стоить 1 грамм антиводорода.

Какие бывают античастицы

Но антиводород — не единственная антиматерия, полученная экспериментально: также наблюдались антидейтерий (изотоп антиводорода в ядре, имеющий антинейтрон), антитритий (имеющий два антинейтрона), антигелий-3 и антигелий-4.

Поскольку цена рождается на пересечении спроса и предложения, а в случае с антиматерией это ни то, ни другое, а только производство для научного изучения, то говорить о цене — ложь.

Антиматерия изучается в замедлителях частиц

Вы слышали об ускорителях частиц, но слышали ли вы о замедлителях частиц? В ЦЕРНе есть машина под названием Antiproton Decelerator, которая улавливает и замедляет антипротоны для изучения их свойств и поведения.

В кольцах ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер, частицы получают энергетический импульс каждый раз, когда они завершают круг. Модераторы работают наоборот: частицы не разбрасывают, а толкают в обратную сторону.

Применение антиматерии

Антиматерия в медицине

Метод исследования внутренних органов человека или животного, называемый позитронно-эмиссионной томографией или ПЭТ, основан на испускании электронных античастиц — позитронов.

В организм пациента вводят специальное вещество, называемое радиофармпрепаратом. Он содержит радионуклид, то есть вещество, атомное ядро ​​которого нестабильно (от лат core — сердцевина), обычно для этого используются более легкие изотопы четырех элементов — углерода, азота, кислорода и фтора. В этих изотопах на один нейтрон меньше, чем в стабильном атоме, и со временем — очень коротким по житейским меркам — этот атом распадается с испусканием: протон превращается в нейтрон и испускает позитрон и электронное нейтрино.

Отбросим все, кроме позитрона. Он довольно быстро «остывает» до низкоэнергетического состояния и встречает электрон в теле пациента. Пара аннигилирует с испусканием двух гамма-лучей, летящих в противоположных направлениях. Детекторы, расположенные вокруг пациента, фиксируют эти кванты, а поскольку они летят по прямой линии, оказывается очень легко вычислить, откуда они стартовали.

При ПЭТ-сканировании предпочтительным является радиоактивный изотоп фтора-18, поскольку он имеет довольно длительный период полураспада (то есть время, необходимое для превращения половины атомов фтора-18 в кислород) 109,8 минут и относительно низкую дозу нагрузка на пациента: аннигиляционные гамма-кванты отнюдь не безвредны.

Например, при диагностике рака больному вводят небольшое количество глюкозы (фтордезоксиглюкозы — ФДГ), которая содержит радионуклид. Поскольку раковые клетки бесконтрольно делятся и нуждаются в энергии для этого, они поглощают глюкозу в больших количествах. Концентрация глюкозы в раковых клетках приводит к увеличению эмиссии позитронов в злокачественной опухоли. То есть дает возможность визуализировать его с помощью ПЭТ-сканеров.

Позитронно-эмиссионная томография не безвредна — доза облучения при стандартной ПЭТ с использованием ФДГ составляет 14 миллизивертов (мЗв). Для сравнения, это суммарное облучение за более чем 4500 часов полета в пассажирском маршруте на стандартной высоте, или 70% безопасной годовой дозы облучения по российским нормам (или 28% безопасной годовой дозы по нормам МАГАТЭ). Но аннигиляция позитрон-электронной пары не может ни повредить, ни убить.

Мощное оружие

Килограмм антиматерии, столкнувшись с килограммом материи, вызовет взрыв в 3000 раз мощнее, чем бомбардировка Хиросимы во Второй мировой войне. Даже один грамм антивещества был бы эквивалентен по мощности атомной бомбе. И это может дать нам достаточно энергии, чтобы запустить ракету на орбиту. Само собой разумеется, что потенциальные области применения этого материала огромны.

Мы пока не можем создать антивещество в лаборатории, учитывая наши современные технологии. Для синтеза антивещества потребуется в миллиард раз больше энергии, чем мы можем получить из него. Один грамм упомянутого выше вещества будет стоить 25 миллиардов долларов!