10 fakti par antimatēriju

Antimatērija jau sen ir zinātniskās fantastikas tēma. Grāmatā un filmā "Eņģeļi un dēmoni" profesors Lengdons mēģina glābt Vatikānu no antimatērijas bumbas. Kosmosa kuģis Star Trek Enterprise izmanto iznīcinošu antimatērijas dzinēju, lai pārvietotos ātrāk nekā gaismas ātrums. Bet antimatērija ir arī mūsu realitātes objekts. Antimatērijas daļiņas ir gandrīz identiskas viņu materiālajiem partneriem, izņemot to, ka tām ir pretējs lādiņš un griešanās. Kad antimatērija satiekas ar matēriju, tās uzreiz iznīcina enerģijā, un tā vairs nav fikcija.

1. Antimatērijai vajadzēja iznīcināt visu Visuma matēriju pēc Lielā sprādziena

Saskaņā ar teoriju Lielais sprādziens dzemdēja matēriju un antimatēriju vienādos daudzumos. Kad viņi satiekas, notiek savstarpēja iznīcināšana, iznīcināšana, un paliek tikai tīra enerģija. Pamatojoties uz to, mums nevajadzētu pastāvēt.

Bet mēs taču pastāvam. Un, cik fiziķiem zināms, tas notiek tāpēc, ka uz katru miljardu vielas-antimatērijas pāru bija viena papildu vielas daļiņa. Fiziķi cenšas visu iespējamo izskaidrot šo asimetriju.

2. Antimatter ir tuvāk jums nekā jūs domājat

Neliels daudzums antimatter pastāvīgi līst uz Zemes kosmisko staru, enerģijas daļiņu veidā no kosmosa. Šīs antimatērijas daļiņas sasniedz mūsu atmosfēru līmenī, kas svārstās no viena līdz vairāk nekā simts uz kvadrātmetru. Zinātniekiem ir arī pierādījumi, ka pērkona negaisa laikā rodas antimatter.

Ir arī citi antimatērijas avoti, kas mums ir tuvāk. Piemēram, banāni ražo antimatēriju, aptuveni reizi 75 minūtēs izstarojot vienu pozitronu - elektronu antimatērijas ekvivalentu. Tas ir tāpēc, ka banāni satur nelielu daudzumu kālija-40, dabiski sastopamu kālija izotopu. Kad kālijs-40 sadalās, dažreiz tiek ražots pozitrons.

Mūsu ķermeņos ir arī kālijs-40, kas nozīmē, ka jūs izdalāt arī positronus. Antimatērija, nonākot saskarē ar matēriju, uzreiz tiek iznīcināta, tāpēc šīs antimatērijas daļiņas nav ļoti ilgas.

3. Cilvēkiem izdevās izveidot diezgan daudz antimatērijas

Antimatērijas un matērijas iznīcināšana var atbrīvot milzīgu enerģijas daudzumu. Grams antimatter var izraisīt sprādzienu, kas ir kodolbumbas izmērs. Tomēr cilvēki nav ražojuši daudz antimatter, tāpēc nav ko baidīties.

Visi antiprotoni, kas izveidoti Fermi laboratorijas Tevatron daļiņu paātrinātājā, knapi sver 15 nanogramus. CERN līdz šim ir saražojusi tikai aptuveni 1 nanogramu. DESY Vācijā - ne vairāk kā 2 nanogrami pozitronu.

Ja visa antimatter, ko rada cilvēki, nekavējoties iznīcinās, tā enerģija pat nebūs pietiekama, lai uzvārītu tasi tējas.

Problēma slēpjas antimaterijas ražošanas un uzglabāšanas efektivitātē un izmaksās. Lai izveidotu 1 gramu antimatērijas, ir vajadzīgi apmēram 25 miljoni miljardu kilovatstundu enerģijas, un tā izmaksas pārsniedz miljonu miljardu dolāru. Nav pārsteidzoši, ka antimatter dažreiz tiek iekļauts desmit visdārgāko vielu sarakstā mūsu pasaulē.

4. Ir tāda lieta kā antimatter slazds

Lai pētītu antimatter, jums jānovērš tā iznīcināšana ar matēriju. Zinātnieki ir atraduši vairākus veidus, kā to izdarīt.

Uzlādētas antimatter vielas daļiņas, piemēram, pozitronus un antiprotonus, var uzglabāt tā sauktajos Penning slazdos. Tie ir kā sīki daļiņu paātrinātāji. Viņu iekšienē daļiņas pārvietojas spirālē, savukārt magnētiskais un elektriskais lauks neļauj tām sadurties ar slazdu sienām.

Tomēr Peninga slazdi nedarbojas neitrālām daļiņām, piemēram, pretūdeņradim. Tā kā tām nav maksas, šīs daļiņas nevar aprobežoties ar elektriskajiem laukiem. Viņi ir ieslodzīti Ioffe slazdos, kas darbojas, izveidojot telpas laukumu, kurā magnētiskais lauks kļūst lielāks visos virzienos. Antimatērijas daļiņas iestrēgst apgabalā ar vājāko magnētisko lauku.

Zemes magnētiskais lauks var darboties kā antimaterijas slazds. Atsevišķās zonās ap Zemi tika atrasti antiprotoni - Van Allena radiācijas jostas.

5. Antimatter var nokrist (vārda tiešā nozīmē)

Vielas un antimatter daļiņām ir vienāda masa, bet tās atšķiras pēc īpašībām, piemēram, elektriskā lādiņa un griešanās. Standarta modelis paredz, ka gravitācijai vajadzētu vienādi iedarboties uz matēriju un antimatēriju, taču tas joprojām ir droši redzams. Pie tā strādā tādi eksperimenti kā AEGIS, ALPHA un GBAR.

Gravitācijas efekta novērošana antimatērijas piemērā nav tik vienkārša kā skatīšanās uz ābolu, kas nokrīt no koka. Šiem eksperimentiem ir nepieciešams noķert antimatter vai palēnināt to, atdzesējot līdz temperatūrai, kas nedaudz pārsniedz absolūto nulli. Tā kā gravitācija ir vājākais no pamatspēkiem, fiziķiem šajos eksperimentos jāizmanto neitrālas antimatērijas daļiņas, lai novērstu mijiedarbību ar jaudīgāku elektrības spēku.

6. Antimatter tiek pētīts daļiņu moderatoros

Vai esat dzirdējuši par daļiņu paātrinātājiem un vai esat dzirdējuši par daļiņu palēninātājiem? CERN ir mašīna ar nosaukumu Antiproton Decelerator, kuras gredzenā antiprotoni tiek notverti un palēnināti, lai izpētītu to īpašības un uzvedību.

Gredzena daļiņu paātrinātājos, piemēram, lielajā hadronu sadursmē, daļiņas saņem enerģisku impulsu katru reizi, kad tās pabeidz apli. Palēninātāji darbojas pretēji: daļiņu paātrināšanas vietā tie tiek virzīti pretējā virzienā.

7. Neitrīni var būt viņu pašu daļiņas

Vielas daļiņai un tās antimateriālajam partnerim ir pretēji lādiņi, kas ļauj tos viegli atšķirt. Neitrīnos, gandrīz bez masas daļiņās, kas reti mijiedarbojas ar matēriju, nav maksas. Zinātnieki uzskata, ka tās var būt Majoranas daļiņas, kas ir hipotētiska daļiņu klase, kas ir viņu pašu daļiņas.

Tādi projekti kā Majorana Demonstrator un EXO-200 ir vērsti uz to, lai noteiktu, vai neitrīno ir patiešām Majorana daļiņas, novērojot tā dēvētās neitrīnveida bezjēdzīgas beta sabrukšanas uzvedību.

Daži radioaktīvie kodoli sadalās vienlaikus, izstarojot divus elektronus un divus neitrīnus. Ja neitrīno būtu viņu pašu antivielas, tās pēc divkāršas sabrukšanas iznīcinātu, un zinātniekiem būtu jāievēro tikai elektroni.

Majorana neitrīnoņu meklēšana var palīdzēt izskaidrot, kāpēc pastāv vielas-antimatērijas asimetrija. Fiziķi norāda, ka Majorana neitrīno var būt vai nu smags, vai viegls. Plaušas pastāv mūsu laikā, un smagās pastāvēja tūlīt pēc Lielā sprādziena. Smagie Majorana neitrīno noārdījās asimetriski, kā rezultātā parādījās niecīgs daudzums vielas, kas piepildīja mūsu Visumu.

8. Antimatter tiek izmantots medicīnā

PET, PET (pozitronu emisijas topogrāfija) izmanto pozitronus, lai ražotu augstas izšķirtspējas ķermeņa attēlus. Pozitronus izstarojošie radioaktīvie izotopi (piemēram, tie, kurus mēs atradām banānos) organismā piestiprina ķimikālijām, piemēram, glikozei. Tos injicē asinsritē, kur tie dabiski sadalās, izdalot positronus. Tie savukārt satiekas ar ķermeņa elektroniem un iznīcina. Iznīcināšana rada gamma starus, kurus izmanto attēla konstruēšanai.

Zinātnieki no ACE projekta CERN pēta antimatter kā potenciālu kandidātu vēža ārstēšanai. Ārsti jau ir sapratuši, ka viņi var virzīt daļiņu starus uz audzējiem, izstarojot enerģiju tikai pēc tam, kad tie droši iziet cauri veseliem audiem. Antiprotonu lietošana papildinās enerģijas pieplūdumu. Ir pierādīts, ka šī metode ir efektīva kāmju ārstēšanā, bet vēl nav pārbaudīta ar cilvēkiem.

9. Antimatērija var slēpties kosmosā

Viens no veidiem, kā zinātnieki mēģina atrisināt matērijas-antimatērijas asimetrijas problēmu, ir meklēt antimatēriju, kas palicis pāri no Lielā sprādziena.

Alfa magnētiskais spektrometrs (AMS) ir daļiņu detektors, kas atrodas Starptautiskajā kosmosa stacijā un meklē šādas daļiņas. AMS satur magnētiskos laukus, kas izliek kosmisko daļiņu ceļu un atdala vielu no antimatērijas. Tā detektoriem ir jānosaka un jāidentificē šādas daļiņas, kad tās šķērso.

Kosmisko staru sadursmes parasti rada pozitronus un antiprotonus, taču izredzes izveidot antihēlija atomu joprojām ir ārkārtīgi mazas, jo šim procesam nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums. Tas nozīmē, ka vismaz viena antihēlija kodola novērošana būs spēcīgs pierādījums tam, ka citur Visumā ir milzīgs daudzums antimatērijas.

10. Cilvēki faktiski mācās, kā aprīkot kosmosa kuģus ar antimatter degvielu

Tikai nedaudz antimatērijas var radīt milzīgu enerģijas daudzumu, padarot to par populāru degvielu futūristiskiem zinātniskās fantastikas kuģiem.

Hipotētiski ir iespējama antimatter raķešu piedziņa; galvenais ierobežojums ir savākt pietiekami daudz antimatter, lai tas notiktu.

Pagaidām nav tehnoloģiju antimatērijas masveida ražošanai vai savākšanai tādā daudzumā, kāds vajadzīgs šādai lietošanai. Tomēr zinātnieki strādā pie tā, lai atdarinātu šādu antimateriālu pārvietošanos un glabāšanu. Kādu dienu, ja mēs atradīsim veidu, kā ražot lielu daudzumu antimatērijas, viņu pētījumi varētu palīdzēt piepildīties starpzvaigžņu ceļojumiem.