Антивещество

Антивещество́ — вещество, состоящее из античастиц, стабильно не образующееся в природе (наблюдательные данные не свидетельствуют об обнаружении антивещества в нашей Галактике и за её пределами^[1]).

Структура атома антиводорода

Ядра антивещества, синтезированные учёными, состоят из антипротонов и антинейтронов, а оболочки — из позитронов^[2].

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц.

В наблюдаемой нами части Вселенной существенных скоплений^{[прояснить]} антивещества не обнаружено^[2], однако ведутся споры о том, состоит ли Вселенная почти исключительно из вещества, и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом. Асимметрия вещества и антивещества во Вселенной — одна из самых больших нерешенных задач физики (см. Барионная асимметрия Вселенной); предполагается, что асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.

ПолучениеПравить

В 1965 году группа под руководством Л. Ледермана наблюдала^[где?] события образования ядер антидейтерия^[2]. В 1970 году группа учёных под руководством Ю. Д. Прокошкина из Института физики высоких энергий (г. Протвино) зарегистрировала несколько событий образования ядер^[2].

В 1970—1974 группой под руководством Ю. Д. Прокошкина на серпуховском ускорителе были получены и более тяжелые антиядра — трития (изотоп водорода)^[3], гелия (антигелий-3)^[2].

В 2001 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода^[2], состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.

В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40К (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе — Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды^[4].

В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить — на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации^[5].

СтоимостьПравить

Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле — по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США^[6]. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов^[7]. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объем, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков^[8].

СвойстваПравить

Структура атома антигелия

По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества^[2].

Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях)^[9].

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция^[2], при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино^{[источник не указан 3364 дня]}, которые практически не взаимодействуют с веществом). Аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов ведёт к образованию нескольких π-мезонов, а аннигиляция электронов и позитронов — к образованию γ-квантов^[2]. В результате последующих распадов π-мезоны превращаются в γ-кванты^[2].

При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8⋅10¹⁷ джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (масса 26,5 т), при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57—58,6 мегатоннам. Теллеровский предел для термоядерного оружия подразумевает, что самый эффективный выход энергии не превысит 6 кт/кг массы устройства^{[источник не указан 563 дня]}.

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

В ноябре 2015 года международная группа физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов^[10].

В 2016 году учёным коллаборации ALPHA впервые удалось измерить оптический спектр атома антиводорода, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено^[11]^[12].

Проводятся эксперименты по обнаружению антивещества во Вселенной^[13].

В поп-культуреПравить

По сюжету книги Дэна Брауна «Ангелы и демоны» из ЦЕРНа был украден большой образец антивещества, при помощи которого представители тайного ордена Иллюминатов хотели взорвать город-государство Ватикан^[14].

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

↑ Власов, 1966, с. 153.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ Файнберг, 2005.
↑ Б. С. Ишханов, Кэбин Э. И.Физика ядра и частиц, XX век — гл. «Античастицы» Архивная копия от 27 октября 2016 на Wayback Machine // Ядерная физика в Интернете
↑ «Физики впервые поймали в ловушку атомы антивещества.» Архивная копия от 21 ноября 2010 на Wayback Machine: Лента.Ру, 18.11.2010, 12:45:23.
↑ «Antihydrogen Trapped For 1000 Seconds» Архивная копия от 4 мая 2011 на Wayback Machine: The Physics arXiv Blog, 02.05.2011
↑ New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions (неопр.). NASA (2006). Дата обращения: 28 сентября 2009. Архивировано 22 августа 2011 года.
↑ Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft (неопр.). NASA (12 апреля 1999). Дата обращения: 21 августа 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.
↑ Questions & Answers (неопр.). CERN (2001). Дата обращения: 24 мая 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.
↑ Широков, 1972, с. 345.
↑ Физики впервые измерили силу взаимодействия частиц антиматерии (неопр.). Дата обращения: 5 ноября 2015. Архивировано 4 ноября 2015 года.
↑ Специалисты ЦЕРН впервые измерили оптический спектр антиматерии Архивная копия от 22 декабря 2016 на Wayback Machine // РИА, 19.12.2016
↑ Учёные впервые получили спектр антиматерии Архивная копия от 22 декабря 2016 на Wayback Machine // 20.12.2016
↑ Зураб Силагадзе Увидеть антизвезду Архивная копия от 17 января 2018 на Wayback Machine // Наука и жизнь. — 2017. — № 5.
↑ Spotlight: Angels and Demons (англ.) (FAQ). CERN (октябрь 2004). — Вопросы и ответы. Архивировано 13 декабря 2007 года.

ЛитератураПравить

Власов Н. А. Антивещество. — М.: Атомиздат, 1966. — 184 с.
Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
Антивещество / Файнберг В. Я. // Анкилоз — Банка. — М. : Большая российская энциклопедия, 2005. — С. 39. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 2). — ISBN 5-85270-330-3.
Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975.

СсылкиПравить

Физики заявили о готовности экспериментировать с антиматерией — 2011
Пахлов, Павел. История открытия антиматерии (неопр.). postnauka.ru (23 мая 2014).
Пахлов, Павел. Различие свойств материи и антиматерии (неопр.). postnauka.ru (6 марта 2014).

[_8792f236fa926f73-1] Власов, 1966, с. 153.

[_29130ba74dae7df2-2] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ Файнберг, 2005.

[3] Б. С. Ишханов, Кэбин Э. И.Физика ядра и частиц, XX век — гл. «Античастицы» Архивная копия от 27 октября 2016 на Wayback Machine // Ядерная физика в Интернете

[4] «Физики впервые поймали в ловушку атомы антивещества.» Архивная копия от 21 ноября 2010 на Wayback Machine: Лента.Ру, 18.11.2010, 12:45:23.

[5] «Antihydrogen Trapped For 1000 Seconds» Архивная копия от 4 мая 2011 на Wayback Machine: The Physics arXiv Blog, 02.05.2011

[6] New and Improved Antimatter Spaceship for Mars Missions (неопр.). NASA (2006). Дата обращения: 28 сентября 2009. Архивировано 22 августа 2011 года.

[7] Reaching for the stars: Scientists examine using antimatter and fusion to propel future spacecraft (неопр.). NASA (12 апреля 1999). Дата обращения: 21 августа 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.

[8] Questions & Answers (неопр.). CERN (2001). Дата обращения: 24 мая 2008. Архивировано 22 августа 2011 года.

[_6b40700503cec919-9] Широков, 1972, с. 345.

[10] Физики впервые измерили силу взаимодействия частиц антиматерии (неопр.). Дата обращения: 5 ноября 2015. Архивировано 4 ноября 2015 года.

[11] Специалисты ЦЕРН впервые измерили оптический спектр антиматерии Архивная копия от 22 декабря 2016 на Wayback Machine // РИА, 19.12.2016

[12] Учёные впервые получили спектр антиматерии Архивная копия от 22 декабря 2016 на Wayback Machine // 20.12.2016

[NJ052017-13] Зураб Силагадзе Увидеть антизвезду Архивная копия от 17 января 2018 на Wayback Machine // Наука и жизнь. — 2017. — № 5.

[CERN-FAQ-14] Spotlight: Angels and Demons (англ.) (FAQ). CERN (октябрь 2004). — Вопросы и ответы. Архивировано 13 декабря 2007 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]