что такое материя и антиматерия

Антивещество (познавательный длиннопост)

Антиматерия (или антивещество) — материя, состоящая из античастиц. По современным представлениям, силы, определяющие структуры материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы) совершенно одинаковы как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.

Приставка «анти» в словах «античастицы», «антиматерия», «антивещество» подталкивает фантазеров к рассуждениям о некой Антивселенной, находящейся то ли далеко-далеко, то ли в «параллельном пространстве». Особо увлекающиеся личности приплетают сюда же «добро и зло», «инь и ян»… На самом деле мистики тут – не больше, чем во взаимном «уничтожении» воды и огня, которое так вдохновляло древних философов. «Вещество не из нашего мира» – вполне из нашего: оно рождается и гибнет здесь, а не в каких-то «иных измерениях». «Антиподы» есть у каждой из сотен известных частиц, кроме фотона и еще нескольких, истинно нейтральных (для них античастица точно совпадает с частицей).

Отличие вещества и антивещества возможно только за счёт слабого взаимодействия, однако при обычных температурах слабые эффекты пренебрежимо малы.

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

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

20 т), соответствовало 57 мегатоннам. Следует отметить, что порядка 50% энергии, выделившейся при аннигиляции (реакции пары нуклон-антинуклон), выделяется в форме нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом.

В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе-Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов.

В нормальных условиях частицы антиматерии практически мгновенно уничтожаются за счет контакта с обычной материей, превращаясь в гамма-лучи. Считается, что в первые мгновения после Большого Взрыва количество позитронов и электронов во Вселенной было примерно одинаково, однако при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, тепловые фотоны постоянно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём рождения электрон-позитронных пар (такие условия существуют и сейчас в недрах горячих звёзд). После охлаждения вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с избытком электронов.

В космосе позитроны рождаются при взаимодействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц космических лучей, а также при распаде некоторых типов этих частиц. Таким образом, часть первичных космических лучей составляют позитроны, так как в отсутствие электронов они стабильны. В некоторых областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии, доказывающие присутствие позитронов.

Антиматерия тесно связана с темой происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва около 14 миллиардов лет назад. Считается, что античастиц в нем образовалось столько же, сколько и частиц. Однако сейчас антивещества во Вселенной наблюдается намного меньше, чем вещества. Куда же оно делось? Если улетело в другую область пространства, почему такое количество антиматерии ничем не регистрируется? Масса-то у античастиц та же, что и у частиц. Если же антивещество исчезло после аннигиляции с веществом, то почему осталось столько «лишнего» вещества, из которого состоит мир? Может, «неравенство» возникло раньше, чем думают? Или античастицы все-таки не тождественны «своим» частицам по свойствам и более склонны к распаду? Решить эти загадки и может помочь антивещество — уже не просто предсказанное формулами, а вполне осязаемое детекторами.

Чем отличается антиматерия от материи по строению и свойствам
По современным представлениям — ничем. Но они не могут существовать в непосредственной близости друг от друга и должны аннигилировать.

Имеет ли антиматерия такой же цвет, как и противоположная ей материя
Цвет — это человеческая характеристика частоты электромагнитного излучения, которое попадает в глаз. Электромагнитное излучение «нейтрально» по отношению к частицам или античастицам. Антивещество глазами человека будет видно, как и вещество, но антивещество может быть обнаружено специальными детекторами, которые «видят» не только электромагнитное излучение.

Как будет выглядеть аннигиляция
При очень малых скоростях столкновения электрона и позитрона появятся только фотоны. Но при большой энергии столкновения рождается много самых разных частиц и античастиц — поровну. Они могут разлететься в разные стороны и только потом встретиться с антиподами. Если энергия столкновения мала — то, в основном, вспышка. Если велика — много новых частиц и античастиц. Уже более 20 лет работает в США ускоритель «Теватрон», в котором сталкивают протоны и антипротоны.

Нужен ли для аннигиляции, скажем, водорода именно антиводород. Или антигелий и любое другое «анти» тоже подойдет? Что будет, если потрогать рукой, ткани которой не содержат свинца, «антисвинец»?

Если столкнуть антиводород с атомом гелия, то аннигилируют только один протон и один электрон из гелия, остальные составляющие гелия будут жить и дальше. Только это уже не будет атом гелия. Если коснешься антисвинца — антипротоны, антинейтроны и позитроны из него проаннигилируют с любыми протонами, нейтронами и электронами из руки. В любом случае вы останетесь без руки, если вообще выживете.

Опасны ли опыты с антивеществом
Еще в 2003 году Европейский центр ядерных исследований опубликовал отчет независимых специалистов, которые оценивали вероятность разных рисков, связанных с работой коллайдера. Вероятность — в том числе с антиматерией — была признана ничтожно малой. А частицы из космоса, обладающие намного большей энергией, постоянно влетают в земную атмосферу, тоже приводят к появлению античастиц — но за миллионы лет ничего не случилось.

Есть ли во Вселенной объекты, состоящие из антиматерии
Если и есть, то очень мало. Убедительных доказательств существования больших объектов, состоящих из антиматерии, нет.

Фантасты рассматривают аннигиляцию как идеальный способ получения энергии. Сейчас на получение антиматерии уходит намного больше энергии, чем потом дает аннигиляция.

Есть проекты фотонных двигателей, можно представить электростанции, но это все пока из области фантастики. Принципиально все понятно, а реализовать на практике ученым пока не удалось.

Цифры
1 тонна антивещества в год покрыла бы энергетические нужды всей планеты
$62,5 триллиона стоит один грамм антиводорода, полученный сегодняшними способами.
Цена антиматерии
Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле, по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил 62,5 триллиона долларов. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объем, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков.

З.Ы. Не мое, нашел на просторах интернета.

Источник

Загадки Вселенной — антиматерия

Загадки Вселенной: почему антиматерия еще не уничтожила наш мир
Объекты Вселенной — галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы — кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами «оригиналов», а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название «антиматерия».

Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при «соприкосновении» аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно — правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считаных минут.

«Более 60 лет назад теория гласила, что все свойства античастиц совпадают со свойствами обычных частиц в зеркально-отраженном пространстве. Однако в первой половине 60-х было обнаружено, что в некоторых процессах эта симметрия не выполняется. C тех пор было создано немало теоретических моделей, проведены десятки экспериментов для объяснения этого феномена. Сейчас наиболее развиты теории, которые различие в количестве материи и антиматерии связывают с так называемым нарушением CP-симметрии (от слов сharge — «заряд» и рarity — «четность»). Но достоверного ответа на вопрос, почему материи больше, чем антиматерии, пока никто не знает», — поясняет Алексей Жемчугов, доцент кафедры фундаментальных и прикладных проблем физики микромира Московского физико-технического института.

История антивещества началась с уравнения движения электрона, имевшего решения, в которых он обладал отрицательной энергией. Поскольку физический смысл отрицательной энергии ученые представить не могли, то «придумали» электрон с положительным зарядом, назвав его «позитрон».

Он стал первой экспериментально обнаруженной античастицей. Установка, регистрирующая космические лучи, показала, что траектория движения некоторых частиц в магнитном поле похожа на траекторию электрона — только отклонялись они в противоположную сторону. Далее была открыта пара мезон-антимезон, зарегистрированы антипротон и антинейтрон, а затем ученые смогли синтезировать антиводород и ядро антигелия.

Траектории движения электрона и позитрона в магнитном поле

Что означают все эти «анти»? Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии — к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).

Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719 (98) мегаэлектронвольт, спин ½ (спином называют собственный момент импульса частицы, который характеризует ее вращение, притом что сама частица находится в покое). Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона — минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно.

Протон и антипротон

Некоторые частицы, например бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.

Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом «рождение пар». Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители.

Ускорительная секция Большого адронного коллайдера, где разгоняются частицы

Изучение антиматерии имеет практическое применение. Дело в том, что аннигиляция вещества и антивещества порождает высокоэнергетические фотоны. Допустим, мы берем банку протонов и антипротонов и начинаем понемногу выпускать их навстречу друг другу по специальной трубке, буквально по одной штуке. При аннигиляции одного килограмма антиматерии выделяется столько же энергии, как и при сжигании 30 миллионов баррелей нефти. Ста сорока нанограммов антипротонов было бы вполне достаточно для полета на Марс. Загвоздка в том, что для получения и удержания антивещества требуется еще больше энергии.

Обследование пациента с использованием позитронно-эмиссионного томографа в медицинском центре ДВФУ во Владивостоке

Впрочем, антиматерия уже используется на практике, в медицине. Позитронно-эмиссионная томография применяется для диагностики в онкологии, кардиологии и неврологии. Метод основан на доставке распадающейся с испусканием позитрона материи в определенный орган. Например, в качестве транспорта может выступать вещество, хорошо связывающееся с раковыми клетками. В нужной области образуется повышенная концентрация радиоактивных изотопов и, следовательно, позитронов от их распада. Позитроны немедленно аннигилируют с электронами. А точку аннигиляции мы вполне можем зафиксировать путем регистрации гаммаквантов. Таким образом, с помощью позитронно-эмиссионной томографии можно обнаружить повышенную концентрацию вещества-транспорта в определенном месте.

Источник

10 фактов об антиматерии, которых вы могли не знать

Антиматерия давно была предметом научной фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии. Космический корабль «Энтерпрайз» из «Звездного пути» использует двигатель на основе аннигилирующей антиматерии для путешествий быстрее скорости света. Но антиматерия также предмет нашей с вами реальности. Частицы антиматерии практически идентичны своим материальным партнерам, за исключением того, что переносят противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречает материю, они мгновенно аннигилируют в энергию, и это уже не вымысел.

Хотя бомбы из антиматерии и корабли на основе этого же топлива пока не представляются возможными на практике, есть много фактов об антиматерии, которые вас удивят или позволят освежить в памяти то, что вы уже знали.

Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого Взрыва

Но мы существуем. И насколько знают физики, это потому, что на каждый миллиард пар материи-антиматерии была одна лишняя частица материи. Физики всеми силами пытаются объяснить эту асимметрию.

Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете

Есть и другие источники антивещества, которые находятся ближе к нам. Бананы, например, вырабатывают антивещество, испуская один позитрон — антивещественный экивалент электрона — примерно раз в 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. При распаде калия-40 иногда рождается позитрон.

Наши тела тоже содержат калий-40, а значит, и вы излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует мгновенно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества живут не очень долго.

Людям удалось создать совсем немного антиматерии

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии — не больше 2 нанограммов позитронов.

Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире.

Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии

Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

Антиматерия может падать (в прямом смысле слова)

Наблюдать за гравитационным эффектом на примере антиматерии не так просто, как смотреть на падающее с дерева яблоко. Эти эксперименты требуют удержания антиматерии в ловушке или замедления ее путем охлаждения до температур чуть выше абсолютного нуля. И поскольку гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, физики должны использовать нейтральные частицы антиматерии в этих экспериментах, чтобы предотвратить взаимодействие с более мощной силой электричества.

Антиматерия изучается в замедлителях частиц

В кольцевых ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера частицы получают энергетический толчок каждый раз, когда завершают круг. Замедлители работают противоположным образом: вместо того чтобы разгонять частицы, их толкают в обратную сторону.

Нейтрино могут быть своими собственными античастицами

Проекты вроде Majorana Demonstrator и EXO-200 направлены на определение того, действительно ли нейтрино являются майорановскими частицами, наблюдая за поведением так называемого безнейтринного двойного бета-распада.

Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, испуская два электрона и два нейтрино. Если нейтрино были бы собственными античастицами, они бы аннигилировали после двойного распада, и ученым осталось бы наблюдать только электроны.

Поиск майорановских нейтрино может помочь объяснить, почем существует асимметрия материи-антиматерии. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть либо тяжелыми, либо легкими. Легкие существуют в наше время, а тяжелые существовали сразу после Большого Взрыва. Тяжелые майорановские нейтрино распались асимметрично, что привело к появлению крошечного количества вещества, которым наполнилась наша Вселенная.

Антиматерия используется в медицине

Антиматерия может скрываться в космосе

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) — это детектор частиц, который располагается на Международной космической станции и ищет такие частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют путь космических частиц и отделяют материю от антиматерии. Его детекторы должны обнаруживать и идентифицировать такие частицы по мере прохождения.

Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия остается чрезвычайно малой из-за гигантского количества энергии, которое требуется для этого процесса. Это означает, что наблюдение хотя бы одного ядрышка антигелия будет мощным доказательством существования гигантского количества антиматерии где-либо еще во Вселенной.

Люди на самом деле изучают, как оснастить космический аппарат топливом на антивеществе

Движение ракеты на антивеществе гипотетически возможно; основным ограничением является сбор достаточного количества антивещества, чтобы это могло осуществиться.

Пока не существует технологий для массового производства или сбора антивещества в объемах, необходимых для такого применения. Однако ученые ведут работы над имитацией такого движения и хранения этого самого антивещества. Однажды, если мы найдем способ произвести большое количество антивещества, их исследования могут помочь межзвездным путешествиям воплотиться в реальности.

Источник

Спросите Итана: чем антиматерия принципиально отличается от материи?

Высокоэнергетические столкновения частиц могут приводить к появлению пар частица/античастица или фотонов, а аннигиляция пар частица/античастица также приводят к появлению фотонов, как показывают эти следы в пузырьковой камере. Но что определяет принадлежность частицы к материи или антиматерии?

У каждой известной частицы материи во Вселенной имеется антиматериальный двойник. У антиматерии есть множество свойств, сходных со свойствами нормальной материи, включая типы взаимодействий, массу, величину электрического заряда, и так далее. Но есть и несколько фундаментальных отличий. Однако две вещи по поводу взаимодействия частиц материи и антиматерии можно сказать с определённостью: если столкнуть частицу материи с её двойником из антиматерии, они мгновенно аннигилируют, превратившись в энергию, и в любом взаимодействии, создающем частицу материи, обязательно возникнет и её двойник из антиматерии. Так что же делает антиматерию особенной? Именно это хочет узнать наш читатель, который спрашивает:

Каковы различия между материей и антиматерией на фундаментальном уровне? Есть ли какое-то внутреннее свойство, заставляющее частицу становиться материей или антиматерией? Есть ли какое-то внутреннее свойство (типа спина), отличающее кварки и антикварки? Что придаёт приставку «анти» антиматерии?

Чтобы понять ответ на вопрос, необходимо взглянуть на существующие частицы (и античастицы).

Частицы и античастицы Стандартной Модели подчиняются всякого рода законам сохранения, но между фермионами и бозонами существуют фундаментальные различия

Возможные конфигурации электрона в атоме водорода удивительно сильно разнятся друг от друга, и всё же все они представляют одну и ту же частицу, находящуюся в немного разных квантовых состояниях. У частиц и античастиц также есть свои, присущие им неизменяемые квантовые числа, и они играют основную роль в определении того, принадлежит ли частица к материи, антиматерии, или ни к одной из категорий.

Учитывая эти свойства электрона, можно задать вопрос – как должна выглядеть частица-двойник электрона из антиматерии, на основании правил, управляющих элементарными частицами.

В простом атоме водорода единый электрон движется по орбите вокруг одного протона. В атоме антиводорода один позитрон движется вокруг одного антипротона. Позитроны и антипротоны – двойники в антиматерии для электронов и протонов соответственно.

Величины всех квантовых чисел должны сохраняться. Но у античастиц знаки этих чисел необходимо обратить. Для антиэлектрона это означает, что у него должны быть следующие квантовые числа:

Электронные переходы в атоме водорода и длины волн получающихся фотонов демонстрируют эффект связующей энергии и взаимодействие между электроном и протоном в квантовой физике. Идентичность спектральных линий у позитронов и антипротонов подтверждена.

Все эти факты были экспериментально подтверждены. Частица, точно соответствующая описанию антиэлектрона, известна, как позитрон. Это необходимо, если учесть, как мы создаём материю и антиматерию: обычно мы создаём их из ничего. То есть, если столкнуть две частицы на достаточно высоких энергиях, часто можно получить дополнительную пару частица/античастица из излишков энергии (из Эйнштейновского E=mc 2 ), по закону сохранения.

Сталкивая частицу с античастицей можно ожидать, что они аннигилируют, превратившись в энергию. А из этого следует, что столкнув две любых частицы с достаточно большой энергией, можно создать пару частица/античастица

Но должна сохраниться не только энергия; есть ещё целая гора квантовых чисел, которые тоже нужно сохранить! Сюда входят:

В ранней Вселенной было чрезвычайно много всех частиц и их античастиц, но по мере её охлаждения большая часть частиц аннигилировала. Вся имеющаяся у нас обычная материя возникла из кварков и лептонов, с положительными барионными и лептонными числами, превысивших по количеству их двойников, антикварков и антилептонов.

Если любое из этих чисел положительное, то частица принадлежит к обычной материи. Поэтому кварки (с барионным числом +1/3), электроны, мюоны, тау, нейтрино (с лептонным числом +1) принадлежат к материи, а антикварки, позитроны, антимюоны, антитау, антинейтрино – к антиматерии. Это всё фермионы и антифермионы, и каждый фермион – это частица материи, а антифермион – частица антиматерии.

На всех масштабах Вселенной, от нашего региона до межзвёздного пространства, от отдельных галактик до скоплений и нитей и великой космической паутины, всё, что мы наблюдаем, видится нам состоящим из обычной материи, но не из антиматерии. Эта загадка остаётся неразгаданной.

Так что же придаёт антиматерии приставку «анти»? Если взять отдельную частицу, то её античастица будет иметь ту же массу, и все те же квантовые числа с обратным знаком: это частица, способная аннигилировать с первой и превратиться в энергию. Но чтобы быть материей, у частицы должно быть позитивным либо барионное, либо лептонное число. Чтобы быть антиматерией, нужно иметь негативным либо барионное, либо лептонное число. Кроме этого в нашей Вселенной неизвестно никаких фундаментальных причин, по которым бы материя чем-то превосходила антиматерию; мы до сих пор не знаем, как была нарушена эта симметрия (хотя идеи у нас есть). Если бы всё пошло по-другому, мы бы, наверно, называли всё, из чего мы состоим, «материей», а остальное – «антиматерией», но названия эти даются произвольно. Как всегда, Вселенная находится на стороне тех, кто выжил.

Источник