Этот документ использован в разделеТЕОРИИ.

Антивещество

31.08.2001 15:27 | "Физическая Энциклопедия"/Phys.Web.Ru

Антивещество - материя, состоящая из античастиц. Ядра атомов антивещества "построены" из антинуклонов, а внешняя оболочка - из позитронов. Возможность существования антивещества следует из инвариантности законов природы относительно преобразования CPT (см. Теорема CPT). Вследствие инвариантности сильного взаимодействия относительно зарядового сопряжения (C-инвариантности) ядерное взаимодействие между антинуклонами в точности совпадает с соответствующим взаимодействием между нуклонами, что обеспечивает существование ядер из антинуклонов ("антиядер"). Антиядра обладают массой и энергетическим спектром такими же, как у ядер, состоящих из соответствующих нуклонов. Электрические заряды и магнитные моменты антиядер равны по величине и противоположны по знаку электрическим зарядам и магнитным моментам соответствующих ядер. Вследствие C-инвариантности электромагнитного взаимодействия электромагнитные переходы в ядрах вещества и антивещества совпадают. Электромагнитное взаимодействие позитронов и ядер антивещества должно приводить к образованию связанных состояний - атомов антивещества, причем атомы антивещества и вещества должны иметь идентичную структуру. Вследствие CP-инвариантности слабого взаимодействия обусловленное им смешивание атомных или ядерных состояний с противоположной четностью одинаково для вещества и антивещества.

Столкновение объекта, состоящего из вещества, с объектом из антивещества приводит к аннигиляции входящих в их состав частиц и античастиц. Аннигиляция медленных электронов и позитронов ведет к образованию гамма-квантов, а аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов - к образованию нескольких пи-мезонов. В результате последующих распадов $\pi^0$ -мезонов образуется жесткое гамма-излучение с энергией гамма-квантов $\gtrsim$ 70 МэВ.

Атомы антивещества пока не наблюдались. В экспериментах на ускорителях были зарегистрированы события образования легких антиядер в столкновениях адронов, В 1965 группа американских физиков под руководством Л.М.Ледермана (L.М.Lederman) наблюдала события образования ядер антидейтерия, в 1970 на протонном синхротроне Института физики высоких энергий в Протвино (близ г. Серпухов) группа советских физиков под руководством Ю.Д.Прокошкина зарегистрировала несколько событий образования ядер антигелия-3.

На Земле, в Солнечной системе и в непосредственно окружающем Солнечную систему космическом пространстве отсутствует сколько-нибудь заметное количество антивещества. Наблюдаемые в космических лучах позитроны и антипротоны можно объяснить их рождением при столкновениях частиц высоких энергий без привлечения гипотез о существовании макроскопических областей антивещества. В пользу этого указывает и отсутствие ядер антивещества в космических лучах. Непосредственное астрономическое наблюдение удаленного космического объекта из-за тождественности спектров электромагнитного излучения атомов вещества и антивещества не позволяет установить, состоит этот объект из вещества или антивещества. Астрономические проявления звезд из вещества и звезд из антивещества должны быть одинаковыми. Однако при наличии звезд из антивещества различные механизмы потери массы звездами приводили бы к появлению антивещества в межзвездной среде и его аннигиляции с межзвездным газом. Отсутствие интенсивного гамма-излучения, которое должно было бы наблюдаться при такой аннигиляции, налагает жесткое ограничение на концентрацию антивещества в галактиках (меньше 10^-15 от концентрации вещества) и в скоплениях галактик (меньше 10^-6 от концентрации вещества), т. е. наблюдательные данные гамма-астрономии указывают на отсутствие заметного количества антивещества в окружающем нас космическом пространстве вплоть до ближайшего скопления галактик.

Необходимость объяснить отсутствие сильного смешивания вещества и антивещества в космических масштабах, меньших скоплений галактик, является существенной трудностью космологических моделей, предполагающих равное количество вещества и антивещества во Вселенной. С другой стороны, анализ космологических следствий калибровочных теорий великого объединения взаимодействий, предсказывающих процессы с несохранением барионного числа, показывает, что неравновесные эффекты нарушения CP-инвариантности в таких процессах на очень ранних стадиях эволюции Вселенной (до первой секунды расширения) могли привести к барионной асимметрии Вселенной к преобладанию во Вселенной вещества. Однако возможность существования макроскопических областей антивещества не является пока окончательно исключенной наблюдениями. Такую возможность допускают и некоторые модели великого объединения со спонтанным нарушением CP-инвариантности, которые предсказывают существование макроскопических областей с преобладанием антивещества.

Проверка существования звезд из антивещества может быть в принципе осуществлена средствами нейтринной астрономии. Образование нейтронных звезд сопровождается превращением электронов и протонов в нейтроны с испусканием электронных нейтрино. В звездах из антивещества соответствующий процесс является источником электронных антинейтрино. Поэтому регистрация потоков космических антинейтрино с временными и энергетическими характеристиками, ожидаемыми для потоков нейтрино, образующихся при гравитационном коллапсе в нейтронную звезду, служило бы указанием на образование антинейтронных звезд. Более точная информация о том, происходила ли аннигиляция антивещества в ранней Вселенной, может быть получена из анализа ее возможного влияния на химический состав вещества, наблюдаемый в наше время. Экспериментальный базис такого анализа составляют проводимые в ЦЕРНе с 1983 эксперименты советских и итальянских ученых по исследованию взаимодействия антипротонов с легкими ядрами.

Публикации с ключевыми словами: антивещество
Публикации со словами: антивещество
См. также:

Галактика истекает антивеществом

Автор: Игорь Гордиенко
Опубликовано в журнале "Компьютерра" №19 от 12 мая 1997 года.

Открытие

Благодаря недавнему открытию, сделанному группой американских ученых, представление об устройстве нашей родной Галактики наверняка изменится. Ученые из Северо-Западного университета (Northwestern University), расположенного в Эванстоне (Иллинойс), Морской исследовательской лаборатории (Вашингтон) и еще нескольких научных учреждений США обнаружили существование потока антиматерии, выбрасываемого из центра нашей Галактики перпендикулярно ее плоскости на расстояние 3 тыс. световых лет. Максимальный диаметр выброса составляет 4 тыс. световых лет.

Открытие было обнародовано 28 апреля на 4-м Комптоновском симпозиуме, проходившем в Уильямсбурге (Виргиния), где присутствовало более двухсот специалистов по астрофизике гамма-излучений. В полном объеме результаты будут опубликованы в "Astrophisical Journal".

Выброс антиматерии был обнаружен в результате обработки данных, получаемых с ноября 1996 года от направленного сцинтилляционного спектрометра (OSSE - Oriented Scintillation Spectrometer Experiment), установленного на спутнике-обсерватории CGRO (Compton Gamma Ray Observatory). Этот спутник, принадлежащий NASA, был выведен на орбиту шаттлом в 1991 году. Он предназначен для обнаружения, измерения и регистрации космических гамма-излучений. OSSE обеспечивает чувствительность в десять раз большую, нежели любые другие существующие приборы такого рода.

Исследователи изучали карты и снимки галактических источников гамма-излучений, полученных с CGRO, на которых, как и ожидалось, были обозначены известные области антиматерии, лежащие в плоскости галактики в центральной ее части. Неожиданностью, то есть открытием, стало то, что на картах было обнаружено компактное облако антиматерии, которое вырывалось из центра галактики перпендикулярно ее плоскости.

Д-р Чарльз Дермер (Charles Dermer), руководитель исследовательской группы из NRL, так комментировал свои впечатления от обнаруженного феномена: "Это было похоже на то, как будто в доме, в котором ты жил с детства, внезапно обнаружилась еще одна комната. Причем эта комната оказалась не пуста: в ней находится что-то вроде генератора или бойлерного котла, который испускает поток антиматерии".

Вспомним то, что знаем

Как известно, нашу Галактику, которая относится к классу спиральных, можно представить в виде диска с шарообразным утолщением в центральной части. Диаметр Галактики условно считается равным 100 тыс. световых лет. Солнечная система примерно на 25 тыс. световых лет удалена от центра Галактики, который можно было бы обнаружить на ночном небе в направлении созвездия Стрельца. К сожалению, блистательное ядро недоступно нашему взору из-за огромных пространств, заполненных космической пылью и газом. Поэтому мы видим только сечение галактического диска, которое и есть Млечный путь.

В центре Галактики существует гигантская черная дыра, имеющая массу миллионов солнц, вблизи которой протекают невообразимые процессы образования новых звезд, дуют мощные потоки газов - звездные ветры, взрываются сверхновые. Эту область специалисты называют "Великий Аннигилятор".

Не менее известно, что материя нашей Вселенной состоит из атомов, которые, в свою очередь, построены из базовых элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Антивещество построено из атомов, в которых вместо частиц - античастицы, в некотором смысле противоположные частицам нашего мира. Например, если электрон представляет собой элементарный отрицательный заряд, то его двойник в антивеществе (позитрон) несет такой же по величине, но положительный заряд. Антивещество почти невозможно обнаружить в пространстве непосредственно, поскольку в вакууме оно себя никак не проявляет. А вступая в контакт с обычной материей, антивещество (вместе с веществом) уничтожается в процессе аннигиляции, сопровождающемся гамма-излучением. Гамма-лучи имеют энергию 511 кэВ, что в 250 тыс. раз больше, чем энергия фотонов видимого света.

Атмосфера Земли космические гамма-лучи почти не пропускает. Поэтому и приходится выводить гамма-измерительные астрофизические инструменты в космос. В начале 70-х стало технически возможным начать регистрацию гамма-излучения, исходящего из центра Галактики. К удивлению астрофизиков, в начале 80-х поток гамма-излучения из центра почему-то намного уменьшился. Это может означать только то, что позитроны в центре Галактики "производятся" небольшими, дискретными источниками.

Откуда антивещество?

Позитроны - редкие посетители нашей Вселенной. Антиматерия в виде антипротонов или целых антиатомов вообще никогда не обнаруживалась в естественных условиях: она была синтезирована в лабораторных экспериментах. Существует несколько естественных путей возникновения позитронов в космосе.

Например, распад природных радиоактивных элементов. Сами радиоактивные элементы непрерывно образуются при протекании термоядерных реакций в таких космических объектах, как сверхновые, новые, звезды Вольфа-Рейета, то есть в больших звездах, имеющих фиолетовую спектральную характеристику поверхности. А поскольку такие объекты довольно типичны для нашей Галактики, то радиоактивных материалов - а следовательно, и позитронов - должно хватать. Кстати, все радиоактивные вещества на Земле - звездного происхождения.

Другой причиной возникновения позитронов является распад материи в условиях чрезвычайно сильного гравитационного поля, которое должно существовать в черных дырах. По мере затягивания в черную дыру температура материи растет - до тех пор пока не произойдет полный распад, при котором высвободятся электроны и позитроны, вырывающиеся из дыры на бешеных скоростях.

Количество позитронов, производимых черной дырой, может значительно меняться во времени (конечно, по космической временной шкале), поскольку все зависит от того, когда очередной кусок материи от ближайших звезд будет затянут в дыру. А вот количество позитронов, производимых общими процессами распада радиоактивных элементов, остается в Галактике почти неизменным.

Третьей причиной возникновения позитронов может быть то, что в области центра Галактики на протяжении последнего миллиона лет сливаются две массивные нейтронные звезды. Никем не доказано, но общепризнано, что процесс слияния может быть источником многих загадочных явлений, связанных с гамма-излучением, ставящим в тупик астрономов вот уже более двадцати лет.

Мнения специалистов

После совершенного открытия, пытаясь объяснить механизм происхождения необычного потока антивещества, ученые начали строить догадки и выдвигать теории, которые и были преподнесены на симпозиуме. Сразу скажем, что никакого вразумительного и окончательного объяснения истечению антивещества из Галактики пока никто не предложил. Высказываются предположения, что это явление связано с мощными процессами образования новых звезд, происходящими вблизи черной дыры. Другие объясняют это электромагнитными бурями, стекающими с поверхностей гигантских звезд и образующими общий поток антиматерии. Любители покопаться в черных дырах отстаивают существование генераторов антиматерии непосредственно внутри них.

Один из главных авторов открытия, д-р Уильям Перселл (William Percell) из Северо-Западного университета, сообщил на симпозиуме о том, что, по его мнению, облака антиматерии являются следствием шквала взрывов звезд, который прокатился вблизи черной дыры около миллиона лет назад. Как он сказал, это можно представить как хлопок большего пузыря, расположенного в центре Галактики.

Наиболее философское объяснение происходящему дал д-р Джеймс Керфесс (James Kurfess), руководитель отделения астрофизики космических и гамма-излучений при NRL. Он предположил, что причинами выброса антиматерии могут быть и взрывы звезд, и истечение вещества из черной дыры, и длящееся уже миллион лет слияние двух нейтронных звезд, и другие пока неизвестные причины.

Отвечая на вопрос, почему выброс имеется только с одной стороны галактического диска, д-р Дермер сравнил центр Галактики со скороваркой, у которой давлением пара (взрывающихся звезд) сорвало крышку.

Спите спокойно!

Ученые уверены в том, что в высшей степени маловероятно, что загадочные потоки антиматерии когда-либо достигнут Земли. Но даже если бы это и произошло, то никакого вреда не было бы - поскольку облако чрезвычайно разрежено и плотность антивещества в нем ничтожно мала. Вот разве что энергетические и коммуникационные системы могут всех удивить и огорчить своим поведением… как это уже много раз случалось.

Впервые науке удалось провести оценку атомов антивещества. они оказались более медлительнее, чем обычные, но зато более энергонасыщеннее.

Взято из http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/3999.html

Впервые были проведены исследования с целыми атомами антивещества. Что дали первые результаты? Какие вопросы и проблемы помогут решить знания, полученные по результатам этих исследований?

В первую очередь эти результаты являются большим шагом на пути к практической проверки стандартных физических теорий о том, как функционирует Вселенная.

ATRAP (Антиводородная ловушка) Из-за своей неустойчивости, с антивеществом очень трудно работать, поскольку при соприкосновении с любыми частицами вещества происходит его аннигиляция. Сразу после становления Вселенной после Большого Взрыва, в течение нескольких лет образовалось первое "горячее" антивещество, которое вскоре было уничтожено при столкновении с обычным веществом, и изучать его в чистом естественном виде теперь нет возможности. Поэтому, можно только создать "холодное" антивещество, загнав его в ловушку из сильного магнитного поля.

В прошлом году исследовательская команда во главе с Джеральдом Габриелсом из Гарвардского Университета объявила, что с помощью ATRAP (Антиводородной ловушки) им удалось замедлить отрицательно заряженные антипротоны и объединить их с медленными позитронами, - положительно заряженным эквивалентом антивещества электронов, и этим создать окружающую среду для формирования самого простого антиатома - антиводорода.

В настоящее время успехи ученых привели к тому, что уже удалось осуществить первые замеры характеристик полноценного антиводородного атома. Для этого пришлось взять с таким трудом полученные антиатомы и разорвать их с помощью электрического поля.

Оценка той напряженности электрического поля, при которой антиатом был разорван на части, показала, насколько сильно антиатом имеет цельную структуру по сравнению с обычным атомом вещества.

Результаты исследований этих процессов детально описаны в ноябрьском выпуске журнала Physical Review Letters. Эти первые измерения пока не смогли дать информацию о том, как антиводород и водород соединены вместе, но Габриелс говорит, что обнаружил различия, более детальные сведения о которых будут получены путем последующих измерений антиатомов в более нормальном состоянии. По оценкам, не смотря на то, что антиатомы довольно медлительны в своем движении, по сравнению с обычным веществом, их позитроны возбуждаются до необычно высоких уровней энергии.

Следующим шагом исследователей станет "девозбуждение" антиатомов, чтобы сравнить их физические свойства со свойствами атомов водорода обычного вещества.

Согласно Габриелсу, теория гласит и они ожидают, что свойства водорода и антиводорода, окажутся одинаковыми, поскольку эти элементы представляют собой зеркальное отражение друг друга. Если обнаружатся различия, то это будет говорить о том, что существующие основные законы физики придется пересматривать.

Пока также нет объяснению причин того, почему при образовании Вселенной, обычное вещество вскоре стало доминировать и полностью уничтожило все антивещество. И если исследователи найдут даже малые различия в свойствах вещества и антивещества, они хоть и поломают все наши основные законы физики, но зато помогут решить эту загадку.

/////////////////////////////////////////////// Источник : «Химия и жизнь», 2002, № 10, «Химия и жизнь», 2003, № 1 http://www.hij.ru/default.htm
http://www.nlo.pizdec.net/perst.isssph.kiae.ru/Inform/perst/2002/2_19/index.htm

Как долететь до Марса за месяц?

Для этого нужно придать космическому кораблю хороший импульс. Увы, лучшее имеющееся в распоряжении человека топливо - ядерное дает удельный импульс в 3000 секунд, и полет растягивается на долгие месяцы. А нет ли под рукой чего-то более энергичного? Теоретически есть: термоядерный синтез; он обеспечивает импульс в сотни тысяч секунд, а использование антивещества позволит получить импульс в миллионы секунд.

Ядра антивещества построены из антинуклонов а внешняя оболочка состоит из позитронов. Вследствие инвариантности сильного взаимодействия относительно зарядового сопряжения (C-инвариантности) антиядра обладают массой и энергетическим спектром такими же, как у ядер, состоящих из соответствующих нуклонов, причем атомы антивещества и вещества должны иметь идентичную структуру и химические свойства, с одним единственным НО, столкновение объекта, состоящего из вещества, с объектом из антивещества приводит к аннигиляции входящих в их состав частиц и античастиц.

Аннигиляция медленных электронов и позитронов ведет к образованию гамма-квантов, а аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов - к образованию нескольких пи-мезонов. В результате последующих распадов мезонов образуется жесткое гамма-излучение с энергией гамма-квантов более 70 МэВ.

Антиэлектроны (позитроны) были предсказаны П. Дираком и вслед за этим экспериментально обнаружены в “ливнях” П. Андерсоном, даже не знавшем тогда о предсказании Дирака. Это открытие было отмечено Нобелевской премий по физике 1936 г. Антипротон был открыт в 1955 г. на “Беватроне” в Беркли, что также было удостоено Нобелевской премии. В 1960 там же обнаружили антинейтрон. С введением в действие Серпуховского ускорителя и нашим физикам кое в чем удалось выйти вперед – в 1969 году там были открыты ядра антигелия. Но атомы антивещества получит не удавалось. Да если быть откровенным, то и античастиц за все время существования ускорителей получили ничтожные количества - всех антипротонов, синтезированных в ЦЕРНе за год, хватит на работу одной электрической лампочки в течение нескольких секунд.

Первое сообщение о синтезе девять атомов антивещества - антиводорода в рамках проекта «ATRAP» (ЦЕРН) появилось в 1995 году . Просуществовав примерно 40 нс, эти единичные атомы погибли, выделив положенное количество излучения (что и было зарегистрировано). Цели были ясны и оправдывали усилия, задачи определены, и в 1997 году, вблизи Женевы, благодаря международной финансовой помощи, ЦЕРН начал строительство десселератора (не будем его переводить неблагозвучным эквивалентом “тормозитель”), который позволил замедлить («охладить») антипротоны еще в десять миллионов раз по сравнению с установкой 1995 года. Это устройство, названное «Антипротонный замедлитель» (AD) вступило в строй в феврале 2002 года.

Установка - после выхода антипротонов из замедляющего кольца - состоит из четырех основных частей: ловушки для захвата антипротонов, накопителя позитронов, ловушки-смесителя и детектора антиводорода. Поток антипротонов вначале тормозится с помощью микроволнового излучения, затем охлаждается в результате теплообмена с потоком низкоэнергетических электронов, после чего попадает в ловушку - смеситель, где находится при температуре 15 К. Позитронный накопитель последовательно замедляет, захватывает и накапливает позитроны от радиоактивного источника; около половины из которых попадает в ловушку-смеситель, где они дополнительно охлаждаются синхротронным излучением. Все это необходимо для значительного повышения вероятности образования атомов антиводорода.

На «Антипротонном замедлителе» и началась жесткая конкуренция двух групп ученых, участников экспериментов «ATHENA» (39 ученых из разных стран мира) и «ATRAP».

В номере Nature (Nature 2002, vol.419, p.439, ibid p.456) вышедшем 3 октября 2002 года., участники эксперимента «ATHENA» заявили, что им удалось получить 50 000 атомов антивещества - антиводорода. Наличие атомов антивещества фиксировали в момент их аннигиляции, свидетельством которой считали пересечение в одной точке следов двух жестких квантов, образовавшихся при электрон-позитронной аннигиляции, и следов пионов, получившихся при аннигиляции антипротона и протона. Был получен первый “портрет” антивещества ( фото в начале) - синтезированное из таких точек компьютерное изображение. Поскольку аннигилировали только те атомы, которые “выскользнули” из ловушки (а таких, достоверно пересчитанных, оказалось всего 130), заявленные 50 000 атомов антиводорода лишь создают невидимый фон “портрета”.

Проблема в том, что аннигиляция антиводорода регистрировалась на общем, более сильном фоне аннигиляций позитронов и антипротонов. Это, естественно, вызвало здоровый скепсис коллег из смежного конкурирующего проекта «ATRAP». Они, в свою очередь синтезировав антиводород на той же установке, смогли с помощью сложных магнитных ловушек зарегистрировать атомы антиводорода без какого-либо фонового сигнала. Образовавшиеся в эксперименте атомы антиводорода становились электрически нейтральными и в отличие от позитронов и антипротонов могли свободно покидать ту область, где удерживались заряженные частицы. Вот там, без фона, их и регистрировали.

По оценкам, в ловушке образовалось примерно 170 000 атомов антиводорода, о чём исследователи и рассказали в статье опубликованной в «Physical Review Letters».

И это уже успех. Теперь полученного количества антиводорода вполне может хватить для изучения его свойств. Для атомов антиводорода, например, предполагается измерение частоты электронного перехода 1s-2s (из основного состояния в первое возбужденное) методами лазерной спектроскопии высокого разрешения. (Частота этого перехода в водороде известна с точностью до 1.8·10^–14 - не зря же водородный мазер считается стандартом частоты.) Согласно теории, они должны быть таким же, как и у обычного водорода. Если же, например спектр поглощения, окажется другим, то придется вносить коррективы в фундаментальные основы современной физики.

Но интерес к антивеществу - антиматерии отнюдь не чисто теоретический. Двигатель на антивеществе может работать , например следующим образом. Сначала создают два облака из нескольких триллионов антипротонов, которые от соприкосновения с материей удерживает электромагнитная ловушка. Потом между ними вводят частичку топлива весом в 42 нанограмма. Она представляет собой капсулу из урана-238, в которую заключена смесь дейтерия и гелия-3 или дейтерия и трития.

Антипротоны моментально аннигилируют с ядрами урана и вызывают их распад на фрагменты. Эти фрагменты, вместе с образовавшимися гамма-квантами, так сильно разогревают внутренность капсулы, что там начинается термоядерная реакция. Ее продукты, обладающие огромной энергией, еще сильнее разгоняются магнитным полем и улетают через сопло двигателя, обеспечивая космическому кораблю не-
слыханную тягу.

Что же касается полета к Марсу за один месяц, то для него американские физики рекомендуют использовать другую технологию - ядерное деление, катализируемое антипротонами. Тогда на весь полет потребуется 140 нанограммов антипротонов, не считая радиоактивного топлива.