Obiekty Wszechświata - galaktyki, gwiazdy, kwazary, planety, supernowe, zwierzęta i ludzie - składają się z materii. Tworzą go różne cząstki elementarne - kwarki, leptony, bozony. Okazało się jednak, że są cząsteczki, w których jedna część cech całkowicie pokrywa się z parametrami „oryginałów”, a druga ma przeciwne wartości. Ta właściwość skłoniła naukowców do nadania agregatowi takich cząstek ogólnej nazwy „antymateria”.
Stało się również jasne, że badanie tej tajemniczej substancji jest znacznie trudniejsze niż rejestracja. W naturze nie napotkano jeszcze antycząstek w stanie stabilnym. Problem polega na tym, że materia i antymateria unicestwiają się (wzajemnie unicestwiają) przy „kontakcie”. Uzyskanie antymaterii w laboratoriach jest całkiem możliwe, chociaż jej przechowywanie jest dość trudne. Jak dotąd naukowcy byli w stanie to zrobić tylko przez kilka minut.
Zgodnie z teorią Wielki Wybuch powinien był wyprodukować taką samą liczbę cząstek i antycząstek. Ale jeśli materia i antymateria anihilują się nawzajem, to powinny przestać istnieć w tym samym czasie. Dlaczego wszechświat istnieje?
„Ponad 60 lat temu teoria głosiła, że wszystkie właściwości antycząstek pokrywają się z właściwościami zwykłych cząstek w przestrzeni odbitej w lustrze. Jednak w pierwszej połowie lat 60. odkryto, że w niektórych procesach ta symetria nie jest zachowana. Od tego czasu powstało wiele modeli teoretycznych, przeprowadzono dziesiątki eksperymentów wyjaśniających to zjawisko. Obecnie najbardziej rozwinięte teorie mówią, że różnica w ilości materii i antymaterii wiąże się z tzw. Naruszeniem symetrii CP (od słów ładunek - „ładunek” i parzystość - „parzystość”). Ale nikt nie zna jeszcze wiarygodnej odpowiedzi na pytanie, dlaczego materia jest czymś więcej niż antymaterią”- wyjaśnia Aleksiej Żemczugow, profesor nadzwyczajny Wydziału Podstawowych i Stosowanych Problemów Fizyki Mikroświata Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii.
Historia antymaterii rozpoczęła się od równania ruchu elektronu, którego rozwiązania charakteryzowały się ujemną energią. Ponieważ naukowcy nie mogli sobie wyobrazić fizycznego znaczenia energii ujemnej, „wynaleźli” elektron o ładunku dodatnim, nazywając go „pozytonem”.
Stał się pierwszą antycząstką odkrytą eksperymentalnie. Instalacja rejestrująca promienie kosmiczne pokazała, że trajektoria ruchu niektórych cząstek w polu magnetycznym jest podobna do trajektorii elektronu - tylko one odchylają się w przeciwnym kierunku. Następnie odkryto parę mezon-antymon, zarejestrowano antyproton i antyneutron, a następnie naukowcy byli w stanie zsyntetyzować przeciwwodór i jądro przeciwbłonkowe.
Trajektorie ruchu elektronu i pozytonu w polu magnetycznym / Ilustracja RIA Novosti. Alina Polyanina
Co oznaczają te wszystkie „anty”? Zwykle używamy tego przedrostka do oznaczenia zjawiska przeciwnego. Jeśli chodzi o antymaterię - może zawierać analogi cząstek elementarnych, które mają przeciwny ładunek, moment magnetyczny i inne cechy. Oczywiście nie można odwrócić wszystkich właściwości cząstki. Na przykład masa i czas życia powinny zawsze pozostawać dodatnie, skupiając się na nich, cząstki można przypisać do jednej kategorii (na przykład protony lub neutrony).
Film promocyjny:
Jeśli porównamy proton i antyproton, to niektóre z ich cech są takie same: masa obu wynosi 938,2719 (98) megaelektronowoltów, spin ½ (spin nazywany jest wewnętrznym momentem pędu cząstki, który charakteryzuje jej rotację, podczas gdy sama cząstka jest w spoczynku). Ale ładunek elektryczny protonu wynosi 1, a antyproton ma minus 1, liczbę barionową (określa liczbę silnie oddziałujących cząstek składających się z trzech kwarków) odpowiednio 1 i minus 1.
Proton i antyproton / Ilustracja: RIA Novosti. Alina Polyanina
Niektóre cząstki, takie jak bozon Higgsa i foton, nie mają antyanalogów i nazywane są prawdziwie neutralnymi.
Większość antycząstek, wraz z cząstkami, pojawia się w procesie zwanym parowaniem. Utworzenie takiej pary wymaga dużej energii, czyli ogromnej prędkości. W naturze antycząstki powstają, gdy promienie kosmiczne zderzają się z ziemską atmosferą, wewnątrz masywnych gwiazd, obok pulsarów i aktywnych jąder galaktyk. Naukowcy używają do tego akceleratorów zderzaczy.
Część przyspieszająca Wielkiego Zderzacza Hadronów, w której następuje przyspieszanie cząstek / Zdjęcie: CERN
Badanie antymaterii ma praktyczne zastosowanie. Chodzi o to, że anihilacja materii i antymaterii generuje fotony o wysokiej energii. Powiedzmy, że bierzemy bank protonów i antyprotonów i zaczynamy stopniowo uwalniać je do siebie przez specjalną rurkę, dosłownie po jednym na raz. Unicestwienie jednego kilograma antymaterii wyzwala tyle samo energii, co spalenie 30 milionów baryłek ropy. Sto czterdzieści nanogramów antyprotonów wystarczyłoby na lot na Marsa. Problem polega na tym, że do wytworzenia i utrzymania antymaterii potrzeba jeszcze więcej energii.
Jednak antymateria jest już stosowana w praktyce, w medycynie. Pozytonowa tomografia emisyjna znajduje zastosowanie w diagnostyce w onkologii, kardiologii i neurologii. Metoda opiera się na dostarczaniu materii rozpadającej się wraz z emisją pozytonu do określonego organu. Na przykład substancja, która dobrze wiąże się z komórkami rakowymi, może działać jako środek transportu. W pożądanym obszarze powstaje zwiększone stężenie izotopów promieniotwórczych, a co za tym idzie pozytrony z ich rozpadu. Pozytony natychmiast anihilują wraz z elektronami. I możemy całkiem ustalić punkt zagłady, rejestrując kwanty gamma. W ten sposób za pomocą pozytonowej tomografii emisyjnej można wykryć podwyższone stężenie substancji transportowej w określonym miejscu.