Что такое Антиматерия? Антиматерия – это субстанция, которая состоит из античастиц: цена антиматерии Что такое материя и антиматерия.

В 1930-м году известный английский физик-теоретик Поль Дирак, выводя релятивистское уравнение движения для поля электрона, получил также и решение для некой иной частицы с той же массой и противоположным, положительным, электрическим зарядом. Единственная известная в то время частица с положительным зарядом - протон, не могла быть этим двойником, так как значительно отличалась от электрона, в том числе и в тысячи раз большей массой.

Позже, в 1932-м году американский физик Карл Андерсон подтвердил предсказания Дирака. Изучая космические лучи, он открыл античастицу электрона, которая сегодня называется позитрон. Спустя 23 года на американском ускорителе были обнаружены антипротоны, а еще через год - антинейтрон.

Частицы и античастицы

Как известно, любая элементарная частица обладает рядом характеристик, чисел, описывающих ее. Среди них следующие:

• Масса - физическая величина, которая определяет гравитационное взаимодействие объекта.
• Спин - собственный момент импульса элементарной частицы.
• Электрический заряд - характеристика, указывающая на возможность создания телом электромагнитного поля, и участия в электромагнитном взаимодействии.
• Цветовой заряд - абстрактное понятие, которое объясняет взаимодействие кварков и формирование ими других частиц — адронов.

Также другие различные квантовые числа, определяющие свойства и состояния частиц. Если описывать античастицу, то простым языком - это зеркальное отображение частицы, с той же массой и электрическим зарядом. Почему же ученых так заинтересовали частицы, которые просто отчасти схожи и частично отличны от своих подлинников?

Оказалось, что столкновение частицы и античастицы ведет к аннигиляции - их уничтожению, и высвобождению соответствующей им энергии в виде других высокоэнергетических частиц, то есть маленький взрыв. Мотивирует к изучению античастиц и тот факт, что вещество, состоящее из античастиц (антивещество) самостоятельно не образуется в природе, согласно наблюдениям ученых.

Общие сведения об антивеществе

Выходя из вышесказанного, становится ясно, что наблюдаемая Вселенная состоит из материи, вещества. Однако, следуя известным физическим законам, ученые уверены в том, что вследствие Большого Взрыва обязаны образоваться в равном количестве вещество и антивещество, чего мы не наблюдаем. Очевидно, что наши представления о мире являются неполными, и либо ученые что-то упустили в своих расчетах, либо где-то за пределами нашей видимости, в отдаленных частях Вселенной имеется соответствующее количество антиматерии, так сказать «мир из антивещества».

Этот вопрос антисимметрии представляется одной из самых известных нерешенных физических задач.

Согласно современным представлениям, структура вещества и антивещества почти не отличаются, по той причине, что электромагнитное и сильное взаимодействия, определяющие устройство материи, одинаково действуют как по отношению частицам, так и античастицам. Данный факт был подтвержден в ноябре 2015 года на коллайдере RHIC в США, когда российские и зарубежные ученые измерили силу взаимодействия антипротонов. Она оказалась равной силе взаимодействия протонов.

Получение антивещества

Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. Если при столкновении электрона и его античастицы - позитрона, высвобождается два гамма-кванта, то для создания электрон-позитронной пары понадобится высокоэнергетический гамма-квант, взаимодействующий с электрическим полем ядра атома. В лабораторных условиях это может происходить на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях - в пульсарах и около черных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества.

Что такое антивещество? Для понимания достаточно привести следующий пример. Простейшее вещество, атом водорода состоит из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород - это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона.

Общий вид установки ASACUSA в ЦЕРНе, предназначенной для получения и изучения антиводорода

Несмотря на простую формулировку, синтезировать антиводород достаточно сложно. И все же в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе ученым удалось создать 9 атомов такого антивещества, которые прожили всего 40 наносекунд и распались.

Позже, при помощи массивных устройств была создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода - 0,28 аттограмм (10 -18 грамм). Такого объема антивещества может быть достаточно для дальнейшего изучения, и это успех.

Стоимость антивещества

Сегодня с уверенностью можно заявить, что самое дорогое вещество в мире не калифорний, реголит или графен, и, конечно же, не золото, а антивещество. Согласно подсчетам NASA -создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около 25 миллионов долларов, а 1 г антиводорода оценивается в 62,5 триллиона долларов. Интересно, что нанограмм антивещества, объем, который был использован за 10 лет в экспериментах ЦЕРНа, обошелся организации в сотни миллионов долларов.

Применение

Изучение антиматерии несет в себе весомый для человечества потенциал. Первое и наиболее интересное устройство, теоретически работающее на антивеществе - варп-двигатель. Некоторые могут помнить таковой из известного сериала «Звездный путь» («Star Trek»), двигатель питался энергией от реактора, работающего на основе принципа аннигиляции материи и антиматерии.

В действительности существует несколько математических моделей подобного двигателя, и согласно их расчетам, для космических кораблей будущего понадобится совсем немного античастиц. Так, семимесячный полет до Марса может сократиться в продолжительности до месяца, за счет 140 нанограммов антипротонов, которые выступят катализатором ядерного деления в реакторе корабля. Благодаря подобным технологиям могут осуществиться и межгалактические перелеты, которые позволят человеку подробно изучить другие звездные системы, и в будущем колонизировать их.

Однако, антивещество, как и многие другие научные открытия, может нести угрозу человечеству. Как известно, ужаснейшая катастрофа, атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки была произведена при помощи двух атомных бомб, общая масса которых составляет 8,6 тонн, а мощность - около 35 килотонн. А вот при столкновении 1 кг вещества и 1 кг антивещества высвобождается энергия равная 42 960 килотонн. Самая мощная бомба, когда-либо разработанная человечеством — АН602 или «Царь-бомба» высвободила энергию около 58 000 килотонн, но весила 26,5 тонн! Подводя итоги всего вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что технологии и изобретения на основе антиматерии могут привести человечество, как к небывалому прорыву, так и к полному самоуничтожению.

По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие , образующее ядра , и электромагнитное взаимодействие , образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества.

Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях) .

В ноябре 2015 года группа российских и зарубежных физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов.

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция , при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц. При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8·10 17 джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила . Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба »: масса 26,5 т, при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57-58,6 мегатоннам . Теллеровский предел для термоядерного оружия подразумевает, что самый эффективный выход энергии не превысит 6 кт /кг массы устройства. Следует отметить, что порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино , которые практически не взаимодействуют с веществом.

Ведётся 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 нерешённых задач физики (см. Барионная асимметрия Вселенной). Предполагается, что столь сильная асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва .

Получение

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.

В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии.

Стоимость

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 бы 62,5 триллиона долларов . По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объём, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков .

См. также

Напишите отзыв о статье "Антивещество"

Примечания

Ссылки

• - 2011
• Пахлов, Павел. . postnauka.ru (23.05.2014).
• Пахлов, Павел. . postnauka.ru (6.03.2014).

Литература

• Власов Н. А. Антивещество. - М .: Атомиздат , 1966. - 184 с.
• Широков Ю. М. , Юдин Н. П. Ядерная физика. - М .: Наука , 1972. - 670 с.

Отрывок, характеризующий Антивещество

И в доказательство неопровержимости этого довода складки все сбежали с лица.
Князь Андрей вопросительно посмотрел на своего собеседника и ничего не ответил.
– Зачем вы поедете? Я знаю, вы думаете, что ваш долг – скакать в армию теперь, когда армия в опасности. Я это понимаю, mon cher, c"est de l"heroisme. [мой дорогой, это героизм.]
– Нисколько, – сказал князь Андрей.
– Но вы un philoSophiee, [философ,] будьте же им вполне, посмотрите на вещи с другой стороны, и вы увидите, что ваш долг, напротив, беречь себя. Предоставьте это другим, которые ни на что более не годны… Вам не велено приезжать назад, и отсюда вас не отпустили; стало быть, вы можете остаться и ехать с нами, куда нас повлечет наша несчастная судьба. Говорят, едут в Ольмюц. А Ольмюц очень милый город. И мы с вами вместе спокойно поедем в моей коляске.
– Перестаньте шутить, Билибин, – сказал Болконский.
– Я говорю вам искренно и дружески. Рассудите. Куда и для чего вы поедете теперь, когда вы можете оставаться здесь? Вас ожидает одно из двух (он собрал кожу над левым виском): или не доедете до армии и мир будет заключен, или поражение и срам со всею кутузовскою армией.
И Билибин распустил кожу, чувствуя, что дилемма его неопровержима.
– Этого я не могу рассудить, – холодно сказал князь Андрей, а подумал: «еду для того, чтобы спасти армию».
– Mon cher, vous etes un heros, [Мой дорогой, вы – герой,] – сказал Билибин.

В ту же ночь, откланявшись военному министру, Болконский ехал в армию, сам не зная, где он найдет ее, и опасаясь по дороге к Кремсу быть перехваченным французами.
В Брюнне всё придворное население укладывалось, и уже отправлялись тяжести в Ольмюц. Около Эцельсдорфа князь Андрей выехал на дорогу, по которой с величайшею поспешностью и в величайшем беспорядке двигалась русская армия. Дорога была так запружена повозками, что невозможно было ехать в экипаже. Взяв у казачьего начальника лошадь и казака, князь Андрей, голодный и усталый, обгоняя обозы, ехал отыскивать главнокомандующего и свою повозку. Самые зловещие слухи о положении армии доходили до него дорогой, и вид беспорядочно бегущей армии подтверждал эти слухи.
«Cette armee russe que l"or de l"Angleterre a transportee, des extremites de l"univers, nous allons lui faire eprouver le meme sort (le sort de l"armee d"Ulm)», [«Эта русская армия, которую английское золото перенесло сюда с конца света, испытает ту же участь (участь ульмской армии)».] вспоминал он слова приказа Бонапарта своей армии перед началом кампании, и слова эти одинаково возбуждали в нем удивление к гениальному герою, чувство оскорбленной гордости и надежду славы. «А ежели ничего не остается, кроме как умереть? думал он. Что же, коли нужно! Я сделаю это не хуже других».
Князь Андрей с презрением смотрел на эти бесконечные, мешавшиеся команды, повозки, парки, артиллерию и опять повозки, повозки и повозки всех возможных видов, обгонявшие одна другую и в три, в четыре ряда запружавшие грязную дорогу. Со всех сторон, назади и впереди, покуда хватал слух, слышались звуки колес, громыхание кузовов, телег и лафетов, лошадиный топот, удары кнутом, крики понуканий, ругательства солдат, денщиков и офицеров. По краям дороги видны были беспрестанно то павшие ободранные и неободранные лошади, то сломанные повозки, у которых, дожидаясь чего то, сидели одинокие солдаты, то отделившиеся от команд солдаты, которые толпами направлялись в соседние деревни или тащили из деревень кур, баранов, сено или мешки, чем то наполненные.
На спусках и подъемах толпы делались гуще, и стоял непрерывный стон криков. Солдаты, утопая по колена в грязи, на руках подхватывали орудия и фуры; бились кнуты, скользили копыта, лопались постромки и надрывались криками груди. Офицеры, заведывавшие движением, то вперед, то назад проезжали между обозами. Голоса их были слабо слышны посреди общего гула, и по лицам их видно было, что они отчаивались в возможности остановить этот беспорядок. «Voila le cher [„Вот дорогое] православное воинство“, подумал Болконский, вспоминая слова Билибина.
Желая спросить у кого нибудь из этих людей, где главнокомандующий, он подъехал к обозу. Прямо против него ехал странный, в одну лошадь, экипаж, видимо, устроенный домашними солдатскими средствами, представлявший середину между телегой, кабриолетом и коляской. В экипаже правил солдат и сидела под кожаным верхом за фартуком женщина, вся обвязанная платками. Князь Андрей подъехал и уже обратился с вопросом к солдату, когда его внимание обратили отчаянные крики женщины, сидевшей в кибиточке. Офицер, заведывавший обозом, бил солдата, сидевшего кучером в этой колясочке, за то, что он хотел объехать других, и плеть попадала по фартуку экипажа. Женщина пронзительно кричала. Увидав князя Андрея, она высунулась из под фартука и, махая худыми руками, выскочившими из под коврового платка, кричала:
– Адъютант! Господин адъютант!… Ради Бога… защитите… Что ж это будет?… Я лекарская жена 7 го егерского… не пускают; мы отстали, своих потеряли…
– В лепешку расшибу, заворачивай! – кричал озлобленный офицер на солдата, – заворачивай назад со шлюхой своею.
– Господин адъютант, защитите. Что ж это? – кричала лекарша.
– Извольте пропустить эту повозку. Разве вы не видите, что это женщина? – сказал князь Андрей, подъезжая к офицеру.
Офицер взглянул на него и, не отвечая, поворотился опять к солдату: – Я те объеду… Назад!…
– Пропустите, я вам говорю, – опять повторил, поджимая губы, князь Андрей.
– А ты кто такой? – вдруг с пьяным бешенством обратился к нему офицер. – Ты кто такой? Ты (он особенно упирал на ты) начальник, что ль? Здесь я начальник, а не ты. Ты, назад, – повторил он, – в лепешку расшибу.
Это выражение, видимо, понравилось офицеру.
– Важно отбрил адъютантика, – послышался голос сзади.
Князь Андрей видел, что офицер находился в том пьяном припадке беспричинного бешенства, в котором люди не помнят, что говорят. Он видел, что его заступничество за лекарскую жену в кибиточке исполнено того, чего он боялся больше всего в мире, того, что называется ridicule [смешное], но инстинкт его говорил другое. Не успел офицер договорить последних слов, как князь Андрей с изуродованным от бешенства лицом подъехал к нему и поднял нагайку:
– Из воль те про пус тить!
Офицер махнул рукой и торопливо отъехал прочь.

Антиматерия — это противоположность нормальной материи. Более конкретно, субатомные частицы антивещества обладают свойствами, противоположными свойствам вещества, характерного для обычного вещества.

Электрический заряд этих частиц меняется на противоположный. Антиматерия была создана вместе с материей после Большого взрыва, но антиматерия редко встречается в сегодняшней вселенной, и ученые не знают, почему.

Чтобы лучше понять антиматерию, нужно больше знать о материи. Материя состоит из атомов, которые являются основными единицами химических элементов, таких как водород, гелий или кислород. Каждый элемент имеет определенное количество атомов: водород имеет один атом; гелий имеет два атома; и так далее.

Вселенная атома сложна, так как она полна экзотических частиц, которые физики только начинают понимать. С простой точки зрения, атомы имеют частицы, которые известны как , протоны и внутри них.

Что вы получите, когда объедините теорию относительности и квантовую механику? Здесь нет шуток — просто революционная концепция, придуманная лауреатом Нобелевской премии П. Дирак после того, как он обнаружил странное несоответствие в уравнении.

В физике частиц каждый тип частицы имеет ассоциированную античастицу с той же массой, но с противоположными физическими зарядами (например, электрический заряд). Например, античастица электрона является антиэлектроном (который часто называют позитроном). В то время как электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и естественно генерируется в некоторых типах радиоактивного распада. Обратное также верно: античастицей позитрона является электрон.

Некоторые частицы, такие как фотон, являются их собственной античастицей. В противном случае для каждой пары частиц с античастицами одна обозначается как нормальная материя (из которой мы сделаны), а другая (обычно с приставкой «анти»), как в антиматерии.

Пары частицы-античастицы могут аннигилировать друг друга, производя фотоны; поскольку заряды частицы и античастицы противоположны, общий заряд сохраняется. Например, позитроны, образующиеся при естественном радиоактивном распаде, быстро аннигилируют себя электронами, производя пары гамма-лучей, процесс, используемый в позитронно-эмиссионной томографии.

Законы природы почти симметричны относительно частиц и античастиц. Например, антипротон и позитрон могут образовывать анти-водородный атом, который, как полагают, обладает теми же свойствами, что и атом водорода. Это приводит к вопросу о том, почему образование материи после Большого взрыва привело к созданию вселенной, состоящей почти целиком из материи.

Где это?

Частицы антивещества создаются в сверхскоростных столкновениях. В первые моменты после Большого Взрыва существовала только энергия. По мере того как вселенная охлаждалась и расширялась, частицы как материи, так и антиматерии были получены в равных количествах. Почему материя стала доминировать, это вопрос, который ученые еще не обнаружили.

Одна теория предполагает, что в начале было создано более нормальное вещество, чем антиматерия, так что даже после взаимной аннигиляции было достаточно нормальной материи, оставшейся для образования звезд, галактик и нас.

Открытие антиматерии

Антиматерия была впервые открыта в 1928 году английским физиком Полом Дираком, которого журнал New Scientist назвал «величайшим британским теоретиком, как сэр Исаак Ньютон».

Что именно было уравнением Дирака? Короче говоря, это было обширное расширение теории относительности Эйнштейна в сочетании с квантовой механикой так, как никогда ранее не делалось математически. Дирак обнаружил, что это уравнение учитывает существование частиц, как мы их знаем, а также противоположно заряженных частиц с магнитными моментами, противоположными моментам соответствующих частиц вещества. Он назвал эти противоположно заряженные частицы античастицами или антивеществами.

По словам журнала, Дирак объединил специальное уравнение относительности Эйнштейна (которое говорит, что свет — это самая быстрая движущаяся вещь во Вселенной) и квантовая механика (описывающая то, что происходит в атоме). Он обнаружил, что уравнение работает для электронов с отрицательным зарядом или с положительными зарядами.

Когда частицы антивещества взаимодействуют с частицами материи, они аннигилируют друг друга и производят энергию. Это привело к тому, что инженеры предположили, что двигатель на антиматерии космического аппарата может быть эффективным способом исследования Вселенной.

НАСА предупреждает, что существует огромная уловка с этой идеей: для создания миллиграмма антиматерии требуется около 100 миллиардов долларов.

«Чтобы быть коммерчески жизнеспособным, эта цена должна снизиться примерно в 10 000 раз», — пишет агентство. Выработка энергии создает еще одну головную боль: «Для создания антивещества требуется гораздо больше энергии, чем энергия, которую можно получить от реакции антивещества».

Но это не помешало НАСА и другим группам работать над улучшением технологии, чтобы сделать двигатель на антиматерии возможным.

Антиматерия – это материя, состоящая из античастиц, то есть частиц с точно такими же, но обратными по значению и свойствами тех частиц, противоположностями которых они являются. Каждая частица обладает своей зеркальной копией – античастицей. Античастицы протона, нейтрона и называются антипротоном, антинейтроном и позитроном, соответственно. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще более меньших частиц, называемых кварками. Антипротоны и антинейтроны состоят из антикварков.

Античастицы переносят аналогичный, но противоположный по значению заряд, как и их прототипы из обычной материи, но обладают той же массой и похожи на них во всех других отношениях. Как предполагают ученые, во могут существовать целые галактики из антиматерии. Также есть мнение, что антивещества во Вселенной может быть даже больше, чем обычного вещества. Но увидеть антиматерию невозможно, так же как объекты окружающего нас обычного мира. Она не видима для человеческого зрения.

Большинство астрономов, все же сходятся во мнении, что антивещества все-таки не так уж и много или вообще нет в природе, иначе, как они рассуждают, во Вселенной было бы много мест где обычная материя и антиматерия сталкиваются друг с другом, что сопровождалось бы мощным потоком гамма-лучей, вызванных их аннигиляцией. Аннигиляция – это взаимоуничтожение частиц материи и антиматерии, сопровождающееся выделением энергии. Однако такие регионы не были найдены.

Одна из возможных гипотез возникновения антиматерии связана с теорией большого взрыва. Эта теория утверждает, что вся наша возникла в результате и расширения некой точки в пространстве. После взрыва возникло равное количество материи и антиматерии. Сразу же начался процесс их взаимоуничтожения. Однако по какой-то причине материи оказалось немного больше, что позволило образоваться Вселенной в привычной нам форме.

Из-за отсутствия возможности изучить свойства антиматерии в , ученые прибегают к искусственным способам образования антивещества. Для его получения используют специальные научные прибору – ускорители частиц, в которых атомы материи разгоняются до около световой скорости (300 000 км/сек). Сталкиваясь, некоторые частицы разрушаются, в результате чего образуются античастицы, из которых можно получить антиматерию. Сложной проблемой является хранение антивещества, так как, соприкоснувшись с обычной материей, антивещество уничтожается. Для этого полученные крупицы антиматерии помещают в вакуум и в , которое удерживает их в подвешенном состоянии и не дает прикоснуться к стенкам хранилища.

Не смотря на всю сложность получения и исследования антивещества, оно может предоставлять для нашей жизни множество преимуществ. Все они основаны на то факте, что при взаимодействии антиматерии с материей выделяется огромное количество энергии. Причем отношение высвобождаемой энергии к массе участвующего вещества не превзойдена ни одним видом или взрывчатого вещества. В результате аннигиляции нет никаких побочных продуктов, только чистая энергия. Поэтому ученые уже сейчас мечтают об ее применении. Например, об на антиматерии с нескончаемым ресурсом. Космические корабли с анигиляторными двигателями смогут пролетать тысячи световых лет на около световой скорости. Военным это даст возможность создать огромную по мощности , гораздо более разрушительную, чем атомная или водородная . Однако всем этим мечтам не суждено осуществится, пока мы не сможем получать недорогое антивещество в промышленных масштабах.

« Антиматерия физически и химически ничем не отличается от материи. Собственно, это та же материя, только вывернутая наизнанку. Для проционидов наши физические и химические справочники пригодны так же, как и для нас. Они описывают те же самые закономерности, те же самые реакции с теми же самыми элементами. Только для них наша материя является антиматерией. Вопрос, с какой стороны смотреть».(Кшиштоф Борунь, «Антимир», 1963)

Мысль о возможности существования антивещества была высказана еще в эпоху классической физики, в конце XIX века

Водород и антиводород по своему строению совершенно идентичны — они состоят из адрона и лептона. В первом случае положительно заряженный протон, состоящий из трех кварков (двух верхних и одного нижнего), и отрицательно заряженный электрон образуют атом хорошо знакомого нам водорода. Антиводород состоит из отрицательно заряженного антипротона, который, в свою очередь, построен из трех соответствующих антикварков и положительно заряженного позитрона (античастицы электрона)

Аннигиляция электрона и позитрона в случае низких энергий порождает как минимум два (это обусловлено сохранением импульса) фотона. Этот процесс схематически можно изобразить с помощью так называемой диаграммы Фейнмана. При превышении определенного энергетического порога аннигиляция может происходить с рождением «виртуальных» фотонов, которые вновь быстро распадаются на пары электронов и позитронов

Компьютерная модель аннигиляции вещества и антивещества. Красные линии — фотоны, разлетающиеся в противоположных направлениях при аннигиляции позитронов, а желтые — частицы, образующиеся при аннигиляции антипротонов. Треки исходят из одной точки — это свидетельство того, что антипротоны и позитроны образуют атомы антиводорода (эксперимент ATHENA в ЦЕРН)

Времяпроекционная камера эксперимента PANDA международного центра FAIR в Дармштадте

Открытие античастиц по праву считается крупнейшим достижением физики ХХ столетия. Оно впервые доказало нестабильность материи на самом глубинном, самом фундаментальном уровне. До этого все были уверены, что вещество нашего мира сложено из элементарных частиц, которые никогда не исчезают и не рождаются заново. Эта простая картина ушла в прошлое, когда без малого 80 лет назад было доказано, что электрон и его положительно заряженный двойник при встрече исчезают, рождая кванты электромагнитного излучения. Позднее выяснилось, что частицам микромира вообще свойственно превращаться друг в друга, причем многими способами. Открытие античастиц положило начало коренной трансформации фундаментальных представлений о природе материи.

Мысль о возможности существования антивещества впервые была высказана в 1898 году — англичанин Артур Шустер опубликовал в журнале Nature весьма туманную заметку, вероятно, вдохновленную недавним открытием электрона. «Если существует отрицательное электричество, — вопрошал Шустер, — то почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, с той же точкой плавления и с таким же спектром?» А дальше у него — впервые в мировой научной литературе — появляются и слова «антиатом» и «антивещество». Шустер предполагал, что антиатомы притягиваются друг к другу гравитационными силами, но отталкиваются от обычной материи.

Антиэлектроны впервые были замечены в эксперименте опять-таки до момента своего официального открытия. Это сделал ленинградский физик Дмитрий Скобельцин, который в 1920-х годах исследовал рассеяние гамма-лучей на электронах в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Он заметил, что некоторые треки вроде бы электронного происхождения искривляются не туда, куда положено. Дело, разумеется, в том, что гамма-квант при взаимодействии с веществом может давать начало электрону и позитрону, которые в магнитном поле закручиваются в противоположных направлениях. Скобельцин этого, естественно, не знал и объяснить странный эффект не смог, но в 1928 году доложил о нем на международной конференции в Кембридже. По занятному совпадению, годом ранее в совет кембриджского колледжа Св. Иоанна избрали молодого физика-теоретика Поля Дирака, чьи исследования со временем позволили объяснить эти аномалии.

Уравнение Дирака

В 1926 году австриец Эрвин Шредингер сформулировал уравнение, описывающее поведение нерелятивистских частиц, подчиняющихся квантовой механике, — дифференциальное уравнение, решения которого определяют состояния частицы. Уравнение Шредингера описывало частицу, которая не имеет собственного углового импульса — спина (иначе говоря, не ведет себя как волчок). Однако в 1926 году уже было известно, что электроны обладают спином, который может иметь два различных значения: грубо говоря, ось электронного волчка ориентируется в пространстве лишь в двух противоположных направлениях (спустя год аналогичное доказательство было получено и для протонов). Тогда же швейцарский теоретик Вольфганг Паули обобщил уравнение Шредингера для электрона, так чтобы оно позволяло учитывать спин. Таким образом, спин сперва открыли экспериментально, а потом искусственно навязали шредингеровскому уравнению.

В релятивистской механике Эйнштейна формула для энергии свободной частицы выглядит сложнее, нежели в ньютоновской. Перевести эйнштейновскую формулу в квантовое уравнение несложно, это проделали и Шредингер, и трое его современников. Но решения такого уравнения показывают, что вероятность нахождения частицы в определенной точке может оказаться отрицательной, что не имеет физического смысла. Возникают и другие неприятности, обусловленные тем, что математическая структура нового уравнения (его называют уравнением Клейна-Гордона) расходится с теорией относительности (на формальном языке, оно не является релятивистски инвариантным).

Вот над этой задачей в 1927 году и задумался Дирак. Для сохранения инвариантности он включил в уравнение не квадраты операторов энергии и импульса, а их первую степень. Чтобы записать уравнение в таком виде, пришлось изначально ввести в него более сложные, чем у Паули, матрицы размером 4х4. У этого уравнения обнаружились четыре равноправных решения, причем в двух случаях энергия электрона положительна, а в двух — отрицательна.

Тут-то и возникла загвоздка. Первая пара решений интерпретировалась просто — это обычный электрон в каждом из возможных спиновых состояний. Если добавить в уравнение Дирака электромагнитное поле, то легко получится, что электрон обладает правильным магнитным моментом. Это был гигантский успех теории Дирака, которая без всяких дополнительных предположений наделила электрон и спином, и магнитным моментом. Однако в первое время никто не мог решить, что делать с остальными решениями. И в ньютоновской, и в эйнштейновской механике энергия свободной частицы никогда не бывает отрицательной, и частицы с энергией меньше нуля вызывали недоумение. К тому же было непонятно, почему обычные электроны не переходят в предсказанные теорией Дирака состояния с заведомо меньшей энергией, в то время как электроны в оболочках атомов такой возможности не упускают.

Поиски смысла

Через два года Дирак нашел очень красивую интерпретацию парадоксальных решений. В соответствии с принципом Паули два электрона (как и любые частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одинаковом квантовом состоянии. По мысли Дирака, все состояния с отрицательной энергией в норме уже заполнены, а переход в эти состояния из зоны положительных энергий запрещен принципом Паули. Поэтому дираковское море электронов с отрицательной энергией в принципе ненаблюдаемо, но лишь до тех пор, пока в нем нет свободных вакансий. Такую вакансию можно создать, если вышибить электрон с отрицательного энергетического уровня на положительный (например, достаточно мощным квантом электромагнитного излучения). Поскольку электронное море потеряет единицу отрицательного заряда, появившаяся вакансия (Дирак назвал ее дыркой) будет вести себя в электрическом поле как частица с плюсовым зарядом. По этой же логике падение электрона из нормального состояния в такую дырку ведет к исчезновению и электрона, и дырки, сопровождающемуся испусканием одного фотона.

А как проявляют себя дираковские дырки в реальном мире? Сначала Дирак отождествлял их с протонами, о чем в 1930 году и написал в Nature. Это было как минимум странно — протон в 2000 раз тяжелее электрона. Будущий академик и нобелевский лауреат Игорь Тамм и будущий отец атомной бомбы Роберт Оппенгеймер выдвинули и более серьезное возражение, заметив, что тогда каждый атом водорода стоит перед угрозой исчезновения, а этого в природе не происходит. Дирак вскоре отказался от этой гипотезы и в сентябре 1931 года выступил со статьей, где предсказал, что дырки, если их удастся обнаружить, окажутся совершенно новыми частицами, неизвестными экспериментальной физике. Он предложил назвать их антиэлектронами.

Дираковская модель ушла в историю после создания квантовой электродинамики и квантовой теории поля, которые приписывают частицам и античастицам одинаковую реальность. Из квантовой электродинамики следует также, что встреча свободного электрона с антиэлектроном влечет за собой рождение не менее пары квантов, так что в этой части модель попросту неверна. Как нередко бывает, уравнение Дирака оказалось много умнее интерпретации, предложенной его создателем.

Открытие антиэлектрона

Как уже было сказано, позитроны фактически наблюдал еще Дмитрий Скобельцин. В 1930 году с ними столкнулся аспирант Калифорнийского технологического института Чунг-Яо Чао, исследовавший прохождение гамма-квантов сквозь свинцовую фольгу. В этом эксперименте возникали электронно-позитронные пары, после чего новорожденные позитроны аннигилировали с электронами атомных оболочек и порождали вторичное гамма-излучение, которое и зарегистрировал Чао. Однако многие физики усомнились в результатах, и эта работа признания не получила.

Руководителем Чао был президент Калтеха, нобелевский лауреат Роберт Милликен, который в те времена занимался космическими лучами (он и предложил этот термин). Милликен считал их потоком гамма-квантов и потому ожидал, что они будут расколачивать атомы на электроны и протоны (нейтрон открыли позже, в 1932 году). Милликен предложил проверить эту гипотезу Карлу Андерсону, другому своему аспиранту и к тому же приятелю Чао. Тот, подобно Скобельцину, решил воспользоваться камерой Вильсона, соединенной с очень мощным электромагнитом. Андерсон тоже получил треки заряженных частиц, которые внешне не отличались от треков электронов, но были изогнуты в обратном направлении. Сначала он приписал их электронам, которые движутся не сверху вниз, а снизу вверх. Для контроля он установил в центре камеры свинцовую пластинку толщиной 6 мм. Оказалось, что над пластиной величины импульсов частиц с треками электронного типа в два с лишним раза превышают эти показатели в нижней части камеры — отсюда следовало, что все частицы движутся сверху вниз. Этот же прием доказал, что частицы с аномальной закруткой не могут быть протонами — те бы застряли в свинцовом экране.

В конце концов Андерсон пришел к выводу, что почти все аномальные треки принадлежат каким-то легким частицам с положительным зарядом. Однако Милликен в это не поверил, а Андерсон без одобрения шефа не хотел публиковаться в научной печати. Поэтому он ограничился коротким письмом в популярный журнал Science News Letter и приложил к нему фотографию аномального трека. Согласившийся с интерпретацией Андерсона редактор предложил назвать новую частицу позитроном. Этот снимок был опубликован в декабре 1931 года.

Теперь вспомним, что Дирак обнародовал гипотезу о существовании антиэлектрона еще в сентябре. Однако и Андерсон, и Милликен почти ничего не знали о его теории и вряд ли понимали ее суть. Поэтому Андерсону не пришло в голову отождествить позитрон с дираковским антиэлектроном. Он еще долго пытался убедить Милликена в собственной правоте, но, так не достигнув успеха, в сентябре 1932 года опубликовал в журнале Science заметку о своих наблюдениях. Однако в этой работе речь идет все-таки не о двойнике электрона, а лишь о положительно заряженной частице неизвестного вида, масса которой много меньше массы протона.

Следующий шаг к идентификации антиэлектрона сделали в месте его предсказания — в Кембридже. Английский физик Патрик Блэкетт и его итальянский коллега Джузеппе Оккиалини занимались исследованием космических лучей в знаменитой Кавендишской лаборатории, возглавляемой великим Резерфордом. Оккиалини предложил оснастить камеру Вильсона электронной схемой (придуманной его соотечественником Бруно Росси), включавшей камеру в случае одновременного срабатывания счетчиков Гейгера, один из которых был установлен над камерой, а другой — под ней. К осени 1932 года партнеры получили около 700 фотографий треков, которые можно было приписать заряженным частицам космического происхождения. Среди них имелись и V-образные трековые пары, порожденные расходящимися в магнитном поле электронами и позитронами.

Блэкетт знал о предсказанном Дираком антиэлектроне, но не принимал его теорию всерьез. Сам Дирак тоже не разглядел своей гипотетической частицы на снимках Блэкетта. В итоге Блэкетт и Оккиалини правильно интерпретировали свои фотоснимки лишь позднее, когда ознакомились с сентябрьской публикацией Андерсона. Свои выводы они представили в статье со скромным заголовком «Фотографии треков проникающей радиации», добравшейся до редакции журнала Proceedings of the Royal Society 7 февраля 1933 года. К этому времени Андерсон узнал о конкурентах из Кавендиша и вполне адекватно изложил свои результаты в четырехстраничной статье «Положительный электрон», которая поступила в журнал Physical Review 28 февраля. Поскольку приоритет Андерсона был установлен предыдущими публикациями, он один и получил за открытие позитрона Нобелевскую премию (в 1936 году, совместно с первооткрывателем космических лучей Виктором Гессом). Блэкетт был удостоен этой награды 12 годами позже (с формулировкой «За усовершенствование методов наблюдений на камере Вильсона и за открытия в области ядерной физики и космической радиации»), а вот Оккиалини премией обошли — считается, что по политическим соображениям.

Вскоре исследования позитрона двинулись вперед семимильными шагами. Парижский физик Жан Тибо наблюдал электронно-позитронные пары земного происхождения, порожденные торможением в свинце гамма-квантов от радиоактивного источника. Он доказал, что у обеих частиц отношение заряда к массе по абсолютной величине совпадает с очень высокой точностью. В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри обнаружили, что позитроны возникают и при радиоактивном распаде. Так что к середине 30-х годов ХХ века существование предсказанных Дираком антиэлектронов превратилось в установленный факт.

Антинуклоны

Механизм порождения позитронов космическими лучами установлен давно. В основном первичное космическое излучение состоит из протонов с энергией более 1 ГэВ, которые при столкновениях с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы порождают пионы и прочие нестабильные частицы. Пионы дают начало новым распадам, в ходе которых появляются гамма-кванты, которые при торможении в веществе производят электронно-позитронные пары.

Достаточно быстрые протоны при столкновении с атомными ядрами способны непосредственно порождать антипротоны и антинейтроны. В середине ХХ века физики уже не сомневались в возможности подобных превращений и искали их следы во вторичных космических лучах. Результаты некоторых наблюдений вроде бы можно было интерпретировать как аннигиляцию антипротонов, но без полной уверенности. Поэтому американские физики предложили проект сооружения протонного ускорителя на 6 ГэВ, на котором, согласно теории, было возможно получить оба типа антинуклонов. Эта машина, названная беватроном, была запущена в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли в 1954 году. Спустя год Оуэн Чемберлен, Эмилио Сегре и их коллеги получили антипротоны, обстреливая протонами медную мишень. Еще через год другая группа физиков на той же установке зарегистрировала антинейтроны. В 1965 году в ЦЕРН и в Брукхейвенской национальной лаборатории были синтезированы ядра антидейтерия, сложенные из антипротона и антинейтрона. А вначале 1970-х из СССР пришло сообщение, что на 70-ГэВ протонном ускорителе Института физики высоких энергий синтезированы ядра антигелия-3 (два антипротона и антинейтрон) и антитрития (антипротон и два антинейтрона); в 2002 году несколько ядер легкого антигелия были получены и в ЦЕРН. Дальше дело пока не двинулось, так что синтез хотя бы одного ядра антизолота — дело неблизкого будущего.

Рукотворное антивещество

Ядра ядрами, но для настоящего антивещества требуются полноценные атомы. Простейший из них — атом антиводорода, антипротон плюс позитрон. Такие атомы были впервые созданы в ЦЕРН в 1995 году — через 40 лет после открытия антипротона. Вполне возможно, что это были первые атомы антиводорода за время существования нашей Вселенной после Большого взрыва — в природных условиях вероятность их рождения практически нулевая, а существование внеземных технологических цивилизаций все еще под вопросом.

Этот эксперимент был осуществлен под руководством немецкого физика Вальтера Олерта. В ЦЕРН тогда действовало накопительное кольцо LEAR, в котором хранились низкоэнергетические (всего-то 5,9 МэВ) антипротоны (оно проработало с 1984 по 1996 год). В эксперименте группы Олерта антипротоны направляли на струю ксенона. После столкновения антипротонов с ядрами этого газа возникали электронно-позитронные пары, и некоторые позитроны крайне редко (с частотой 10−17%!) объединялись с антипротонами в атомы антиводорода, движущиеся почти что со скоростью света. Незаряженные антиатомы больше не могли вращаться внутри кольца и вылетали по направлению к двум детекторам. В первом приборе каждый антиатом ионизировался, и освобожденный позитрон аннигилировал с электроном, порождая пару гамма-квантов. Антипротон уходил во второй детектор, который до исчезновения этой частицы успевал определить ее заряд и скорость. Сопоставление данных с обоих детекторов показало, что в эксперименте было синтезировано не меньше 9 атомов антиводорода. Вскоре релятивистские атомы антиводорода были созданы и в Фермилабе.

С лета 2000 года в ЦЕРН действует новое кольцо AD (Antiproton Decelerator). В него поступают антипротоны с кинетической энергией 3,5 ГэВ, которые замедляются до энергии в 100 МэВ и затем используются в разнообразных экспериментах. Антивеществом там занялись группы ATHENA и ATRAP, которые в 2002 году стали разово получать десятки тысяч атомов антиводорода. Эти атомы возникают в особых электромагнитных бутылках (так называемых ловушках Пеннинга), где смешиваются поступающие из AD антипротоны и рождающиеся при распаде натрия-22 позитроны. Правда, жизнь нейтральных антиатомов в такой ловушке измеряется всего лишь микросекундами (зато позитроны и антипротоны могут храниться там месяцами!). В настоящее время отрабатываются технологии более длительного хранения антиводорода.

В беседе с «ПМ» руководитель группы ATRAP (проект ATHENA уже завершен), профессор Гарвардского университета Джеральд Габриэлс подчеркнул, что, в отличие от LEAR, установка AD позволяет синтезировать относительно медленные (как говорят физики, холодные) атомы антиводорода, с которыми намного проще работать. Сейчас ученые пытаются еще сильнее охладить антиатомы и перевести их позитроны на уровни с меньшей энергией. Если это получится, то появится возможность дольше удерживать антиатомы в силовых ловушках и определять их физические свойства (к примеру, спектральные характеристики). Эти показатели можно будет сопоставить со свойствами обычного водорода и понять наконец, чем антивещество отличается от вещества. Работы еще непочатый край.