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.

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.

В физике и химии антиматерия - это вещество, которое состоит из античастиц, то есть из антипротона (протон с отрицательным электрическим зарядом) и из антиэлектрона (электрон с положительным электрическим зарядом). Антипротон и антиэлектрон образуют атом антиматерии подобно тому, как электрон и протон образуют атом водорода.

Общее понятие о материи и антиматерии

Каждый знает ответ на вопрос о том, что такое материя, то есть это субстанция, которая состоит из молекул и атомов. Сами атомы, в свою очередь, состоят из электронов и ядер, образованных протонами и нейтронами. Понимание вопроса, что такое материя, дает возможность понять, что такое антиматерия. Под ней понимается субстанция, составляющие частицы которой имеют противоположный электрический заряд. В случае пары нейтрон-антинейтрон их заряды равны нулю, но магнитные моменты направлены противоположно.

Основное свойство антиматерии - это ее способность к аннигиляции при встрече с обычной материей. В результате контакта этих субстанций масса исчезает и полностью переводится в энергию. Согласно космической теории, во Вселенной существует равное количество материи и антиматерии, этот факт следует из теоретических рассуждений. Однако эти субстанции разделены между собой огромными расстояниями, поскольку любая их встреча приводит к грандиозным космическим феноменам уничтожения материи.

История открытия антиматерии

Антиматерия была открыта в 1932 году североамериканским физиком Карлом Андерсеном, который изучал космические лучи и смог обнаружить позитрон (античастица электрона). Благодаря этому открытию он получил Нобелевскую премию в 1936 году. Впоследствии были экспериментально открыты антипротоны. Это произошло в 2006 году благодаря запуску спутника "Памела", миссией которого было изучение частиц, испускаемых Солнцем.

Впоследствии человечество научилось самостоятельно создавать антиматерию. В результате многих экспериментов было показано, что столкновение материи и антиматерии уничтожает обе субстанции и порождает гамма-лучи. Эти экспериментальные выводы были предсказаны еще Альбертом Эйнштейном.

Использование антиматерии

Где может быть использована антиматерия? В первую очередь антиматерия - это отличное топливо. Всего одна капля антивещества способна дать энергию, которой будет достаточно для энергообеспечения крупного города в течение суток. Кроме того, этот источник энергии является экологически чистым.

В области медицины основное использование антиматерии - это томография позитронного излучения. Гамма-лучи, которые возникают в результате аннигиляции вещества и антивещества, используются для обнаружения раковых опухолей в организме. Также используют антивещество в терапии против раковых заболеваний. В настоящее время ведутся исследования по использованию антипротонов для полного уничтожения раковых тканей.

Сколько стоит грамм антиматерии и где ее хранить?

Производство антиматерии с помощью ускорителей элементарных частиц требует огромных энергетических затрат. Кроме того, антиматерию тяжело хранить, поскольку она при любом контакте с обычным веществом самоуничтожается. Поэтому хранят ее в сильных электромагнитных полях, которые также требуют больших энергетических затрат на их создание и поддержание.

В связи с вышесказанным можно сделать вывод, что антиматерия является самой дорогой субстанцией на земле. Ее грамм оценивается в 62,5 миллиарда долларов США. По другим оценкам, предоставленным ЦЕРН, чтобы создать одну миллиардную грамма антивещества, необходимо затратить несколько сотен миллионов швейцарских франков.

Космос - источник антиматерии

На данном этапе развития технологий искусственное создание антиматерии - это низкоэффективный и затратный способ. Ввиду этого ученые из НАСА планируют собирать магнитными полями антиматерию в поясе Ван Аллена Земли. Этот пояс находится на высоте нескольких сотен километров над поверхностью нашей планеты и имеет толщину в несколько тысяч километров. Эта область космоса содержит большое количество антипротонов, которые образуются в результате реакций элементарных частиц, вызванных столкновениями космических лучей в верхних слоях атмосферы Земли. В количество обычной материи невелико, поэтому антипротоны могут существовать в нем достаточно долгое время.

Другой источник антивещества - это аналогичные радиационные пояса вокруг планет-гигантов Солнечной системы: Юпитера, Сатурна, Нептуна и Урана. Особое внимание ученые уделяют Сатурну, который, по их мнению, должен производить большое количество антипротонов, возникающих в результате взаимодействия заряженных космических частиц с ледяными кольцами планеты.

Также ведутся работы в направлении более экономного хранения антивещества. Так, профессор Масаки Гори (Masaki Hori) заявил о разработанном методе удержания антипротонов с помощью радиочастот, что, по его словам, позволит значительно сократить размеры контейнера для антиматерии.

Догадка о существовании античастиц, антивещества, а возможно, даже антимиров появилась задолго до появления экспериментальных данных, указывающих на возможность их существования в природе.

1. Первые предположения существования антиматерии

Впервые понятие «антиматерия» было придумано английским физиком Артуром Шустером в 1898 году, почти сразу же после открытия Джозефом Томсоном электрона. Шустер очень хотел, чтобы в природе торжествовала симметрия. Электрон, как известно, - это отрицательно заряженная частица (тут, правда, следует оговориться, что решение, какой заряд называть положительным, а какой отрицательным, было результатом соглашения; ученые могли договориться и об обратном обозначении знаков зарядов, и ничего от этого не поменялось бы), и Шустер предположил существование симметричного аналога электрона, заряженного положительно и названного им антиэлектроном. Из его гипотезы сразу следовала идея существования антиатомов и антиматерии, откуда можно электрическим полем вытягивать придуманные им антиэлектроны в антиэксперименте анти-Томсона. В течение нескольких лет Шустер пытался убедить в правомерности своей догадки окружающих ученых («Почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, как наше», - писал он в своей статье в журнале Nature ), однако никто его аргументам не внял. Утвердившийся за много веков научный прагматизм подсказывал, что верить следует только эксперименту, а все, что экспериментом не подтверждается, - ненаучная фантазия. А эксперимент тогда неумолимо утверждал, что отрицательно заряженные электроны из вещества можно вытащить, а положительно заряженные не наблюдаются.

Идея Шустера была забыта, и антиматерию переоткрыл Поль Дирак лишь спустя 30 лет. Сделал он это тоже гипотетически, но был гораздо убедительней Шустера, показав, что существование антиматерии решает множество накопившихся нерешенных к этому моменту проблем. Прежде чем перейти к идеям Дирака, нам придется вспомнить, к каким новым выводам пришла физика за эти 30 лет.

2. Создание атома Нильсом Бором

В начале XX века возникла потребность переосмыслить законы физики. Сначала натолкнулись на невозможность описать спектр абсолютно черного тела, используя лишь законы Ньютона и Максвелла, а чуть позже выяснили, что классические законы не позволяют описать атом. Согласно химикам, атом неделим, и они со своей точки зрения абсолютно правы, поскольку во всех химических реакциях атомы просто «переезжают» из одной молекулы в другую, но, наверное, можно простить кощунство физиков, пожелавших этот атом сначала разложить на составляющие, а потом собрать согласно строгим законам физики. К 1913 году разложить атом получилось неплохо: ни у кого тогда уже не возникало сомнения, что, например, простейший атом водорода состоит из положительно заряженного протона, экспериментально открытого Резерфордом чуть позже, и электрона. Казалось бы, все необходимое для сборки атома есть: помимо протона и электрона, есть электрическая сила притяжения между ними, которая должна держать их вместе. Собрать атом получилось, а сохранять его долго в стабильном состоянии - нет: электрон неумолимо падал на протон и не желал оставаться на заданной орбите. Починить эту систему удалось Нильсу Бору, отказавшемуся ради этого от классических законов механики для описания систем на расстояниях порядка размера атома. Вернее, Бору пришлось отказаться от представления об электроне как о маленьком твердом заряженном шарике и представить его как рыхлое облако, а для его описания потребовалось создать новый математический аппарат, разработанный многими выдающимися физиками начала XX столетия и получивший название «квантовая механика».

К середине 1920-х годов квантовая механика, пришедшая на смену механике классической, когда требовалось описывать что-то очень маленькое, уже прочно утвердилась. Уравнение Шредингера, в самой основе которого лежат квантовые идеи, успешно описывало очень многие эксперименты, например эксперимент со спектром водородной лампы (разогретый водород светит не просто белым светом, а небольшим количеством спектральных линий), помещенной в магнитное поле, в котором каждая линия немножко расщепляется еще на несколько линий.

3. Проблема отрицательных энергий

К моменту, когда в квантовую механику безоговорочно поверили, сформировалась и другая теория - (релятивистская механика), которая работает с очень большими скоростями. Когда скорости тел сравнимы со скоростью света, законы механики Ньютона также необходимо подправить. Ученые попытались скрестить два предельных случая: большие скорости (теория относительности) и очень маленькие расстояния (квантовая механика). Оказалось, что ничего сложного нет в том, чтобы написать уравнение, удовлетворяющее и квантовой механике, и теории относительности. Обобщение уравнения Шредингера на случай релятивистских систем было предложено независимо Клейном, Гордоном и Фоком (последний - наш соотечественник). Вот только решения этого уравнения нас не очень устраивали. Один из парадоксов с решениями - парадокс Клейна: для очень быстрых частиц, ударяющихся о высокий барьер, от которого, по идее, они должны отражаться, вероятность перескочить барьер, согласно этому уравнению, только увеличивается с его высотой - вывод, противоречащий здравому смыслу.

Еще одна несуразность релятивистского уравнения состояла в том, что среди решений уравнения возникали частицы с отрицательными энергиями. Что в этом страшного? Представьте, что с помощью квантовой механики мы обустроили наш мир. В нем, казалось, есть пол, на котором можно устойчиво стоять, и мы наводим уют: развешиваем по стенкам картинки, ставим книжки на полки. Все наши украшения точно подчиняются квантовой механике, они все обладают положительной энергией, а если мы что-то плохо повесили - упадут на пол. Вот только, пытаясь улучшить квантовую механику, сделать ее более правильной, мы обнаружили, что никакого пола в нашем мире нет. Вместо пола - зияющая пропасть (отрицательные энергии), куда все должно провалиться. Надо отдать должное выдержке физиков того времени: они не испугались, что мир развалится на глазах, а попытались эту проблему решить.

Разрешить проблему удалось Полю Дираку, который взялся описать частицу, более сложную, чем ту, что описывает уравнение Клейна - Гордона - Фока, - электрон. Электрон нельзя описать одной функцией, надо брать сразу две, причем эту пару нельзя разделить, и приходится писать систему уравнений. Казалось бы, задача только усложнилась (и с первого взгляда это усложнение не решает главной проблемы), но Дирак попытался довести решение до конца. Для электронов работает принцип Паули, который утверждает, что два электрона нельзя поместить в одно состояние: никакими усилиями второй электрон не втиснуть в уже занятое. Дирак, берясь за эту задачу, по-видимому, надеялся воспользоваться именно этим свойством: если ниже уровня пола все состояния уже заполнены электронами, то и проваливаться будет некуда. Казалось бы, задача безнадежная: надо залить электронами бездну бесконечной глубины. А Дирак лишь пожимал плечами: «А зачем нам об этом беспокоиться? Будем считать, что об этом уже позаботилась природа (а она всесильна), все уже залито, и пол наш есть». Таким образом, проблема отрицательных энергий разрешилась!

4. Антиматерия

Однако, записывая свое уравнение, Дирак натолкнулся на новую проблему: оказывается, для релятивистского описания электрона двух функций недостаточно, придется писать четыре! Что же собой представляют эти две лишние функции для электрона? Немного подумав, Дирак сообразил, что на нашем залитом полу могут образовываться пузырьки - дырки (природа, конечно, всесильна, но может позволить себе быть не совсем безупречной и допустить некоторые дефекты). Удивительным образом такой пузырек ведет себя точно так же, как электрон, по аналогии с пузырьком похожий на капельку, висящую над полом: у них одинаковая масса, оба они заряжены. Висящая капелька имеет положительную энергию и заряжена отрицательно, собственно, это и есть наш электрон. А пузырек (в подпольном мире) тоже обладает положительной энергией, но знак заряда у него обратный - это антиэлектрон (или позитрон). Для его описания и понадобились две лишние функции.

Дирак был окрылен своим открытием. Он был убежден, что античастицы реальны, хотя их никогда до этого и не наблюдали в эксперименте. Открыли античастицы несколькими годами позже, а к идее Дирака, несмотря на явный успех его теории (заметим, что античастицы разрешили и парадокс Клейна), коллеги относились скептически. Дирак же в свою теорию, видимо, верил безоговорочно. Пытаясь найти ответ на критику ненаблюдаемости позитронов, он довольно быстро сообразил, что позитроны жить вместе с нами не могут. Если бы они возникли где-то рядом с нами, то немедленно аннигилировали бы с окружающими электронами. Поэтому он вполне разумно предположил, что если уж наша Солнечная система устроена из электронов и вообще из частиц, то здесь не место античастицам, их надо искать в других галактиках, не соприкасающихся с нашей. Сейчас мы верим, что, скорее всего, антигалактик не существует: причина в том, что антиматерия немного отличается от материи.

Придуманные Дираком позитроны были вскоре открыты Карлом Андерсоном в . Они рождались из энергичных космических фотонов в паре с электронами, но перед последующей аннигиляцией успевали пролететь некоторое расстояние и оставить следы. Интересно, что позитрон мог быть открыт на 5 лет раньше выдающимся российским физиком Дмитрием Скобельциным, который позитрон увидел, только сам не смог поверить в свое открытие. Античастицы должны быть у всех частиц, за исключением истинно нейтральных, таких как фотон (для фотона античастица является им же самим), и сегодня все они открыты. Только видим мы их в специальных экспериментах. Поэтому часто антиматерию воспринимают как совершенно абстрактное, возможно, красивое, но непонятно зачем придуманное понятие. Действительно, все, что обсуждалось ранее, - только факт существования античастиц, а в окружающей нас природе их ведь почти нет, и что толку, даже если их научились получать в лабораториях? Но не торопитесь с выводами! Мы уже научились не только получать античастицы, но и использовать их для наших нужд.

5. Применение антиматерии

На нашей повседневной жизни антиматерия вроде бы не сказывается. Тем не менее сегодня мы применяем для некоторых вполне практичных задач по крайней мере самую распространенную и относительно легко получаемую античастицу - позитрон. Одно из применений позитроны нашли в медицине для . Существуют радиоактивные ядра, испускающие позитроны, которые, вылетев из ядра, мгновенно аннигилируют с электронами из соседних атомов, превращаясь в два фотона. Пациент принимает небольшое количество аналога глюкозы с радиоактивной примесью (доза очень маленькая и не наносит вреда здоровью), глюкозоподобное вещество накапливается в активно растущих клетках, каковыми и являются раковые клетки. Именно в опухоли и будет происходить частая электрон-позитронная аннигиляция, а найти точное место в организме, откуда часто вылетают фотоны, остается технической задачей, причем это делается бесконтактно: вокруг пациента проезжает сканирующий прибор, улавливающий фотоны. Этот метод, позволяющий диагностировать и точно определять местоположение опухоли, называется позитронно-эмиссионной томографией.

Позитроны используются также в материаловедении. С помощью специального позитронного микроскопа, стреляющего позитронами по изучаемому объекту, можно исследовать поверхности полупроводников для их применения в электронике. А можно просто изучать образцы каких-либо материалов, определять «усталость» материалов и находить в них микродефекты. Так что эта, казалось бы, совершенно абстрактная область знания служит вполне конкретным интересам людей.

Недавно членам коллаборации ALICE в ЦЕРН с рекордной точностью измерить массы ядер антивещества и даже оценить энергию, связывающую в них антипротоны с антинейтронами. Пока значимой разницы между этими параметрами в веществе и антивеществе найдено не было, но не это главное. Важно, что именно сейчас, в последние несколько лет, для измерений и наблюдений становятся доступны не только античастицы, но и антиядра и даже антиатомы. А значит, самое время разобраться с тем, что такое антиматерия и какое место ее исследования занимают в современной физике.

Давайте мы попробуем угадать некоторые из ваших первых вопросов про антиматерию.

А правда, что на основе антиматерии можно сделать сверхмощную бомбу? А что, в ЦЕРНе в самом деле накапливают антивещество, как показано в фильме Ангелы и демоны , и что это очень опасно? А правда, что антиматерия будет исключительно эффективным топливом для космических перелетов? А есть ли хоть доля правды в идее о позитронном мозге, которым Айзек Азимов в своих произведениях наделил роботов?...

Не секрет, что для большинства антиматерия ассоциируется с чем-то исключительно (взрыво)опасным, с чем-то подозрительным, с чем-то будоражащим воображение фантастическими обещаниям и огромными рисками - отсюда и подобные вопросы. Признаемся: законы физики всего этого прямо не запрещают. Однако реализация этих идей настолько далека от реальности, от современных технологий и от технологий ближайших десятилетий, что прагматический ответ простой: нет, для современного мира это всё неправда. Разговор на эти темы - это просто фантастика, опирающаяся не на реальные научные и технические достижения, а на их экстраполяцию далеко за пределы современных возможностей. Если хотите серьезно пообщаться на эти темы серьезно, приходите ближе к 2100 году. А пока что давайте поговорим о реальных научных исследованиях антиматерии.

Что такое антиматерия?

Наш мир устроен так, что для каждого сорта частиц - электронов, протонов, нейтронов, и т.п. - существуют античастицы (позитроны, антипротоны, антинейтроны). Они обладают той же массой и, если они нестабильны, тем же временем полураспада, но противоположными по знаку зарядами и другими числами, характеризующими взаимодействие. У позитронов та же масса, что у электронов, но только положительный заряд. У антипротонов - заряд отрицательный. Антинейтроны электрически нейтральны, так же как и нейтроны, но обладают противоположным барионным числом и состоят из антикварков. Из антипротонов и антинейтронов можно собрать антиядро. Добавив позитронов, мы создадим антиатомы, а накопив их - получим антивещество. Это всё и есть антиматерия .

И тут сразу есть несколько любопытных тонкостей, про которые стоит рассказать. Прежде всего, само по себе существование античастиц - это огромный триумф теоретической физики. Эта неочевидная, а для некоторых даже шокирующая идея была выведена Полем Дираком теоретически и поначалу воспринималась в штыки . Более того, даже после открытия позитронов многие все равно сомневались в существовании антипротонов. Во-первых, говорили они, Дирак придумал свою теорию для описания электрона, и не факт, что для протона она сработает. Вот, например, магнитный момент протона в несколько раз отличается от предсказания теории Дирака. Во-вторых, следы антипротонов долго искали в космических лучах, и что-то ничего не нашлось. В-третьих, они утверждали, - буквально повторяя наши слова, - что если есть антипротоны, тогда должны существовать и антиатомы, антизвезды и антигалактики, и мы бы обязательно их заметили по грандиозным космическим взрывам. Раз мы этого не видим, то наверно потому, что антивещества не бывает. Поэтому экспериментальное открытие антипротона в 1955 году на только что запущенном ускорителе Беватрон стало достаточно нетривиальным результатом, отмеченным Нобелевской премией по физике за 1959 год . В 1956 году на том же ускорителе был открыт и антинейтрон. Рассказ про эти поиски, сомнения, и достижения можно найти в многочисленных исторических очерках, например, вот в этом докладе или в недавней книге Франка Клоуза Antimatter .

Впрочем, надо отдельно сказать, что здравое сомнение в чисто теоретических утверждениях всегда полезно. Например, утверждение, что античастицы имеют ту же массу, что и частицы - это тоже теоретически полученный результат, он следует из очень важной CPT-теоремы. Да, на этом утверждении построена современная, многократно проверенная на опыте физика микромира. Но всё равно это равенство : кто знает, может быть так мы нащупаем границы применимости теории.

Другая особенность: не все силы микромира относятся одинаково к частицам и античастицам. Для электромагнитных и сильных взаимодействий разницы между ними нет, для слабых - есть. Из-за этого различаются некоторые тонкие детали взаимодействий частиц и античастиц, например, вероятности распада частицы A на набор частиц B и анти-A на набор анти-B (чуть подробнее про различия см. в подборке Павла Пахова). Эта особенность возникает потому, что слабые взаимодействия нарушают CP-симметрию нашего мира. А вот почему так получается - это одна из загадок элементарных частиц, и она требует выхода за пределы известного.

А вот еще одна тонкость: у некоторых частиц так мало характеристик, что античастицы и частицы вообще не отличаются друг от друга. Такие частицы называются истинно нейтральными. Это фотон, бозон Хиггса, нейтральные мезоны, состоящие из кварков и антикварков одинакового сорта. А вот с нейтрино ситуация пока непонятная: может быть, они истинно нейтральные (майорановские), а может - нет. Это имеет важнейшее значение для теории, описывающей массы и взаимодействия нейтрино. Ответ на этот вопрос реально станет крупным шагом вперед, потому что поможет разобраться с утройством нашего мира. Эксперимент пока ничего однозначного на этот счет не сказал. Но экспериментальная программа по нейтринным исследованиям настолько мощная, экспериментов ставится так много, что физики постепенно приближаются к разгадке.

Где она, эта антиматерия?

Античастица при встрече со своей частицей аннигилирует: обе частицы исчезают и превращаются в набор фотонов или более легких частиц. Вся энергия покоя превращается в энергию этого микровзрыва. Это самое эффективное превращение массы в тепловую энергию, в сотни раз превосходящее по эффективности ядерный взрыв. Но никаких грандиозных природных взрывов мы вокруг себя не видим; антиматерии в заметных количествах в природе нет. Однако отдельные античастицы вполне могут рождаться в разнообразных природных процессах.

Проще всего рождать позитроны. Самый простой вариант - радиоактивность, распады некоторых ядер за счет положительной бета-радиоактивности. Например, в экспериментах в качестве источника позитронов часто используется изотоп натрия-22 с периодом полураспада два с половиной года. Другой, довольно неожиданный природный источник - , во время которых иногда детектируются вспышки гамма-излучения от аннигиляции позитронов, а это значит, что позитроны там как-то родились.

Антипротоны и другие античастицы рождать труднее: энергии радиоактивного распада для этого не хватает. В природе они рождаются под действием космических лучей высоких энергий: космический протон, столкнувшись с какой-то молекулой в верхних слоях атмосферы, порождает потоки частиц и античастиц. Однако это происходит там, наверху, до земли антипроторы почти не долетают (о чем не знали те, кто в 40-х годах искал антипротоны в космических лучах), да и в лабораторию этот источник антипротонов не принесешь.

Во всех физических экспериментах антипротоны производят «грубой силой»: берут пучок протонов большой энергии, направляют его на мишень, и сортируют «адронные ошметки», которые в больших количествах рождаются в этом столкновении. Сортированные антипротоны выводят в виде пучка, а дальше либо разгоняют их до больших энергий для того, чтобы сталкивать с протонами (так работал, например, американский коллайдер Тэватрон), либо, наоборот, замедляют их и используют для более тонких измерений.

В ЦЕРНе, который может по праву гордиться долгой историей исследований антивещества , работает специальный «ускоритель» AD, «Антипротонный замедлитель», который как раз и занимается этой задачей. Он берет пучок антипротонов, охлаждает их (т.е. притормаживает), и дальше распределяет поток медленных антипротонов по нескольким специальным экспериментам. Кстати, если хотите посмотреть на состояние AD в реальном времени, то церновские онлайн-мониторы это позволяют.

Синтезировать антиатомы, даже простейшие, атомы антиводорода, уже совсем трудно. В природе они вообще не возникают - нет подходящих условий. Даже в лаборатории требуется преодолеть множество технических трудностей, прежде чем антипротоны соизволят соединиться с позитронами. Проблема в том, что антипротоны и позитроны, вылетающих из источников, все еще слишком горячие; они просто столкнутся друг с другом и разлетятся, а не образуются антиатом. Физики эти трудности всё же преодолевают, но довольно хитрыми методами ( , как это делается в одном из церновских экспериментов ASACUSA).

Что известно про антиядра?

Все антиатомные достижения человечества относятся только к антиводороду. Антиатомы других элементов до сих пор не синтезированы в лаборатории и не наблюдались в природе. Причина простая: антиядра создавать еще труднее, чем антипротоны.

Единственный известный нам способ создавать антиядра - это сталкивать тяжелые ядра больших энергий и смотреть, что там получается. Если энергия столкновений велика, в нем родятся и разлетятся во все стороны тысячи частиц, в том числе, антипротоны и антинейтроны. Антипротоны и антинейтроны, случайно вылетевшие в одном направлении, могут объединиться друг с другом - получится антиядро.

Детектор ALICE умеет различать разные ядра и антиядра по энерговыделению и направлению закрутки в магнитном поле.

Изображение: CERN

Метод простой, но не слишком неэффективный: вероятность синтезировать ядро таким способом резко падает при увеличении числа нуклонов. Легчайшие антиядра, антидейтроны, впервые наблюдались ровно полвека назад. Антигелий-3 увидели в 1971 году. Известен также антитритон и антигелий-4, причем последний был открыт совсем недавно , в 2011 году. Более тяжелые антиядра до сих пор не наблюдались.

Два параметра, описывающие нуклон-нуклонные взаимодействия (длина рассеяния f0 и эффективный радиус d0) для разных пар частиц. Красная звездочка - результат для пары антипротонов, полученный коллаборацией STAR.

К сожалению, антиатомов таким способом не сделаешь. Антиядра не только рождаются редко, но и обладают слишком большой энергией и вылетают во все стороны. Пытаться их отловить на коллайдере, чтобы затем отвести по специальному каналу и охладить, нереально.

Впрочем, иногда достаточно внимательно отследить антиядра на лету, чтобы получить кое-какую интересную информацию об антиядерных силах, действующих между антинуклонами. Самая простая вещь - это аккуратно измерить массу антиядер, сравнить ее с суммой масс антипротонов и антинейтронов, и вычислить дефект масс, т.е. энергию связи ядра. Это недавно , работающий на Большом адронном коллайдере; энергия связи для антидейтрона и антигелия-3 в пределах погрешности совпала с обычными ядрами.

Другой, более тонкий эффект изучил эксперимент STAR на американском коллайдере тяжелых ионов RHIC. Он измерил угловое распределение рожденных антипротонов и выяснил, как оно меняется, когда два антипротона вылетают в очень близком направлении. Корреляции между антипротонами позволили впервые измерить свойства действующих между ними «антиядерных» сил (длину рассеяния и эффективный радиус взаимодействия); они совпали с тем, что известно про взаимодействие протонов.

Есть ли антиматерия в космосе?

Когда Поль Дирак вывел из своей теории существование позитронов, он вполне допускал, что где-то в космосе могут существовать настоящие антимиры. Сейчас мы знаем, что звезд, планет, галактик из антивещества в видимой части Вселенной нет. Дело даже не в том дело, что не видно аннигиляционных взрывов; просто совершенно невообразимо, как они вообще могли бы образоваться и дожить до настоящего времени в постоянно эволюционирующей вселенной.

Но вот вопрос «как так получилось» - это еще одна большущая загадка современной физики; на научном языке она называется проблемой бариогенеза . Согласно космологической картине мира, в самой ранней вселенной частиц и античастиц было поровну. Затем, в силу нарушения CP-симметрии и барионного числа, в динамично развивающейся вселенной должен был появиться небольшой, на уровне одной миллиардной, избыток материи над антиматерией. При остывании вселенной все античастицы проаннингилировали с частицами, выжил лишь этот избыток вещества, который и породил ту вселенную, которую мы наблюдаем. Именно из-за него в ней осталось хоть что-то интересное, именно благодаря нему мы вообще существуем. Как именно возникла эта асимметрия - неизвестно. Теорий существует много, но какая из них верна - неизвестно. Ясно лишь, что это точно должна быть какая-то Новая физика, теория, выходящая за пределы Стандартной модели, за границы экспериментально проверенного.

Три варианта того, откуда могут взяться античастицы в космических лучах высокой энергии: 1 - они могут просто возникать и разгоняться в «космическом ускорителе», например в пульсаре; 2 - они могут рождаться при столкновениях обычных космических лучей с атомами межзвездной среды; 3 - они могут возникать при распаде тяжелых частиц темной материи.

Хоть планет и звезд из антивещества нет, антиматерия в космосе все же присутствует. Потоки позитронов и антипротонов разных энергий регистрируются спутниковыми обсерваториями космических лучей, такими как PAMELA, Fermi, AMS-02. Тот факт, что позитроны и антипротоны прилетают к нам из космоса, означает, что они где-то там рождаются. Высокоэнергетические процессы, которые могут их породить, в принципе известны: это сильно замагниченные окрестности нейтронных звезд, разные взрывы, ускорение космических лучей на фронтах ударных волн в межзвездной среде, и т.п. Вопрос в том, могут ли они объяснить все наблюдаемые свойства потока космических античастиц. Если окажется, что нет, это будет свидетельством в пользу того, что некоторая их доля возникает при распаде или аннигиляции частиц темной материи.

Здесь тоже есть своя загадка. В 2008 году обсерватория PAMELA обнаружила подозрительно большое количество позитронов больших энергий по сравнению с тем, что предсказывало теоретическое моделирование. Этот результаты был надавно подтвержден установкой AMS-02 - одним из модулей Международной Космической Станции и вообще самым крупным детектором элементарных частиц, запущенным в космос (и собранным догадайтесь где? - правильно, в ЦЕРНе). Этот избыток позитронов будоражит ум теоретиков - ведь ответственным за него могут оказаться не «скучные» астрофизические объекты, а тяжелые частицы темной материи, которые распадаются или аннигилируют в электроны и позитроны. Ясности тут пока нет, но установка AMS-02, а также многие критически настроенные физики, очень тщательно изучают это явление.

Отношение антипротонов к протонам в космических лучах разной энергии. Точки - экспериментальные данные, разноцветные кривые - астрофизические ожидания с разнообразными погрешностями.

Изображение: Cornell University Library

С антипротонами тоже ситуация неясная. В апреле этого года AMS-02 на специальной научной конференции представил предварительные результаты нового цикла исследований. Главной изюминкой доклада стало утверждение, что AMS-02 видит слишком много антипротонов высокой энергии - и это тоже может быть намеком на распады частиц темной материи. Впрочем, другие физики с таким бодрым выводом не согласны . Сейчас считается, что антипротонные данные AMS-02, с некоторой натяжкой, могут быть объяснены и обычными астрофизическими источниками. Так или иначе, все с нетерпением ждут новых позитронных и антипротонных данных AMS-02.

AMS-02 зарегистрировала уже миллионы позитронов и четверть миллиона антипротонов. Но у создателей этой установки есть светлая мечта - поймать хоть одно антиядро. Вот это будет настоящая сенсация - совершенно невероятно, чтобы антиядра родились где-то в космосе и долетели бы до нас. Пока что ни одного такого случая не обнаружено, но набор данных продолжается, и кто знает, какие сюрпризы готовит нам природа.

Антиматерия - антигравитирует? Как она вообще чувствует гравитацию?

Если опираться только на экспериментально проверенную физику и не вдаваться в экзотические, никак пока не подтвержденные теории, то гравитация должна действовать на антиматерию точно так же, как на материю. Никакой антигравитации для антиматерии не ожидается. Если же позволить себе заглянуть чуть дальше, за пределы известного, то чисто теоретически возможны варианты , когда в нагрузку к обычной универсальной гравитационной силе существует нечто добавочное, которое по-разному действует на вещество и антивещество. Какой бы ни призрачной казалась эта возможность, ее требуется проверить экспериментально, а для этого надо поставить опыты по проверке того, как антиматерия чувствует земное притяжение.

Долгое время это толком не удавалось сделать по той простой причине, что для этого надо создать отдельные атомы антивещества, поймать их в ловушку, и провести с ними эксперименты. Сейчас это делать научились, так что долгожданная проверка уже не за горами.

Главный поставщик результатов - всё тот же ЦЕРН со своей обширной программой по изучению антивещества. Некоторые из этих экспериментов уже косвенно проверили, что с гравитацией у антиматерии всё в порядке. Например, обнаружил, что (инертная) масса антипротона совпадает с массой протона с очень высокой точностью. Если бы гравитация действовала на антипротоны как-то иначе, физики заметили бы разницу - ведь сравнение производилось в одной и той же установке и в одинаковых условиях. Результат этого эксперимента: действие гравитации на антипротоны совпадает с действием на протоны с точностью лучше одной миллионной.

Впрочем, это измерение - косвенное. Для пущей убедительность хочется поставить прямой эксперимент: взять несколько атомов антивещества, уронить их и посмотреть, как они будут падать в поле тяжести. Такие эксперименты тоже проводятся или готовятся в ЦЕРНе. Первая попытка была не слишком впечатляющей. В 2013 году эксперимент ALPHA , - который к тому времени уже научился удерживать облачко антиводорода в своей ловушке, - попробовал определить , куда будут падать антиатомы, если ловушку отключают. Увы, из-за низкой чувствительности эксперимента однозначного ответа получить не удалось: времени прошло слишком мало, антиатомы метались в ловушке туда-сюда, и вспышки аннигиляции случались то здесь, то там.

Ситуацию обещают кардинально улучшить два других церновских эксперимента: GBAR и AEGIS . Оба эти эксперимента проверят разными способами, как падает в поле тяжести облачко сверххолодного антиводорода. Их ожидаемая точность по измерению ускорения свободного падения для антивещества - около 1%. Обе установки сейчас находятся в стадии сборки и отладки, а основные исследования начнутся в 2017 году, когда антипротонный замедлитель AD будет дополнен новым накопительным кольцом ELENA .

Варианты поведения позитрона в твердом веществе.

Изображение: nature.com

Что случится, если позитрон попадет в вещество?

Образование молекулярного позитрония на кварцевой поверхности.

Изображение: Clifford M. Surko / Atomic physics: A whiff of antimatter soup

Если вы дочитали до этого места, то уже прекрасно знаете, что как только частица антивещества попадает в обычное вещество, происходит аннигиляция: частицы и античастица исчезают и превращаются в излучение. Но насколько быстро это происходит? Представим себе позитрон, который прилетел из вакуума и вошел в твердое вещество. Проаннигилирует ли он при соприкосновении с первым же атомом? Вовсе не обязательно! Аннилигяция электрона и позитрона - процесс не мгновенный; он требует длительного по атомным масштабам времени. Поэтому позитрон успевает прожить в веществе яркую и насыщенную нетривиальными событиями жизнь.

Во-первых, позитрон может подхватить бесхозный электрон и образовать связанное состояние - позитроний (Ps). При подходящей ориентации спинов, позитроний может жить десятки наносекунд до аннигиляции. Находясь в сплошном веществе, он успеет за это время столкнуться с атомами миллионы раз, ведь тепловая скорость позитрония при комнатной температуре - около 25 км/сек.

Во-вторых, дрейфуя в веществе, позитроний может выйти на поверхность и залипнуть там - это позитронный (а точнее, позитрониевый) аналог адсорбции атомов. При комнатной температуре он не сидит на одном месте, а активно путешествует по поверхности. И если это не внешняя поверхность, а пора нанометрового размера, то позитроний оказывается пойманным в ней на длительное время.

Дальше - больше. В стандартном материале для таких экспериментов, пористом кварце, поры не изолированы, а объединены наноканалами в общую сеть. Тепленький позитроний, ползая по поверхности, успеет обследовать сотни пор. А поскольку позитрониев в таких экспериментах образуется много и почти все они вылезают в поры, то рано или поздно они натыкаются друг на друга и, взаимодействуя, иногда образуют самые настоящие молекулы - молекулярный позитроний , Ps 2 . Дальше уже можно изучать, как ведет себя позитрониевый газ, какие у позитрония есть возбужденые состояния и т.д. И не думайте, что это чисто теоретические рассуждения; все перечисленные эффекты уже проверены и изучены экспериментально.

Есть ли у антивещества практические применения?

Разумеется. Вообще, любой физический процесс, если он открывает перед нами некую новую грань нашего мира и не требует при этом каких-то сверхзатрат, обязательно находит практические применения. Причем такие применения, до которых бы мы сами не догадались, если бы не открыли и не изучили предварительно научную сторону этого явления.

Самым известным прикладным применением античастиц является ПЭТ, позитронно-эмиссионная томография . Вообще, у ядерной физики есть впечатляющий послужной список медицинских применений, и античастицы тут тоже не остались без дела. При ПЭТ в организм пациента вводят маленькую дозу препарата, содержащего нестабильный изотоп с коротким временем жизни (минуты и часы) и распадающийся за счет положительного бета-распада. Препарат накапливается в нужных тканях, ядра распадаются и испускают позитроны, которые аннигилируют поблизости и выдают два гамма-кванта определенной энергии. Детектор регистрирует их, определяет направление и время их прилета, и восстанавливает то место, где произошел распад. Так удается построить трехмерную карту распределения вещества с высоким пространственным разрешением и с минимальной радиационной дозой.

Позитроны можно применять и в материаловедении, например, для измерения пористости вещества . Если вещество сплошное, то позитроны, застрявшие в веществе на достаточной глубине, довольно быстро аннигилируют и испускают гамма-кванты. Если же внутри вещества есть нанопоры, аннигиляция задерживается, поскольку позитроний залипает на поверхности поры. Измеряя эту задержку, можно узнать степень нанопористости вещества бесконтактным и неразрушающим методом. Как иллюстрация этой методики - недавняя работа про то, как возникают и затягиваются нанопоры в тончайшем слое льда при осаждении пара на поверхность. Аналогичный подход работает и при изучении структурных дефектов в полупроводниковых кристаллах, например, вакансий и дислокаций, позволяет измерить структурную усталость материала.

Медицинское применение может найтись и для антипротонов. Сейчас в том же ЦЕРНе проводится эксперимент ACE , который изучает воздействие антипротонного пучка на живые клетки. Его цель - изучить перспективы использования антипротонов для терапии раковых опухолей.

Энерговыделение ионного пучка и рентгена при прохождении сквозь вещество.

Изображение: Johannes Gutleber / CERN

Эта идея может с непривычки ужаснуть читателя: как так, антипротонным пучком - и по живому человеку?! Да, и это намного безопаснее, чем облучать глубокую опухоль рентгеном! Антипротонный пучок специально подобранной энергии становится в руках хирурга эффективным инструментом, с помощью которого можно выжигать опухоли глубоко внутри тела и минимизировать воздействии на окружающие ткани. В отличие от рентгена, который жжет всё, что попадает под луч, тяжелые заряженные частицы на своем пути сквозь вещество выделяют основную долю энергии на последних сантиметрах перед остановкой. Настраивая энергию частиц, можно варьировать глубину, на которой останавливаются частицы; вот на эту область размером в миллиметры и придется основное радиационное воздействие.

Такая радиотерапия протонным пучком уже давно используется во многих хорошо оснащенных клиниках мира. В последнее время некоторые из них переходят на ионную терапию, в которой используется пучок не протонов, а ионов углерода. Для них профиль энерговыделения еще контрастнее, а значит, эффективность пары «терапевтическое воздействия против побочных эффектов» возрастает. Но уже давно предлагается попробовать для этой цели и антипротоны. Ведь они, попадая в вещество, не просто отдают свою кинетическую энергию, но еще и аннигилируют после остановки - и это усиливает энерговыделение в несколько раз. Где оседает это дополнительное энерговыделение - сложный вопрос, и его требуется внимательно изучить, прежде чем запускать клинические испытания.

Именно этим и занимается эксперимент ACE. В ходе него исследователи пропускают пучок антипротонов через кюветку с бактериальной культурой и измеряют их выживаемость в зависимости от места, от параметров пучка, и от физических характеристик окружающей среды. Такой методичный и, пожалуй, скучноватый сбор технических данных - важный начальный этап любой новой технологии.

Игорь Иванов