Antymateria - Antimatter

Komora chmura zdjęcie z pierwszego pomiaru pozytonów , 02 sierpnia 1932.

W nowoczesnych fizyki , antymateria jest zdefiniowana jako materia składa się z antycząstkami (lub „partnerów”) odpowiednich cząsteczek w „zwykłym” materii. W akceleratorach cząstek codziennie generowane są minimalne ilości antycząstek — całkowita sztuczna produkcja wynosiła zaledwie kilka nanogramów — oraz w naturalnych procesach, takich jak zderzenia promieniowania kosmicznego i niektóre rodzaje rozpadu promieniotwórczego , ale tylko niewielka ich część została z powodzeniem połączona w eksperymentach. tworzyć antyatomy. Nigdy nie zebrano żadnej makroskopowej ilości antymaterii ze względu na ekstremalne koszty i trudności produkcji i obsługi.

Teoretycznie cząstka i jej antycząstka (np. proton i antyproton ) mają tę samą masę , ale przeciwny ładunek elektryczny , oraz inne różnice w liczbach kwantowych . Na przykład proton ma ładunek dodatni, podczas gdy antyproton ma ładunek ujemny.

Zderzenie dowolnej cząstki z jej antycząstkowym partnerem prowadzi do ich wzajemnej anihilacji , powodując różne proporcje intensywnych fotonów ( promieni gamma ), neutrin , a czasem mniej masywnych par cząstka-antycząstka. Większość całkowitej energii anihilacji powstaje w postaci promieniowania jonizującego . Jeśli otaczająca materia jest obecna, zawartość energii tego promieniowania zostanie pochłonięta i zamieniona na inne formy energii, takie jak ciepło lub światło. Ilość uwolnionej energii jest zwykle proporcjonalna do całkowitej masy zderzanej materii i antymaterii, zgodnie z godnym uwagi równaniem równoważności masy i energii , E = mc 2 .

Cząstki antymaterii wiążą się ze sobą, tworząc antymaterię, tak jak zwykłe cząsteczki wiążą się, tworząc normalną materię. Na przykład pozyton (antycząstka elektronu ) i antyproton (antycząstka protonu) mogą tworzyć atom antywodoru . Do jądra z antihelium zostały sztucznie produkowane, choć z trudem, i są najbardziej skomplikowane anty-jądra dotychczas obserwowane. Zasady fizyczne wskazują, że możliwe są złożone jądra atomowe antymaterii, a także antyatomy odpowiadające znanym pierwiastkom chemicznym.

Istnieją mocne dowody na to, że obserwowalny wszechświat składa się prawie wyłącznie ze zwykłej materii, w przeciwieństwie do równej mieszanki materii i antymaterii. Ta asymetria materii i antymaterii w widzialnym wszechświecie jest jednym z wielkich nierozwiązanych problemów fizyki . Proces, w którym powstała ta nierówność między materią a cząsteczkami antymaterii, nazywa się bariogenezą .

Definicje

Cząstki antymaterii mogą być definiowane przez ich ujemną liczbę barionową lub liczbę leptonową , podczas gdy cząstki „normalnej” (nie antymaterii) materii mają dodatnią liczbę barionową lub leptonową. Te dwie klasy cząstek są dla siebie partnerami antycząstkowymi. „ Pozytron ” jest odpowiednikiem „ elektronu ” w antymaterii .

Francuski termin przeciwwskazane terrene doprowadziły do initialism „CT” i science fiction termin „seetee”, stosowany w takich powieściach jak Seetee Ship .

Historia koncepcyjna

Idea negatywnej materii pojawia się w dawnych teoriach materii, które teraz zostały porzucone. Wykorzystując popularną niegdyś teorię grawitacji wirów , możliwość występowania materii o ujemnej grawitacji została omówiona przez Williama Hicksa w latach 80. XIX wieku. Pomiędzy latami 80. i 90. XIX wieku Karl Pearson zaproponował istnienie „trysków” i zlewozmywaków przepływu eteru . Tryskacze reprezentowały normalną materię, a umywalki reprezentowały materię negatywną. Teoria Pearsona wymagała czwartego wymiaru dla przepływu eteru zi do niego.

Termin antymateria został po raz pierwszy użyty przez Arthura Schustera w dwóch dość dziwacznych listach do Natury w 1898 roku, w których ukuł ten termin. Postawił hipotezę antyatomy, a także całe układy słoneczne z antymaterii i omówił możliwość wzajemnej anihilacji materii i antymaterii. Idee Schustera nie były poważną propozycją teoretyczną, jedynie spekulacją i podobnie jak poprzednie idee, różniły się od nowoczesnej koncepcji antymaterii tym, że posiadały ujemną grawitację .

Nowoczesna teoria antymaterii rozpoczęła się w 1928 roku artykułem Paula Diraca . Dirac sobie sprawę, że jego relatywistyczne wersja z równania falowego Schrödingera dla elektronów przewidział możliwość antielectrons . Zostały one odkryte przez Carla D. Andersona w 1932 roku i nazwane pozytonami od „elektronu dodatniego”. Chociaż Dirac sam nie używał terminu antymateria, jego użycie wynika w sposób naturalny z antyelektronów, antyprotonów itp. Kompletny układ okresowy antymaterii został przewidziany przez Charlesa Janeta w 1929 roku.

Interpretacja Feynman-Stueckelberg stwierdza, że antymaterię i antycząstki są regularne cząstki podróżowanie wstecz w czasie.

Notacja

Jednym ze sposobów oznaczenia antycząstki jest dodanie kreski nad symbolem cząstki. Na przykład proton i antyproton oznaczono jako
P
oraz
P
, odpowiednio. Ta sama zasada obowiązuje, gdy zwracamy się do cząstki za pomocą jej składowych składników. Proton składa się z
ty

ty

D
kwarki , więc antyproton musi być utworzony z
ty

ty

D
antykwarki . Inną konwencją jest rozróżnianie cząstek przez dodatni i ujemny ładunek elektryczny . Tak więc elektron i pozyton oznaczamy po prostu jako
mi
oraz
mi+
odpowiednio. Aby jednak uniknąć nieporozumień, te dwie konwencje nigdy nie są mieszane.

Nieruchomości

Teoretyczne właściwości antygrawitacyjne antymaterii są obecnie testowane w eksperymencie AEGIS w CERN. Antymateria wchodząc w kontakt z materią unicestwi oba, pozostawiając po sobie czystą energię. Potrzebne są badania, aby zbadać możliwe efekty grawitacyjne między materią a antymaterią oraz między antymaterią a antymaterią. Jednak badania są trudne, biorąc pod uwagę, że kiedy obaj spotykają się, unicestwiają, wraz z obecnymi trudnościami w wychwytywaniu i powstrzymywaniu antymaterii.

Istnieją przekonujące powody teoretyczne, by sądzić, że poza faktem, że antycząstki mają różne znaki na wszystkich ładunkach (takich jak ładunki elektryczne i barionowe), materia i antymateria mają dokładnie takie same właściwości. Oznacza to, że cząstka i odpowiadająca jej antycząstka muszą mieć identyczne masy i czasy rozpadu (jeśli są niestabilne). Oznacza to również, że na przykład gwiazda zbudowana z antymaterii („antygwiazda”) będzie świecić jak zwykła gwiazda. Pomysł ten został przetestowany eksperymentalnie w 2016 roku w eksperymencie ALPHA , który zmierzył przejście między dwoma najniższymi stanami energetycznymi antywodoru . Wyniki, które są identyczne z wynikami wodoru, potwierdziły słuszność mechaniki kwantowej dla antymaterii.

Pochodzenie i asymetria

Dziennie występuje około 500 naziemnych błysków promieniowania gamma . Czerwone kropki pokazują te dostrzeżone przez Kosmiczny Teleskop Fermi Gamma-ray w 2010 roku. Niebieskie obszary wskazują, gdzie potencjalne pioruny mogą wystąpić dla ziemskich błysków gamma .
Film pokazujący, jak naukowcy wykorzystali detektor promieniowania gamma w Kosmicznym Teleskopie Fermiego do wykrywania wybuchów antymaterii z burz

Wydaje się, że większość materii, którą można zaobserwować z Ziemi, składa się z materii, a nie antymaterii. Gdyby istniały obszary przestrzeni zdominowane przez antymaterię, promienie gamma wytwarzane w reakcjach anihilacji wzdłuż granicy między obszarami materii i antymaterii byłyby wykrywalne.

Antycząstki powstają wszędzie we wszechświecie, gdzie dochodzi do zderzeń cząstek o wysokiej energii. Wysokoenergetyczne promienie kosmiczne oddziałujące na ziemską atmosferę (lub jakąkolwiek inną materię w Układzie Słonecznym ) wytwarzają niewielkie ilości antycząstek w powstałych dżetach cząstek , które są natychmiast anihilowane przez kontakt z pobliską materią. Mogą być w podobny sposób wytwarza się w regionach, takich jak centrum w sposób Mlecznej i innych galaktyk, gdzie występują bardzo energiczne zdarzenia niebieskie (zasadniczo interakcji relatywistycznymi dysz z międzygwiazdowej ). Obecność powstałej antymaterii można wykryć za pomocą dwóch promieni gamma wytwarzanych za każdym razem, gdy pozytony anihilują z pobliską materią. Częstotliwość i długość fali promieni gamma wskazują, że każdy niesie 511  keV energii (to znaczy masa reszta o elektronu pomnożona przez C 2 ).

Obserwacje przez Europejską Agencję Kosmiczną „s INTEGRAL satelity mogą wyjaśnić pochodzenie gigantycznego obłoku antymaterii wokół galaktycznego centrum. Obserwacje pokazują, że obłok jest asymetryczny i pasuje do układu podwójnego promieniowania rentgenowskiego (dwójkowego układu gwiazd zawierającego czarne dziury lub gwiazdy neutronowe), głównie po jednej stronie centrum Galaktyki. Chociaż mechanizm nie jest w pełni zrozumiały, prawdopodobnie obejmuje wytwarzanie par elektron-pozyton, ponieważ zwykła materia zyskuje energię kinetyczną, opadając na gwiezdną pozostałość .

Antymateria może występować w stosunkowo dużych ilościach w odległych galaktykach z powodu kosmicznej inflacji w pierwotnym czasie Wszechświata. Oczekuje się, że galaktyki antymaterii, jeśli istnieją, będą miały takie same widma chemiczne, absorpcyjne i emisyjne jak galaktyki z normalnej materii, a ich obiekty astronomiczne byłyby obserwacyjnie identyczne, co utrudniałoby ich rozróżnienie. NASA próbuje ustalić, czy takie galaktyki istnieją, szukając sygnatur rentgenowskich i gamma zdarzeń anihilacji w zderzających się supergromadach .

W październiku 2017 roku naukowcy pracujący nad eksperymentem BASE w CERN dokonali pomiaru momentu magnetycznego antyprotonu z dokładnością do 1,5 części na miliard. Jest to zgodne z najdokładniejszym pomiarem momentu magnetycznego protonu (również wykonanym przez BASE w 2014 r.), co potwierdza hipotezę symetrii CPT . Ten pomiar reprezentuje pierwszy przypadek, kiedy właściwość antymaterii jest znana dokładniej niż równoważna właściwość materii.

Interferometria kwantowa antymaterii została po raz pierwszy zademonstrowana w laboratorium L-NESS R. Ferraguta w Como (Włochy), przez grupę kierowaną przez M. Giammarchi.

Produkcja naturalna

Pozytrony powstają naturalnie w rozpadach β + naturalnie występujących izotopów promieniotwórczych (na przykład potasu-40 ) oraz w interakcjach kwantów gamma (emitowanych przez jądra radioaktywne) z materią. Antyneutrina są innego rodzaju antycząstka stworzonej przez promieniotwórczości naturalnej (P - rozpad). Wiele różnych rodzajów antycząstek jest również wytwarzanych przez (i zawartych w) promieniach kosmicznych . W styczniu 2011 roku badania Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego odkryły antymaterię (pozytony) pochodzącą z chmur burzowych ; pozytony są produkowane w ziemskich błyskach gamma, wytwarzanych przez elektrony przyspieszane przez silne pola elektryczne w obłokach. Moduł PAMELA odkrył również istnienie antyprotonów w Pasach Van Allena wokół Ziemi .

Antycząstki są również wytwarzane w dowolnym środowisku o wystarczająco wysokiej temperaturze (średnia energia cząstek większa niż próg wytwarzania pary ). Przypuszcza się, że w okresie bariogenezy, kiedy Wszechświat był niezwykle gorący i gęsty, materia i antymateria były nieustannie produkowane i unicestwiane. Obecność pozostałej materii i brak wykrywalnej pozostałej antymaterii nazywa się asymetrią barionową . Dokładny mechanizm, który wytworzył tę asymetrię podczas bariogenezy, pozostaje nierozwiązanym problemem. Jednym z koniecznych warunków tej asymetrii jest naruszenie symetrii CP , które zaobserwowano eksperymentalnie w oddziaływaniu słabym .

Ostatnie obserwacje wskazują, że czarne dziury i gwiazdy neutronowe wytwarzają ogromne ilości plazmy pozytonowo-elektronowej za pośrednictwem dżetów.

Obserwacja w promieniach kosmicznych

Eksperymenty satelitarne wykazały obecność pozytonów i kilku antyprotonów w pierwotnych promieniach kosmicznych, co stanowi mniej niż 1% cząstek w pierwotnym promieniowaniu kosmicznym. Ta antymateria nie mogła w całości zostać stworzona w Wielkim Wybuchu, ale zamiast tego przypisuje się jej produkcję w procesach cyklicznych przy wysokich energiach. Na przykład pary elektron-pozyton mogą powstawać w pulsarach , gdy cykl rotacji namagnesowanej gwiazdy neutronowej odcina pary elektron-pozyton od powierzchni gwiazdy. Tam antymateria tworzy wiatr, który rozbija się o wyrzuty prekursorów supernowych. To wietrzenie ma miejsce, gdy „zimny, namagnesowany wiatr relatywistyczny wystrzelony przez gwiazdę uderza w nierelatywistycznie rozszerzającą się wyrzutnię, podczas uderzenia tworzy się system fali uderzeniowej: zewnętrzna fala rozchodzi się w wyrzucie, podczas gdy odwrotny szok rozchodzi się z powrotem w kierunku gwiazdy ”. Pierwsze wyrzucenie materii w zewnętrznej fali uderzeniowej, a drugie wytwarzanie antymaterii w odwróconej fali uderzeniowej to etapy cyklu pogody kosmicznej.

Wstępne wyniki z działającego obecnie Alpha Magnetic Spectrometer ( AMS-02 ) na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej pokazują, że pozytony w promieniowaniu kosmicznym docierają bez kierunkowości i z energiami w zakresie od 10 GeV do 250 GeV. We wrześniu 2014 r. nowe wyniki z prawie dwukrotnie większą ilością danych zostały zaprezentowane podczas wykładu w CERN i opublikowane w Physical Review Letters. Doniesiono o nowym pomiarze frakcji pozytonów do 500 GeV, wykazując, że szczyty frakcji pozytonów wynoszą maksymalnie około 16% wszystkich zdarzeń elektron + pozyton, około energii 275 ± 32 GeV. Przy wyższych energiach, do 500 GeV, stosunek pozytonów do elektronów znów zaczyna spadać. Bezwzględny strumień pozytonów również zaczyna spadać przed 500 GeV, ale osiąga szczyty przy energiach znacznie wyższych niż energie elektronów, które osiągają szczyt około 10 GeV. Sugeruje się, że te wyniki interpretacji wynikają z produkcji pozytonów w zdarzeniach anihilacji masywnych cząstek ciemnej materii .

Antyprotony promieniowania kosmicznego mają również znacznie wyższą energię niż ich odpowiedniki z normalnej materii (protony). Przybywają na Ziemię z charakterystycznym maksimum energii wynoszącym 2 GeV, co wskazuje na ich produkcję w fundamentalnie innym procesie niż protony promieniowania kosmicznego, które mają średnio tylko jedną szóstą energii.

Trwają poszukiwania większych jąder antymaterii, takich jak jądra antyhelu (czyli cząstek anty-alfa), w promieniowaniu kosmicznym. Wykrycie naturalnego antyhelu może sugerować istnienie dużych struktur antymaterii, takich jak antygwiazda. Prototyp AMS-02 oznaczony jako AMS-01 poleciał w kosmos na pokładzie promu kosmicznego Discovery na STS-91 w czerwcu 1998. Nie wykrywając w ogóle żadnego antyhelu , AMS-01 ustanowił górną granicę 1,1×10 − 6 dla stosunku przepływu antyhelu do helu . AMS-02 ujawnił w grudniu 2016 r., że odkrył kilka sygnałów zgodnych z jądrami antyhelu pośród kilku miliardów jąder helu. Wynik pozostaje do zweryfikowania, a zespół stara się obecnie wykluczyć skażenie.

Sztuczna produkcja

Pozytony

W listopadzie 2008 r. doniesiono, że pozytony zostały wygenerowane przez Lawrence Livermore National Laboratory w większej liczbie niż w jakimkolwiek wcześniejszym procesie syntetycznym. Laser pojechaliśmy elektronów przez gold podsystemu jąder , który spowodował przychodzące elektrony emitują energię kwantów , która rozpadła się na zarówno materii i antymaterii. Pozytrony były wykrywane z większą szybkością i większą gęstością niż kiedykolwiek wcześniej wykrywano w laboratorium. Wcześniejsze eksperymenty pozwoliły uzyskać mniejsze ilości pozytonów przy użyciu laserów i celów cienkich jak papier; Nowe symulacje wykazały, że krótkie serie ultraintensywnych laserów i milimetrowej grubości złoto są znacznie skuteczniejszym źródłem.

Antyprotony, antyneutrony i antyjądra

Istnienie antyprotonu zostało eksperymentalnie potwierdzone w 1955 roku przez fizyków z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley Emilio Segrè i Owena Chamberlaina , za co otrzymali w 1959 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki . Antyproton składa się z dwóch antykwarków górnych i jednego antykwarka dolnego (
ty

ty

D
). Wszystkie właściwości antyprotonu, które zostały zmierzone, pasują do odpowiednich właściwości protonu, z wyjątkiem antyprotonu, który ma przeciwny ładunek elektryczny i moment magnetyczny do protonu. Niedługo potem, w 1956 roku, antyneutron został odkryty w zderzeniach proton-proton w Bevatronie ( Lawrence Berkeley National Laboratory ) przez Bruce'a Corka i współpracowników.

Oprócz antybarionów stworzono antyjądra składające się z wielu związanych antyprotonów i antyneutronów. Są one zwykle wytwarzane przy energiach zbyt wysokich, aby utworzyć atomy antymaterii (ze związanymi pozytonami zamiast elektronów). W 1965 roku grupa badaczy kierowana przez Antonino Zichichiego doniosła o produkcji jąder antydeuteru w Synchrotronie Protonowym w CERN . Mniej więcej w tym samym czasie grupa amerykańskich fizyków z Alternating Gradient Synchrotron w Brookhaven National Laboratory przedstawiła obserwacje jąder antydeuteru .

Atomy antywodorowe

Obiekty antymaterii
Pierścień antyprotonowy o niskiej energii (1982-1996)
Akumulator antyprotonowy Produkcja antyprotonów
Kolektor antyprotonowy Spowolnione i przechowywane antyprotony
Fabryka Antymaterii (2000-obecnie)
Spowalniacz antyprotonowy (AD) Spowalnia antyprotony
Pierścień antyprotonowy o bardzo niskiej energii (ELENA) Usuwa antyprotony otrzymane od AD

W 1995 r. CERN ogłosił, że pomyślnie powołał do życia dziewięć gorących atomów antywodoru, wdrażając koncepcję SLAC / Fermilab podczas eksperymentu PS210 . Eksperyment przeprowadzono przy użyciu pierścienia antyprotonowego o niskiej energii (LEAR) i kierowali nim Walter Oelert i Mario Macri. Fermilab wkrótce potwierdził odkrycia CERN, wytwarzając w swoich obiektach około 100 atomów antywodoru. Atomy antywodoru utworzone podczas PS210 i późniejszych eksperymentów (zarówno w CERN, jak i Fermilab) były niezwykle energetyczne i nie nadawały się do badania. Aby rozwiązać tę przeszkodę i lepiej zrozumieć antywodór, pod koniec lat 90. nawiązano współpracę, a mianowicie ATHENA i ATRAP .

W 1999 roku CERN aktywował Antyproton Decelerator , urządzenie zdolne do spowalniania antyprotonów z3500  MeV do5,3 MeV  – wciąż zbyt „gorący”, aby wyprodukować skuteczny w badaniach antywodór, ale ogromny krok naprzód. Pod koniec 2002 roku projekt ATHENA ogłosił, że stworzył pierwszy na świecie „zimny” antywodór. Wkrótce potem projekt ATRAP opublikował podobne wyniki. Antyprotony użyte w tych eksperymentach schładzano poprzez zwalnianie ich za pomocą opóźniacza antyprotonów, przepuszczanie ich przez cienką folię, a na koniec wychwytywanie ich w pułapkę Penninga-Malmberga . Ogólny proces chłodzenia jest wykonalny, ale wysoce nieefektywny; około 25 milionów antyprotonów opuszcza zwalniacz antyprotonów i około 25 tysięcy trafia do pułapki Penninga-Malmberga, czyli około1/1000 lub 0,1% pierwotnej kwoty.

Antyprotony są wciąż gorące, gdy są początkowo uwięzione. Aby je dalej schłodzić, miesza się je w plazmę elektronową. Elektrony w tej plazmie ochładzają się poprzez promieniowanie cyklotronowe, a następnie chłodzą sympatycznie antyprotony poprzez zderzenia kulombowskie . Ostatecznie elektrony są usuwane przez zastosowanie krótkotrwałych pól elektrycznych, pozostawiając antyprotony o energiach mniejszych niż100  meV . Podczas gdy antyprotony są chłodzone w pierwszej pułapce, mała chmura pozytonów jest wychwytywana z radioaktywnego sodu w akumulatorze pozytonowym typu Surko. Ta chmura jest następnie ponownie przechwytywana w drugiej pułapce w pobliżu antyprotonów. Manipulacje elektrodami pułapkowymi następnie wprowadzają antyprotony do plazmy pozytonów, gdzie niektóre łączą się z antyprotonami, tworząc antywodór. Na ten neutralny antywodór nie mają wpływu pola elektryczne i magnetyczne używane do wychwytywania naładowanych pozytonów i antyprotonów, a w ciągu kilku mikrosekund antywodór uderza w ściany pułapki, gdzie ulega anihilacji. W ten sposób powstało kilkaset milionów atomów antywodoru.

W 2005 roku ATHENA rozwiązała się, a niektórzy z jej byłych członków (wraz z innymi) utworzyli ALPHA Collaboration , również z siedzibą w CERN. Ostatecznym celem tego przedsięwzięcia jest test CPT symetrii poprzez porównanie widm atomowej z wodoru i Antywodór (patrz wodoru szereg spektralnej ).

W 2016 roku zbudowano nowy opóźniacz i chłodnicę antyprotonową o nazwie ELENA (Extra Low Energy Antiproton decelerator). Pobiera antyprotony z deceleratora antyprotonów i schładza je do 90 keV, co jest wystarczająco „zimne” do badania. Ta maszyna działa wykorzystując wysoką energię i przyspieszając cząstki w komorze. Na sekundę można wychwycić ponad sto antyprotonów, co stanowi ogromną poprawę, ale wytworzenie nanograma antymaterii zajęłoby i tak kilka tysięcy lat .

Większość poszukiwanych, wysoce precyzyjnych testów właściwości antywodoru można było przeprowadzić tylko wtedy, gdyby antywodór był uwięziony, to znaczy utrzymywany w miejscu przez stosunkowo długi czas. Podczas gdy atomy antywodorowe są elektrycznie obojętne, spiny ich składowych cząstek wytwarzają moment magnetyczny . Te momenty magnetyczne mogą oddziaływać z niejednorodnym polem magnetycznym; niektóre atomy antywodoru mogą zostać przyciągnięte do minimum magnetycznego. Takie minimum można stworzyć kombinacją pól lustrzanych i multipolowych. Antywodór może zostać uwięziony w takiej pułapce minimum magnetycznego (minimum-B); w listopadzie 2010 roku grupa ALPHA ogłosiła, że ​​uwięziła 38 atomów antywodoru na około jedną szóstą sekundy. To był pierwszy raz, kiedy neutralna antymateria została uwięziona.

26 kwietnia 2011 r. ALPHA ogłosiła, że ​​uwięziła 309 atomów antywodoru, niektóre nawet na 1000 sekund (około 17 minut). To było dłużej niż kiedykolwiek wcześniej uwięziona neutralna antymateria. Projekt ALPHA wykorzystał te uwięzione atomy do zainicjowania badań nad spektralnymi właściwościami antywodoru.

Największym czynnikiem ograniczającym produkcję antymaterii na dużą skalę jest dostępność antyprotonów. Ostatnie dane opublikowane przez CERN wskazują, że po pełnym uruchomieniu ich obiekty są w stanie wyprodukować dziesięć milionów antyprotonów na minutę. Zakładając 100% konwersję antyprotonów w antywodór, wyprodukowanie 1 grama lub 1 mola antywodoru zajęłoby 100 miliardów lat (w przybliżeniu6,02 × 10 23 atomy antywodór).

Antyhel

Jądra antyhelium-3 (3
On
) zostały po raz pierwszy zaobserwowane w latach 70. w eksperymentach zderzenia proton-jądro w Instytucie Fizyki Wysokich Energii przez grupę Y. Prockoshkina (Protvino pod Moskwą, ZSRR), a następnie stworzone w eksperymentach zderzeń jądro-jądro. Zderzenia jądro-jądro wytwarzają antyjądra poprzez koalescencję antyprotonów i antyneutronów powstających w tych reakcjach. W 2011 roku detektor STAR zgłosił obserwację sztucznie utworzonych jąder antyhelu-4 (cząstek anty-alfa) (4
On
) z takich kolizji.

Alpha Magnetic Spectrometer na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej ma, począwszy od 2021 roku, nagrany osiem wydarzeń, które zdają się wskazywać na wykrycie antihelium-3.

Ochrona

Antymateria nie może być przechowywana w pojemniku wykonanym ze zwykłej materii, ponieważ antymateria reaguje z każdą materią, której dotknie, anihilując siebie i równą ilość pojemnika. Antymateria w postaci naładowanych cząstek może być przechowywana przez połączenie pól elektrycznych i magnetycznych w urządzeniu zwanym pułapką Penninga . Urządzenie to nie może jednak zawierać antymaterii składającej się z nienaładowanych cząstek, do których wykorzystuje się pułapki atomowe . W szczególności taka pułapka może wykorzystywać moment dipolowy ( elektryczny lub magnetyczny ) uwięzionych cząstek. W wysokiej próżni cząstki materii lub antymaterii mogą być wyłapywane i schładzane za pomocą mało rezonansowego promieniowania laserowego za pomocą pułapki magnetooptycznej lub magnetycznej . Małe cząsteczki można również zawiesić za pomocą pęsety optycznej , wykorzystując silnie skupioną wiązkę lasera.

W 2011 roku naukowcom z CERN udało się zachować antywodór przez około 17 minut. Rekord przechowywania antycząstek jest obecnie przechowywany przez eksperyment TRAP w CERN: antyprotony były trzymane w pułapce Penninga przez 405 dni. W 2018 r. złożono propozycję opracowania technologii zabezpieczania wystarczająco zaawansowanej, aby pomieścić miliard antyprotonów w przenośnym urządzeniu, które można przewieźć do innego laboratorium w celu dalszych eksperymentów.

Koszt

Naukowcy twierdzą, że antymateria jest najdroższym materiałem do wytworzenia. W 2006 r. Gerald Smith oszacował, że 250 milionów dolarów może wyprodukować 10 miligramów pozytonów (równowartość 25 miliardów dolarów za gram); w 1999 r. NASA podała kwotę 62,5 biliona dolarów za gram antywodoru. Dzieje się tak, ponieważ produkcja jest trudna (w reakcjach w akceleratorach cząstek powstaje tylko bardzo niewiele antyprotonów) oraz ponieważ istnieje większe zapotrzebowanie na inne zastosowania akceleratorów cząstek . Według CERN, wyprodukowanie około jednej miliardowej grama (ilość wykorzystywana do tej pory w zderzeniach cząstek z antycząstkami) kosztowała kilkaset milionów franków szwajcarskich . Dla porównania, aby wyprodukować pierwszą broń atomową, koszt Projektu Manhattan oszacowano na 23 miliardy dolarów z inflacją w 2007 roku.

Kilka badań finansowanych przez NASA Institute for Advanced Concepts bada, czy możliwe jest użycie magnetycznych czerpaków do zbierania antymaterii, która naturalnie występuje w pasie Van Allena na Ziemi, a ostatecznie w pasach gazowych gigantów, takich jak Jowisz , miejmy nadzieję przy niższym koszcie za gram.

Zastosowania

Medyczny

Reakcje materia–antymateria mają praktyczne zastosowania w obrazowaniu medycznym, na przykład w pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Dodatniej rozpadu beta , A nuklid traci nadmiar ładunku dodatniego przez emitującego pozytrony (w tym samym przypadku proton staje się neutronów i neutrinowy również emitowane). Nuklidy z nadwyżką ładunku dodatniego można łatwo wytwarzać w cyklotronie i są one powszechnie generowane do użytku medycznego. W eksperymentach laboratoryjnych wykazano również, że antyprotony mogą leczyć niektóre nowotwory, w podobny sposób stosowany obecnie w terapii jonowej (protonowej).

Paliwo

Wyizolowana i zmagazynowana antymateria mogłaby być wykorzystywana jako paliwo do podróży międzyplanetarnych lub międzygwiezdnych w ramach jądrowego napędu impulsowego katalizowanego antymaterią lub innej rakiety antymaterii . Ponieważ gęstość energii antymaterii jest wyższa niż w przypadku konwencjonalnych paliw, statek kosmiczny napędzany antymaterią miałby wyższy stosunek ciągu do masy niż konwencjonalny statek kosmiczny.

Gdyby zderzenia materii z antymaterią skutkowały jedynie emisją fotonów , cała masa spoczynkowa cząstek zostałaby zamieniona na energię kinetyczną . Energia przypadająca na jednostkę masy (9 × 10 16  J/kg ) jest około 10 rzędów wielkości większa niż energie chemiczne i około 3 rzędy wielkości większa niż jądrowa energia potencjalna, którą można dziś uwolnić za pomocą rozszczepienia jądrowego (około200 MeV na reakcję rozszczepienia lub8 × 10 13  J/kg ) i około 2 rzędy wielkości większe niż najlepsze możliwe wyniki oczekiwane z syntezy (około6,3 × 10 14  J/kg dla łańcucha proton-proton ). Reakcjakg antymaterii zPowstałby 1 kg materii1,8 × 10 17  J (180 petadżuli) energii (według wzoru na równoważność masy i energii , E = mc 2 ) lub przybliżony ekwiwalent 43 megaton trotylu – nieco mniej niż wydajność 27 000 kg Car Bomby , największej broń termojądrowa kiedykolwiek zdetonowana.

Nie cała ta energia może być wykorzystana przez jakąkolwiek realistyczną technologię napędową ze względu na naturę produktów anihilacji. Podczas gdy w reakcjach elektron-pozyton powstają fotony promieniowania gamma, trudno je skierować i wykorzystać do ciągu. W reakcjach między protonami i antyprotonami ich energia zamieniana jest w dużej mierze na relatywistyczne, neutralne i naładowane piony . Te obojętne piony rozpadają prawie natychmiast (o żywotności 85 attosekund ) do fotonami o dużej energii, ale naładowane piony rozpadają się wolniej (o okresie 26 nanosekund) i może być odchylane magnetycznym w celu wytworzenia ciągu .

Naładowane piony ostatecznie rozpadają się na kombinację neutrin (przenoszących około 22% energii naładowanych pionów) i niestabilnie naładowanych mionów (przenoszących około 78% naładowanej energii pionów), przy czym miony rozpadają się następnie na kombinację elektronów, pozytonów i neutrina (por. rozpad mionów ; neutrina z tego rozpadu niosą około 2/3 energii mionów, co oznacza, że ​​z oryginalnych naładowanych pionów, całkowita część ich energii przekształcona w neutrina tą czy inną drogą wynosiłaby około 0,22 + (2/3) 0,78 = 0,74 ).

Bronie

Antymateria była uważana za mechanizm wyzwalający broń jądrową. Główną przeszkodą jest trudność w produkcji antymaterii w wystarczająco dużych ilościach i nie ma dowodów na to, że kiedykolwiek będzie to wykonalne. Niemniej jednak Siły Powietrzne USA sfinansowały badania fizyki antymaterii w czasie zimnej wojny i zaczęły rozważać jej możliwe zastosowanie w broni, nie tylko jako wyzwalacza, ale jako samego materiału wybuchowego.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki