Антиматерия — это что-то из области фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии. Звездолет «Энтерпрайз» из «Звездного пути» использует аннигиляционную двигательную установку для перемещения со скоростью, превышающей скорость света.
Но антиматерия также является частью реальности. Частицы антиматерии почти идентичны своим аналогам из материи, за исключением того, что они несут противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречается с материей, они немедленно аннигилируют в энергию.
Хотя бомбы на антиматерии и космические корабли, работающие на ней, далеки от реальности, есть еще много фактов об антиматерии, которые пощекочут ваши мозговые клетки.
1. Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого взрыва
Согласно теории, Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в равных количествах. Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют, не оставляя после себя ничего, кроме энергии. Так что в принципе никто из нас не должен существовать.
Но мы есть. И, насколько физики могут сказать, это только потому, что по итогу на каждый миллиард пар материи и антиматерии приходилась одна лишняя частица материи. Физики усердно работают, пытаясь объяснить эту асимметрию.
2. Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете
Небольшие количества антиматерии постоянно падают на Землю в виде космических лучей, частиц энергии из космоса. Эти частицы антиматерии достигают нашей атмосферы со скоростью от менее одной на квадратный метр до более 100 на квадратный метр. Ученые также видели свидетельства образования антиматерии над грозами.
Но другие источники антиматерии еще ближе к нам. Например, бананы могут производить антиматерию, высвобождая один позитрон — эквивалент антиматерии электрона — примерно каждые 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. Когда калий-40 распадается, в процессе он иногда выбрасывает позитрон.
Наши тела также содержат калий-40, а это значит, что вы тоже излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует сразу же при контакте с материей, поэтому эти частицы антиматерии очень недолговечны.
3. Люди создали лишь небольшое количество антиматерии
Аннигиляция антиматерии с материей потенциально может высвободить огромное количество энергии. Грамм антиматерии может произвести взрыв размером с ядерную бомбу. Однако люди произвели лишь незначительное количество антиматерии.
Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц под названием Тэватрон и разработанного в лаборатории имени Энрико Ферми или Фермилаб, в сумме составляют всего 15 нанограммов. Те, что сделаны в ЦЕРНе, составляют около 1 нанограмма. В DESY в Германии на сегодняшний день произведено около 2 нанограммов позитронов.
Если бы вся антиматерия, когда-либо созданная людьми, была уничтожена сразу, произведенной энергии не хватило бы даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.
Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антиматерии. Для производства 1 грамма антиматерии потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более миллиона миллиардов долларов.
4. Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии
Чтобы изучать антиматерию, нужно предотвратить ее аннигиляцию с материей. Ученые придумали способы сделать это.
Заряженные частицы антиматерии, такие как позитроны и антипротоны, могут удерживаться в устройствах, называемых ловушками Пеннинга. Их можно сравнить с крошечными ускорителями. Внутри частицы вращаются по спирали, поскольку магнитное и электрическое поля не дают им столкнуться со стенками ловушки.
Но ловушки Пеннинга не работают с нейтральными частицами, такими как антиводород. Поскольку у них нет заряда, эти частицы не могут удерживаться электрическими полями. Вместо этого они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле увеличивается во всех направлениях. Частица застревает в области с самым слабым магнитным полем, как шарик, катящийся по дну чаши.
Магнитное поле Земли также может действовать как своего рода ловушка антивещества. Антипротоны были обнаружены в зонах вокруг Земли, называемых радиационными поясами Ван Аллена.
5. Антиматерия должна уметь падать
Частицы антиматерии и материи имеют одинаковую массу, но различаются по своим свойствам, таким как электрический заряд и вращение. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна оказывать одинаковое влияние на материю и антиматерию; однако это еще предстоит увидеть. Такие эксперименты, как AEGIS, ALPHA и GBAR, усердно работают, пытаясь это выяснить.
Наблюдать за действием гравитации на антиматерию не так просто, как наблюдать за падением яблока с дерева. Эти эксперименты должны удерживать антиматерию в ловушке или замедлять его, охлаждая до температуры чуть выше абсолютного нуля. А поскольку гравитация является самой слабой из фундаментальных сил, физики должны использовать в этих экспериментах нейтральные частицы антиматерии, чтобы предотвратить вмешательство более мощной электрической силы.
6. Антиматерия изучается в замедлителях частиц
Все слышали об ускорителях частиц, но знали ли вы, что существуют и замедлители частиц? В ЦЕРН находится машина под названием Antiproton Decelerator, накопительное кольцо, которое может захватывать и замедлять антипротоны для изучения их свойств и поведения.
В круговых ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер, частицы получают заряд энергии каждый раз, когда совершают оборот. Замедлители работают в обратном направлении: вместо повышения энергии частицы получают толчок назад для замедления своей скорости.
7. Нейтрино могут быть античастицами сами по себе
Частица материи и ее партнер из антиматерии несут противоположные заряды, поэтому их легко различить. Нейтрино, почти безмассовые частицы, редко взаимодействующие с материей, не имеют заряда. Ученые полагают, что это могут быть майорановские частицы, гипотетический класс частиц, которые являются античастицами сами по себе.
Такие проекты, как Majorana Demonstrator и EXO-200, направлены на определение того, являются ли нейтрино майорановскими частицами, путем поиска поведения, называемого безнейтринным двойным бета-распадом.
Некоторые радиоактивные ядра одновременно распадаются, высвобождая два электрона и два нейтрино. Если бы нейтрино были сами по себе античастицами, они аннигилировали бы друг друга после двойного распада, и ученые наблюдали бы только электроны.
Обнаружение майорановских нейтрино может помочь объяснить, почему существует асимметрия материи и антиматерии. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть как тяжелыми, так и легкими. Легкие существуют на данный момент, а тяжелые могли появиться только сразу после Большого взрыва. Эти тяжелые майорановские нейтрино должны были распасться асимметрично, что привело к крошечному избытку материи, который позволил существовать нашей Вселенной.
8. Антиматерия используется в медицине
ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) использует позитроны для получения изображений тела с высоким разрешением. Радиоактивные изотопы, излучающие позитроны (наподобие тех, что в бананах), присоединены к химическим веществам, таким как глюкоза, которые естественным образом используются организмом. Их вводят в кровоток, где они естественным образом расщепляются, высвобождая позитроны, которые встречаются с электронами в организме и аннигилируют. Аннигиляции производят гамма-лучи, которые используются для построения изображений.
Ученые из проекта CERN ACE изучили антиматерию как потенциального кандидата для лечения рака. Врачи уже обнаружили, что можно воздействовать на опухоли пучками частиц, которые высвобождают свою энергию только после безопасного прохождения через здоровые ткани. Использование антипротонов добавляет дополнительный взрыв энергии. Было обнаружено, что этот метод эффективен на клетках хомяка, но исследователям еще предстоит провести исследования на клетках человека.
9. Антиматерия, которая должна была помешать нашему существованию, все еще может скрываться в космосе
Один из способов, которым ученые пытаются решить проблему асимметрии материи и антиматерии, — поиск антиматерии, оставшейся после Большого взрыва.
Магнитный альфа-спектрометр, или AMS — это детектор частиц, который находится на Международной космической станции и ищет эти частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют траекторию космических частиц, отделяя материю от антиматерии. Его детекторы оценивают и идентифицируют частицы по мере их прохождения.
Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия чрезвычайно мала из-за огромного количества энергии, которое для этого потребуется. Это означает, что обнаружение даже одного ядра антигелия будет убедительным доказательством существования большого количества антиматерии где-то еще во Вселенной.
10. В настоящее время реально изучается возможность заправлять космические корабли антиматерией
Всего горстка антиматерии может производить огромное количество энергии, что делает его популярным топливом для футуристических транспортных средств в научной фантастике.
Ракетный двигатель на антиматерии гипотетически возможен; основным ограничением является сбор достаточного количества антиматерии, чтобы это стало осуществимым.
В настоящее время нет доступных технологий для массового производства или сбора антиматерии в объеме, необходимом для этого применения. Тем не менее, небольшое количество исследователей провели имитационные исследования по движению и хранению антиматерии.
Среди них Ронан Кин и Вей-Мин Чжан, работавшие в Академии Вестерн Резерв и Кентском государственном университете соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создавать или собирать большое количество антиматерии, их исследования могут помочь межзвездным путешествиям на антиматерии стать реальностью.