Jak polecieć na Marsa za miesiąc? Aby to zrobić, musisz wzmocnić statek kosmiczny. Niestety, najlepsze paliwo dostępne człowiekowi - atomowe daje specyficzny impuls 3000 sekund, a lot rozciąga się na wiele miesięcy. Czy nie ma pod ręką czegoś bardziej energicznego? Teoretycznie istnieje: fuzja termojądrowa; zapewnia impuls o długości setek tysięcy sekund, a użycie antymaterii zapewni impuls o długości milionów sekund.
Jądra antymaterii zbudowane są z antynukleonów, a zewnętrzna powłoka składa się z pozytonów. Ze względu na niezmienność oddziaływań silnych w odniesieniu do sprzężenia ładunku (niezmienniczość C), przeciwjądra mają widmo masowe i energetyczne takie samo jak jądra składające się z odpowiednich nukleonów, a atomy antymaterii i materii muszą mieć identyczną strukturę i właściwości chemiczne, przy pojedynczym HO, zderzenie obiektu składający się z materii obiekt antymaterii prowadzi do anihilacji cząstek i antycząstek wchodzących w ich skład.
Anihilacja wolnych elektronów i pozytonów prowadzi do powstania kwantów gamma, a anihilacja wolnych nukleonów i antynukleonów prowadzi do powstania kilku mezonów pi. W wyniku kolejnych rozpadów mezonów powstaje twarde promieniowanie gamma o energii kwantów gamma powyżej 70 MeV.
Antyelektrony (pozytony) zostały przewidziane przez P. Diraca, a następnie odkryte eksperymentalnie w „deszczach” przez P. Andersona, który wówczas nawet nie wiedział o przewidywaniach Diraca. Odkrycie to zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1936 roku. Antiproton został odkryty w 1955 roku w Bevatron w Berkeley, który również otrzymał Nagrodę Nobla. W 1960 roku odkryto tam antineutron. Wraz z uruchomieniem akceleratora Serpukhov również naszym fizykom udało się w pewnym sensie wyprzedzić - w 1969 roku odkryto tam jądra przeciwbłonkowe. Nie udało się jednak uzyskać atomów antymaterii. Szczerze mówiąc, przez cały okres istnienia akceleratorów antycząstki otrzymywały znikome ilości - wszystkie antyprotony zsyntetyzowane w CERN w ciągu roku wystarczą na kilkusekundowe działanie jednej żarówki.
Pierwsza wiadomość o syntezie dziewięciu atomów antymaterii - przeciwwodoru w ramach projektu ATRAP (CERN) pojawiła się w 1995 roku. Istniały przez około 40 ns, te pojedyncze atomy umarły, uwalniając określoną ilość promieniowania (która została zarejestrowana). Cele były jasne i uzasadnione, zadania zostały określone, aw 1997 roku pod Genewą, dzięki międzynarodowej pomocy finansowej, CERN rozpoczął budowę deseleratora (nie tłumaczmy tego dysonansowym odpowiednikiem „inhibitora”), co pozwoliło spowolnić („ostudzić”) antyprotony z powrotem w dziesięć milionów razy w porównaniu z instalacją z 1995 roku. Urządzenie to, zwane Antiproton Moderator (AD), weszło do służby w lutym 2002 roku.
Układ - po opuszczeniu przez antyprotony pierścienia spowalniającego - składa się z czterech głównych części: pułapki do wyłapywania antyprotonów, pierścienia magazynującego pozytrony, pułapki mieszającej i detektora anty-wodoru. Strumień antyprotonu jest najpierw hamowany przez promieniowanie mikrofalowe, następnie schładzany w wyniku wymiany ciepła ze strumieniem niskoenergetycznych elektronów, po czym wpada do pułapki - miksera, gdzie ma temperaturę 15 K. Zasobnik pozytonów sukcesywnie zwalnia, wychwytuje i gromadzi pozytrony z radioaktywnego źródła; około połowa z nich wpada do pułapki mieszającej, gdzie są dodatkowo chłodzone promieniowaniem synchrotronowym. Wszystko to jest konieczne, aby znacznie zwiększyć prawdopodobieństwo powstania atomów przeciwwodoru.
U Moderatora Antyprotonu rozpoczęła się ostra rywalizacja dwóch grup naukowców, uczestników eksperymentów ATHENA (39 naukowców z różnych krajów świata) i ATRAP.
W Nature 2002, vol. 419, s. 439, tamże s. 456) opublikowanym 3 października 2002 r. W eksperymencie ATHENA stwierdzono, że udało im się uzyskać 50 000 atomów antymaterii - przeciwwodoru. Obecność atomów antymaterii odnotowano w momencie ich anihilacji, o czym świadczy przecięcie w jednym punkcie śladów dwóch twardych kwantów powstałych podczas anihilacji elektron-pozyton oraz ślady pionów wynikające z anihilacji antyprotonu i protonu. Uzyskano pierwszy „portret” antymaterii (zdjęcie na początku) - komputerowy obraz zsyntetyzowany z takich punktów. Ponieważ tylko te atomy, które „wymknęły się” z pułapki, zostały anihilowane (a było ich tylko 130 wiarygodnie policzonych), zadeklarowane 50 000 atomów przeciwwodoru tworzy tylko niewidoczne tło „portretu”.
Film promocyjny:
Problem w tym, że anihilacja antywodoru została zarejestrowana na ogólnym, silniejszym tle anihilacji pozytonów i antyprotonów. To oczywiście wywołało zdrowy sceptycyzm wśród kolegów z sąsiedniego konkurencyjnego projektu ATRAP. Oni z kolei, po zsyntetyzowaniu przeciwwodoru w tym samym obiekcie, byli w stanie zarejestrować atomy przeciwwodoru za pomocą złożonych pułapek magnetycznych bez żadnego sygnału tła. Atomy przeciwwodoru powstałe w eksperymencie stały się elektrycznie obojętne i w przeciwieństwie do pozytonów i antyprotonów mogły swobodnie opuszczać obszar, w którym trzymane były naładowane cząstki. To tam, bez tła, zostali zarejestrowani.
Szacuje się, że w pułapce powstało około 170 000 atomów przeciwwodoru, o czym naukowcy donoszą w artykule opublikowanym w Physical Review Letters.
I to już jest sukces. Teraz otrzymana ilość przeciwwodoru może wystarczyć do zbadania jego właściwości. Na przykład w przypadku atomów przeciwwodoru proponuje się pomiar częstotliwości przejścia elektronowego 1s-2s (od stanu podstawowego do pierwszego stanu wzbudzonego) metodami wysokorozdzielczej spektroskopii laserowej. (Częstotliwość tego przejścia w wodorze znana jest z dokładnością do 1,8 · 10-14 - nie bez powodu maser wodorowy jest uważany za wzorzec częstotliwości). Zgodnie z teorią powinny one być takie same jak w zwykłym wodorze. Jeśli na przykład widmo absorpcji okaże się inne, będziesz musiał dostosować się do podstawowych podstaw współczesnej fizyki.
Ale zainteresowanie antymaterią - antymateria nie jest bynajmniej czysto teoretyczna. Silnik na antymaterię może działać na przykład w następujący sposób. Najpierw powstają dwie chmury kilku bilionów antyprotonów, które są powstrzymywane przed dotknięciem materii przez pułapkę elektromagnetyczną. Następnie między nimi wtryskiwana jest 42-nanogramowa cząsteczka paliwa. Jest to kapsuła uranu-238 zawierająca mieszaninę deuteru i helu-3 lub deuteru i trytu.
Antyprotony natychmiast niszczą jądra uranu i powodują ich rozpad na fragmenty. Fragmenty te wraz z powstałymi kwantami gamma nagrzewają wnętrze kapsuły do tego stopnia, że rozpoczyna się tam reakcja termojądrowa. Jego produkty, które mają ogromną energię, są jeszcze bardziej przyspieszane przez pole magnetyczne i uciekają przez dyszę silnika, zapewniając statkowi kosmicznemu niespotykany ciąg.
Jeśli chodzi o lot na Marsa za miesiąc, amerykańscy fizycy zalecają do tego inną technologię - rozszczepienie jądrowe katalizowane przez antyprotony. Wtedy cały lot będzie wymagał 140 nanogramów antyprotonów, nie licząc paliwa radioaktywnego.
Nowe pomiary przeprowadzone w Stanford Research Center (Kalifornia), gdzie zainstalowany jest liniowy akcelerator cząstek, umożliwiły naukowcom postęp w odpowiedzi na pytanie, dlaczego we wszechświecie materia dominuje nad antymaterią.
Wyniki eksperymentu potwierdzają wcześniejsze przypuszczenia o rozwoju nierównowagi tych przeciwstawnych bytów. Jednak naukowcy twierdzą, że przeprowadzone badania przyniosły więcej pytań niż odpowiedzi: eksperymenty z akceleratorem nie mogą dostarczyć pełnego wyjaśnienia, dlaczego w kosmosie jest tak dużo materii - miliardy galaktyk wypełnionych gwiazdami i planetami.
Naukowcy pracujący z akceleratorem zmierzyli parametr znany jako sinus dwóch beta (0,74 plus minus 0,07). Wskaźnik ten odzwierciedla stopień asymetrii między materią a antymaterią.
W wyniku Wielkiego Wybuchu powinna powstać taka sama ilość materii i antymaterii, które następnie unicestwiły i pozostawiły tylko energię. Jednak wszechświat, który obserwujemy, jest niepodważalnym dowodem zwycięstwa materii nad antymaterią.
Aby zrozumieć, jak to się może stać, fizycy przyjrzeli się efektowi zwanemu naruszeniem równości ładunku. Aby zaobserwować ten efekt, naukowcy zbadali mezony B i mezony anty-B, cząstki o bardzo krótkiej żywotności - bilionowych części sekundy.
Różnice w zachowaniu się tych absolutnie przeciwnych cząstek pokazują różnice między materią a antymaterią i częściowo wyjaśniają, dlaczego jedna dominuje nad drugą. Miliony mezonów B i anty-B wymaganych do eksperymentu powstały w wyniku zderzeń w akceleratorze wiązek elektronów i pozytonów. Pierwsze wyniki, uzyskane w 2001 roku, wyraźnie wskazują na naruszenie równości ładunków dla mezonów B.
„Było to ważne odkrycie, ale nadal trzeba zebrać wiele danych, aby zweryfikować sinus dwóch beta jako podstawową stałą w fizyce kwantowej” - powiedział Stewart Smith z Princeton University. „Nowe wyniki zostały ogłoszone po trzech latach intensywnych badań i analiz 88 milionów zdarzeń”.
Nowe pomiary są zgodne z tzw. „Modelem standardowym”, który opisuje cząstki elementarne i ich oddziaływania. Potwierdzony stopień naruszenia równości ładunków sam w sobie nie jest wystarczający do wyjaśnienia braku równowagi materii i antymaterii we wszechświecie.
„Najwyraźniej oprócz nierówności ładunków wydarzyło się coś jeszcze, co spowodowało przewagę materii zamienionej w gwiazdy, planety i żywe organizmy” - skomentował Hassan Jawahery, pracownik Uniwersytetu Maryland. „W przyszłości być może uda nam się to zrozumieć te ukryte procesy i odpowiedz na pytanie, co doprowadziło wszechświat do jego obecnego stanu, a to będzie najbardziej ekscytujące odkrycie."