Вещество и антивещество реферат

Обновлено: 05.07.2024

Материя имеет и сложное структурное строение. На основе достижений современной науки мы можем указать некоторые ее виды и структурные уровни. Известно, что до конца XIX в.естествознание не шло дальше молекул и атомов. С открытием радиоактивности электронов начался прорыв физики в более глубокие области материи. В настоящее время физикой открыто множество различных элементарных частиц.
Но все же классическая модель физики не может дать объяснение множеству феноменов Вселенной. Для разрешения этой проблемы была выдвинута гипотеза о существовании античастиц и состоящей из них антиматерии. Согласно теории, вещество и антивещество возникли в равных пропорциях сразу после Большого Взрыва. Однако существуют только косвенные признаки антиматерии: наблюдения за космосом не дали прямых указаний на ее присутствие.

Содержание работы

Аннотация 2
Введение 2
1.Состав и свойство антиматерии и античастиц. 4
2.Открытие античастиц. 7
Используемая литература: 16

Файлы: 1 файл

Аннотация.docx

1.Состав и свойство антиматерии и античастиц. 4

2.Открытие античастиц. 7

Используемая литература: 16

Эта работа посвящена проблеме изучения антиматерии и античастиц. В реферате будет рассмотрено общее описание антиматерии и античастиц, также процесс образования античастиц и их развитие. Описан процесс антинигиляции. Представлены различные исследования ученых, их разработки и опыты связанные с открытием новых возможностей .

Но все же классическая модель физики не может дать объяснение множеству феноменов Вселенной. Для разрешения этой проблемы была выдвинута гипотеза о существовании античастиц и состоящей из них антиматерии. Согласно теории, вещество и антивещество возникли в равных пропорциях сразу после Большого Взрыва. Однако существуют только косвенные признаки антиматерии: наблюдения за космосом не дали прямых указаний на ее присутствие.

В течение многих лет исследователи хотели создать значительное количество антивещества проверить так называемую Стандартную модель, которая описывает элементарные частицы и их взаимодействия. Антивещество разрушается всякий раз, когда он сталкивается с материей, превращаясь в обоих всплесков излучения. Сегодня, Вселенная состоит из преимущественно одной формы материи и ученые не уверены, почему это так.

Физики говорят, что массовое производство антиматерии, важный первый шаг на пути к точности исследования его свойств, которые могут помочь решить одну из величайших тайн Вселенной.

Состав и свойство антиматерии и античастиц.

Антиматерия – форма материи, в котором большинство атрибутов (электрические заряды, магнитный момент элементарных частиц имеют обратные знаки.

Почти все элементарные частицы имеют античастицы. Исключение составляют истинно нейтральные частицы, такие как кванты электромагнитного поля – фотоны.

По своим свойствам античастицы не отличаются от частиц. Из них можно образовать атомы и молекулы. Однако, Вселенная, в котором мы живем, содержит гораздо больше частиц, чем античастиц. Ответ на вопрос, почему так произошло, еще не найдена.

Античастицы могут быть созданы в ускорителях, например в CERN (Женева, Швейцария), лаборатории Ферми (США), в Центре ядерных исследований (Дубна, Россия).

Образование античастиц проходит обычно благодаря процессу, обращенном аннигиляции – процесса рождения пар. Для этого необходима энергия, больше суммарную массу частицы и античастицы.

Простейшие из античастиц – античастицы электронов – позитроны, возникают сравнительно часто вследствие различных ядерных реакций. Необходимая для этого энергия сравнительно невелика ввиду легкость лептонов – несколько больше 1 МэВ.

Античастицы барионов требуют для образования энергию более 1 ГэВ.

В результате удалось на много порядков увеличить время жизни атомов антиводорода: в эксперименте ALPHA атом антиматерии существует в течение десятой доли секунды, и этого вполне достаточно для изучения ее свойств

По другой теории существования антиматерии большинство частиц и античастиц аннигилировали сразу после Большого Взрыва, и лишь небольшие их скопления оказались разбросаны в разные концы космоса. Тогда где-то, очень далеко от нас должна находиться целая Вселенная из антиматерии, которую освещают анти-звезды и, может быть, населяет анти-жизнь. Положить конец всем спорам и предложить единую теорию антивещества поможет обнаружение химического элемента, полностью состоящего из античастиц. Возможно, какой-нибудь антипод водорода или гелия сможет рассказать ученым много нового – как он появился, откуда пришел и как сможет существовать в нашей материальной Вселенной.

Существование античастиц было впервые предсказано в 1930 году английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы.

Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. Это следует из общих принципов квантовой теории поля и подтверждается надежными экспериментальными данными.

С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них - частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e - , m - , t - , соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа - это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны ( g , Z 0 ), то есть все их квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W + , W - ) также образуют пары частица - античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков, должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав ( ), антинейтрон — ( ). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: p - - мезон состоит из кварков ( ), а p + мезон состоит из кварков ( ). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки ( например, p 0 , r , h - мезоны, куда входят пары кварков , и ); также мезоны будут истинно нейтральными.

Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их аннигиляция при столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е - + е + ® g + g . Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е - + е + ® m - + m + . В таких реакциях были открыты “очарованные” и “прелестные” частицы. В аналогичном процессе е - + е + ® t - + t + открыли тяжелый t - лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

Операция замены частиц на античастицы получила название зарядового сопряжения. Так как истинно нейтральные частицы тождественны своим античастицам, то при операции зарядового сопряжения они переходят сами в себя.

В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеет те же характеристики аналогичный процесс с соответствующими античастицами. Подобно тому как протоны и нейтроны благодаря сильному взаимодействию связываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовываться антиядра.

В 1965 году на ускорителе в США был получен антидейтрон. В 1969 году в Протвино на ускорителе Института физики высоких энергий советские физики открыли ядра антигелия-3, состоящие из двух антипротонов и антинейтрона. Затем были открыты и ядра антитрития - тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом.

Ведь аннигиляция только 1 грамма вещества и антивещества приводит к выделению 10 14 Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космических лучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нет сомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества.

Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах около 10 13 К количество частиц и античастиц почти совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов (10 -9 ) и дало сведения о величине избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом.

Антивещество – вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами – электронами с положительным электрическим зарядом. В противоположность этому, в “обычном” веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами.

Вещество и антивещество во вселенной – противоположности куда большие, чем огонь и вода.

Говоря о веществе и антивеществе, логично начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной частице соответствует античастица; обе имеют почти одинаковые характеристики, за исключением того, что у них противоположный электрический заряд. Если частица нейтральна, то античастица также нейтральна, но они могут различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица и античастица тождественны друг другу.

Так, электрону – отрицательно заряженной частице – соответствует позитрон, а античастицей протона с положительным зарядом является отрицательно заряженный антипротон. Позитрон был открыт в 1932, а антипротон – в 1955; это были первые из открытых античастиц. Существование античастиц было предсказано в 1928 на основе квантовой механики английским физиком П.Дираком.

Столкновение вещества и антивещества: мир против антимира

Аннигиляция происходит и при столкновении протона с антипротоном, но процесс в этом случае протекает гораздо сложнее. В качестве промежуточных продуктов взаимодействия рождается ряд короткоживущих частиц; однако спустя несколько микросекунд как окончательные продукты превращений остаются нейтрино, гамма-кванты и небольшое число электрон-позитронных пар. Эти пары в конечном итоге могут аннигилировать, создавая дополнительные гамма-кванты. Аннигиляция происходит и при столкновении антинейтрона с нейтроном или протоном.

Коль скоро существуют античастицы, возникает вопрос, не могут ли из античастиц образовываться антиядра. Ядра атомов обычного вещества состоят из протонов и нейтронов. Самым простым ядром является ядро изотопа обычного водорода 1H; оно представляет собой отдельный протон. Ядро дейтерия 2H состоит из одного протона и одного нейтрона; оно называется дейтроном.

Еще один пример простого ядра – ядро 3He, состоящее из двух протонов и одного нейтрона. Антидейтрон, состоящий из антипротона и антинейтрона, был получен в лаборатории в 1966; ядро анти-3He, состоящее из двух антипротонов и одного антинейтрона, было впервые получено в 1970.

Согласно современной физике элементарных частиц, при наличии соответствующих технических средств можно было бы получить антиядра всех обычных ядер. Если эти антиядра окружены надлежащим числом позитронов, то они образуют антиатомы. Антиатомы обладали бы почти в точности такими же свойствами, как и обычные атомы; они образовали бы молекулы, из них могли бы формироваться твердые тела, жидкости и газы, в том числе и органические вещества.

Например, два антипротона и одно ядро антикислорода вместе с восемью позитронами могли бы образовать молекулу антиводы, сходную с обычной водой H2O, каждая молекула которой состоит из двух протонов ядер водорода, одного ядра кислорода и восьми электронов. Современная теория элементарных частиц в состоянии предсказать, что антивода будет замерзать при 0° С, кипеть при 100° С и в остальном вести себя подобно обычной воде.

Продолжая такие рассуждения, можно прийти к выводу, что построенный из антивещества антимир был бы чрезвычайно сходен с окружающим нас обычным миром. Этот вывод служит отправной точкой теорий симметричной Вселенной, основанных на предположении, что во Вселенной равное количество обычного вещества и антивещества. Мы живем в той ее части, которая состоит из обычного вещества.

Насколько распространено антивещество во вселенной?

Если привести в соприкосновение два одинаковых куска из веществ противоположного типа, то произойдет аннигиляция электронов с позитронами и ядер с антиядрами. При этом возникнут гамма-кванты, по появлению которых можно судить о происходящем. Поскольку Земля по определению состоит из обычного вещества, в ней нет заметных количеств антивещества, если не считать мизерного числа античастиц, рождающихся на больших ускорителях и в космических лучах. То же самое относится и ко всей Солнечной системе.

Наблюдения показывают, что в пределах нашей Галактики возникает лишь ограниченное количество гамма-излучения. Отсюда ряд исследователей делают вывод об отсутствии в ней сколько-нибудь заметных количеств антивещества. Но этот вывод не бесспорен. В настоящее время нет способа определить, например, состоит ли данная близкая звезда из вещества или антивещества; звезда из антивещества испускает точно такой же спектр, как и обычная звезда.

Если раньше не было убедительных аргументов в пользу существования антивещества, то теперь успехи рентгеновской и гамма-астрономии изменили положение. Наблюдались явления, связанные с огромным и часто в высшей степени беспорядочным выделением энергии. Вероятнее всего, источником такого энерговыделения была аннигиляция.

Шведский физик О.Клейн разработал космологическую теорию, основанную на гипотезе симметрии между веществом и антивеществом, и пришел к выводу, что процессы аннигиляции играют решающую роль в процессах эволюции Вселенной и формирования структуры галактик.

Антивещество стоит просто немыслимых денег, а точнее – получение антивещества, стоит немыслимых денежных трат

Сколько стоит 1 грамм антивещества?

В нашем мире, все принято измерять в деньгах, поэтому как только люди узнают о природе антивещества и о том, насколько редко антивещество встречается, то сразу же возникает и следующий вопрос – а сколько же тогда стоит антивещество? На самом деле, всё уже давно посчитано:

По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов.
По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков.
По оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило 25 миллионов долларов США.

Как видите, деньги действительно большие. Однако, сам вопрос – сколько стоит антивещество поставлен неверно. Учитывая, что нельзя просто выйти в поле и наловить себе пару миллиграмм антивещества, или накопать его в шахте – в природе сия редкость не встречается. Остается одно – добывать его в коллайдерах, тратя на это астрономическое количество электроэнергии, человекочасов и т.п., уже вполне реальных величин.

Вот и получается, что речь идет не о “стоимости” антивещества как такового, а о “цене за усилия, которые нужно приложить, для получения” антивещества. Иначе говоря, заработать на этом нельзя, можно только потратится.

Так что, если в ваши планы входит приобретение недорого ускорителя частиц, с помощью которого вы рассчитываете “намайнить” (по аналогии с модным биткоином) себе немножко антивещества – бросайте эту затею.

Понятие и происхождение антивещества - материи, построенной из античастиц. Отличия частиц и античастиц, которые имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного. Поведение античастиц.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	09.11.2010
Размер файла	26,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Кафедра общей физики

Тема: ”Античастицы и антивещество”

СТУДЕНТ: Ефименко Д. В.

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Усольцева Н.Я.

Антивещество - материя, построенная из античастиц. Существование античастиц было впервые предсказано в 1930 году английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них - частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e - , - , - , соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа - это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны (, Z 0 ), то есть все их квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W + , W - ) также образуют пары частица - античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков, должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав (), антинейтрон -- (). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: - - мезон состоит из кварков (), а + мезон состоит из кварков (). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки ( например, 0 ,,- мезоны, куда входят пары кварков , и ); также мезоны будут истинно нейтральными.

Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их аннигиляция при столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е - + е + + . Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е - + е + - + + . В таких реакциях были открыты “очарованные” и “прелестные” частицы. В аналогичном процессе е - + е + - + + открыли тяжелый - лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах около 10 13 К количество частиц и античастиц почти совпадало: на большое количество антипротонов ( примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов (10 -9 ) и дало сведения о величине избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом.

Откуда же взялся этот избыток? Одна из гипотез предполагает, что в начальном состоянии число частиц и античастиц совпадало, но затем из-за особенностей в динамике их взаимодействия возникла асимметрия.

Аннигиляция -- это единственный процесс, в котором исчезает обе начальные частицы и вся их масса полностью переходит, например, в энергию фотонов. Никакая другая реакция, используемая в энергетике, таким свойством не обладает. И при делении урана, и в процессах термоядерного синтеза в энергию превращается лишь небольшая часть (порядка десятых долей процента) массы покоя частиц, участвующих в реакции. Поэтому аннигиляция антивещества с веществом даёт в тысячу раз больше энергии, чем при делении такого же количества урана. Если бы в нашем распоряжении была небольшая планетка из антивещества, то все проблемы с энергетическим кризисом сразу отпали. Предположим мы научились бы переводить всю энергию аннигиляции в электрическую. Тогда для того, чтобы обеспечить планету годовым запасом электроэнергии, надо отколоть от планеты и подвергнуть аннигиляции всего лишь 1000-килограммовый кусок антивещества. Сравните эти 1000 килограмм с сотнями миллионов тонн угля и нефти, которые мы добываем ежегодно, чтобы решить ту же самую задачу!

Сколько энергии выделяется на 1 грамм топлива

1. Аннигиляция вещества и антивещества10 14 джоулей

2. Деление урана10 11 джоулей

3. Сжигание угля 2,910 4 джоулей

Антивещество было бы идеальным топливом ещё и потому, что оно не загрязняет окружающую среду. После аннигиляции в конечном счёте остаются только фотоны высокой энергии и нейтрино.

Нашу Землю регулярно бомбардирует поток космических лучей -- частиц высоких энергий, которые генерируются при различных процессах, происходящих в нашей Галактике. Большую часть этих частиц составляют протоны и ядра гелия.

Но недавно, в 1979 году, в космических лучах были найдены и антипротоны. Об этом сообщили сразу две группы: советские физики из Ленинградского физико-технического института имени А. И. Иоффе и американские учёные из Центра космических полётов имени Л. Джонсона. Позитрон был обнаружен в космических лучах в 1932 году. Такой большой промежуток времени между открытием в космических лучах позитрона и антипротона объясняется тем, что антипротон намного сильнее взаимодействует с веществом, чем позитрон. антипротоны из космоса не успевают дойти до поверхности Земли, они аннигилируют уже в самых верхних слоях атмосферы. Именно поэтому поиск антипротонов в космических лучах представляет собой сложную техническую задачу. Надо поднять детектор как можно выше, к границе атмосферы. Все эксперименты по поиску античастиц в космических лучах были выполнены на аэростатах. Например, в опытах Р. Голдена воздушный шар поднимал на высоту 36 километров примерно 2 тонны аппаратуры.

Но можно ли считать, что эти антипротоны прилетели к нам из Антимира? Вообще говоря, нельзя. В космических лучах есть протоны достаточно высокой энергии, и при столкновении с частицами, например, межзвёздного газа они могут рождать антипротоны в той же самой реакции, что идёт на ускорителях:

Таким образом, сам факт обнаружения антипротонов в космических лучах можно объяснить, не привлекая гипотезы об антимире,

В космических лучах наблюдались обычные ядра многих элементов таблицы Менделеева, вплоть до Урана. Однако ни одного антиядра в космических лучах до сих пор обнаружено не было. Правда пределы, которые были получены в опытах по поиску антиядер ещё не настолько низки, чтобы можно уверенно исключить возможность их существования. Сторонники Антимира считают, что поток ядер антигелия должен быть в 10 раз меньше той величины, которую удалось измерить на сегодняшний день. Предсказываемое значение не слишком мало и в принципе достижимо уже в ближайшем будущем.

Надо сказать, что если бы удалось обнаружить хотя бы одно ядро антигелия, а ещё лучше -- антиуглерода, то это бы стало исключительно серьёзным подтверждением гипотезы о существовании Антимира. Дело в том, что вероятность создать антигелий за счет столкновения протонов космических лучей с веществом межзвёздного газа пренебрежимо мала, меньше 10 -11 . В то же время если существуют антизвёзды, то в них антиводород должен перегорать в антигелий, а затем в антиуглерод.

У нас нет надёжных доказательств того, что какие-либо частицы Антимира прилетают к нам на Землю. Пока мы не наблюдали ни одного антиядра; результаты по измерению потока антипротонов не могут расцениваться как доказательство существования Антимира -- слишком много для этого требуется предположений, которые нуждаются в объяснении и проверки. Вместе с тем наши экспериментальные результаты не настолько полны и точны, чтобы совсем закрыть возможность существования Антимира.

Однако данные по космическим лучам могут наложить некоторые ограничения на примесь антивещества в нашей Галактике. Считается, что почти все космические лучи генерируются в процессах, которые происходят “внутри” нашей Галактики. Поэтому доля антивещества, возможно существующего в Галактике, не должна превышать доли антипротонов и антиядер в космических лучах. Известно, что в космических лучах отношение числа антипротонов к числу протонов приблизительно равно 10 -4 , а отношение числа ядер антигелия к числу протонов по крайней мере меньше 10 -5 .

Отсюда делается вывод: примесь антивещества в Галактике меньше 10 -4 -- 10 -5 . Это означает, что экспериментальные данные по космическим лучам не противоречат наличию, грубо говоря, одной антизвезды на каждые 10 -- 100 тысяч обычных звёзд. Подчеркнём, что такая оценка отнюдь не является доказательства существования антизвёзд. Совершенно неясно, как могли такие антизвёзды образоваться в нашей Галактике.

Свет от антизвезды нельзя отличить от видимого света обычных звёзд. Однако процессы термоядерного синтеза, который обеспечивает “горение” звёзд, идут по-разному для звёзд и антизвёзд. Если в первом случае реакции термоядерного синтеза сопровождаются испусканием нейтрино, например в таких процессах:

То в антизвёздах аналогичные реакции приводят к вылету антинейтрино:

С экспериментальной точки зрения более выгодно искать громадные потоки антинейтрино, которые могут возникать на последней стадии эволюции антизвёзд. Дело в том, что когда звезда исчерпывает все свои запасы термоядерного топлива, она начинает катастрофически быстро сжиматься под действием своих гравитационных сил. Если масса звезды составляет одну-три массы Солнца, то это сжатие продолжается до тех пор, пока электроны не “вдавятся” внутрь атомных ядер, из которых состоит звезда. Пи этом происходит превращение протонов ядер в нейтроны и испускаются нейтрино:

Когда звезда почти целиком будет состоять из нейтронов, сжатие прекратится, так как силы гравитационного притяжения будут уравновешены мощными силами отталкивания, которые происходят между нейтронами. Происходит образование так называемой нейтронной звезды -- стабильного объекта с исключительно большой плотностью и малыми размерами. Радиус нейтронной звезды с массой Солнца порядка 10 километров (радиус Солнца порядка 700 000 километров).

Ясно, что при коллапсе антизвезды должны образоваться антинейтроны, и процесс образования антинейтронной звезды будет сопровождаться испусканием антинейтрино:

Поток таких антинейтрино должен быть исключительно велик, ведь при коллапсе практически каждый из громадного числа протонов звезды, превращаясь в нейтрон, даёт одно нейтрино: число антинейтрино число антипротонов в антизвезде 10 57 .

Уже существующие нейтринные телескопы могут зарегистрировать возникновение такой колоссальной нейтринной вспышки, если она произошла в нашей Галактике.

Статья посвящена исследованию антивещества, что оно представляет в общем. В статье говорится об истории получения, а также о методах его получения. Особое внимание уделяется вопросам получение такого вещества и устройстам удерживания на болеe длительные сроки. В заключении рассматриваются вопросы, связанные с получением более дешёвых, качественных и безопасных средств, без которых использование таких видов энергии пока ещё недостаточно надёжно.

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 лазер 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 неслыханную тягу.

Получение такого количества антивещества является первым шагом к разгадке одного из парадоксов нашего мира, передает ИТАР-ТАСС. Согласно общепринятым теориям, в момент образования Вселенной создавалось одинаковое количество вещества и антивещества. По физическим законам они должны были немедленно войти в соприкосновение и уничтожить друг друга с выделением огромной энергии. Однако этого не случилось, и сейчас ученые пытаются понять, куда делось антивещество и какие потенциальные опасности оно несет для нашей Вселенной.

Антивещество — штука достаточно популярная, как в научной фантастике, так и просто в околонаучных спорах о том, “как все устроено на самом деле”. Фантасты нам подарили звезды и целые планетные системы из антивещества. Дэн Браун через “Ангелов и демонов” донес этот феномен практически до каждого.

Это статья написана в продолжении ну о-о-очень вялотекущего цикла о нейтринной физике: открытие нейтрино, нейтринные осцилляции для чайников, нейтрино от сверхновых.

Немного истории

Начало квантовой механики

Зайдем издалека, почти с самого создания квантмеха. У физиков никак не получалось посчитать, как светится нагретое тело. То, что оно светится никто не спорит, благо невооруженным глазом видно, но вот в цифрах посчитать не получается — интеграл расходится, получается бесконечность. Макс Планк предлагает простой трюк — давайте будем считать, что свет излучается порциями, а не непрерывно. И вуаля — бесконечность исчезает, а результат расчетов отлично сходится с экспериментом. Забавно, что Планк очень долго доказывал, что это трюк чисто математический, и никакого физического смысла тут нет. Эйнштейн же сразу подхватил эту идею и предположил, что свет вообще существует исключительно в виде отдельных порций — фотонов. И потом еще долго спорил с Планком и объяснял ему, что тот открыл на самом деле.

Тут-то физики и развернулись. Возможность описать свет и как волну, и как летящую частицу сразу же вызвало предложение пройти обратным путем — описать частицу как волну, посчитать для нее волновые характеристики: длину, частоту. Экспериментальное подтверждение не заставило себя долго ждать, и в 1927 году удалось продемонстрировать интерференцию электронов при прохождении через две щели — чисто волновой эффект!

На волне этих идей Шредингер придумывает как описать любые частицы с помощью волнового уравнения. Не будем погружаться глубоко в математику, скажем лишь, что это уравнение позволяло для заданных условий вычислить волновые характеристики частицы: вероятность найти ее в том или ином месте, вероятность иметь определенную скорость и тд. Так в те времена описывали феномен корпускулярно-волнового дуализма.

Антивещество выходит на сцену

За 20 лет до этого Эйнштейн сформулировал свою специальную теорию относительности. В контексте нашей статьи чрезвычайно важна установленная им связь между массой, энергией и импульсом. Большинство людей вспомнят это знаменитое выражение только для покоящейся частицы . Она простая, красивая, но, к сожалению, не применима для движущихся частиц. Для них еще нужно учитывать и импульс (р):

И вот тут и сидит множество проблем! Они и приведут к открытию антивещества!

Уравнение Шредингера хорошо работало для не очень быстрых частиц. В таких случаях оставались верными знакомые всем со школы уравнения ньютоновской механики. Но нас окружает множество очень быстрых частиц и для них нужно использовать приведенное выше уравнение, связывающее энергию, импульс и массу. Проблема была в извлечении корня для нахождения энергии. Поль Дирак в 1930 придумал хитрый способ сделать это при помощи матриц и обобщил уравнение Шредингера на высокоэнергетичные частицы.

Если допустить существование таких состояний с отрицательной энергией (и положительным зарядом), то в физике наступит полнейший хаос. Давайте рассмотрим это на примере простой картинки:

Здесь по вертикальной оси отложена энергия частицы. Сверху на желтом фоне обычные электроны с положительной энергией и отрицательным зарядом. Чем больше энергия, тем больше скорость — все интуитивно понятно. Но вот внизу… Огромная синяя экзотическая область. Там, если энергия уменьшается, иными словами уходит глубже в минус, то скорость растет. Это вообще как?!

Дальше — хуже. Ведь любая система стремится к минимуму энергии, шарик всегда будет стремиться оказаться на дне ямки. Так и абсолютно все электроны будут стремиться упасть в самый-самый низ, безостановочно разгоняясь… В общем, не останется в мире электронов.

Дирак, будучи влюбленным в красоту математики, настаивал, что решение должно иметь смысл. За это он был неоднократно критикован. Его объявляли в слепом следовании математике, несмотря на физический смысл. Достаточно привести цитату Гейзенберга, к слову, близкого друга Дирака:

Самой печальной главой современной физики есть и остается теория Дирака…
Я считаю ее попросту мусором, к которому никто не может относиться серьезно.

Но Дирак продолжил спасать свою теорию, а заодно и всю физику. Он предположил, что эта синяя область уже заполнена электронами, и именно поэтому они туда сверху не падают — места нет (помните принцип Паули?). Просто свойство вакуума такое, что вся синяя область заполнена. Такой заполненный слой частиц называют “морем Дирака”. Тут любопытно рассмотреть два случая:

Можно электрон в синей области очень сильно пнуть, например, фотоном. Он получит большую энергию и выскочит в желтую зону. Теперь у нас будет электрон (с положительной энергией — все в порядке) и дырка (отсутствие электрона) в синей зоне, которая будет вести себя как положительная частица.
Отрицательно заряженный электрон, естественно, будет притягиваться к положительной дырке и даже может в нее упасть. Тогда и электрон перестанет существовать, и дырка — она же заполнится.

Экспериментальное открытие

Предполагается, что первым странные частицы наблюдал Дмитрий Скобельцын в 20х годах. Ему удалось заметить в детекторе треки, похожие на электрон, но с положительным зарядом. Объяснить такой эффект он не смог, и статья опубликована не была.

Следующий шаг сделали в Кембридже Блэкетт и Оккиалини. Они сумели сфотографировать достаточно большое число треков легких положительных частиц. Они уже знали о теории Дирака, но все равно не воспринимали ее всерьез.

Андерсон, прочитав работу коллег, опубликовал второе, более подробное описание своих экспериментов. Наконец, под напором большого числа доказательств общественность признала открытие позитрона — именно так была названа предсказанная Дираком частица. За свое открытие Андерсон получил в 1936 году Нобелевскую премию.

Замечу, что на сегодняшний день наблюдать антивещество может каждый. Инструкций как сделать облачную камеру Вильсона полно (например). Остается только добавить к ней электромагнит для разделения разноименно заряженных частиц.

Теперь мы знаем, что антивещество существует. В четком согласовании с теорией частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположные заряды. Обычно говорят об электрическом заряде. Но стоит помнить, что и другие квантовые заряды должны быть строго противоположны (или оба равны нулю). То есть, если частица участвует в сильном ядерном взаимодействии, то и античастица никуда не денется — будет участвовать.

Антивещество во вселенной

Первое антивещество было обнаружено при помощи космических лучей. Сами эти лучи до земли не долетали, но порождали целые ливни вторичных частиц в атмосфере планеты. Вот их-то и увидел Андерсон и компания. Совершенно логично задаться вопросом — а сколько этого антивещества во Вселенной и где его искать? Как мы видим, на Земле его нет, иначе оно бы активно аннигилировало с обычным веществом. Есть ли оно в космосе? Тут ответить не так-то просто. В основном мы наблюдаем космос в электромагнитных лучах. То есть к нам прилетают фотоны. Они являются сами себе античастицей. И позитрон, и электрон породили бы абсолютно одинаковый фотон. Как и водород/антиводород. А вдруг все (кроме Земли) сделано из антивещества? И тогда при встрече нас ждет полное уничтожение в мощнейшей вспышке.
В реальности, космос не такой уж и пустой. В Солнечной системе полно астероидов, комет и пыли. Пыль, в астрономии — это, на всякий случай, все, что меньше метра в диаметре. Всё это постоянно сталкивается и взаимодействует друг с другом. Если бы где-то встретились мир и антимир, мы бы это сразу увидели. Давайте смотреть шире — галактика Млечный путь. Но и в ней полно газовых облаков, они не изолированы друг от друга. Граница мира и антимира должна была бы сиять очень и очень ярко. Хорошо, с галактикой понятно. Если идти в самые темные области Вселенной — в пространство между сверхскоплениями галактик, то и там найдется несколько атомов водорода на сотню кубометров. Да, это очень мало, но сигнал от аннигиляции должен приходить строго на одной частоте. Редкие события будут происходить во Вселенной постоянно и сигнал с четко определенной энергией не составит труда обнаружить. Пока что наши наблюдения показывают, что антивещества в больших масштабах во Вселенной нет.

Возникает фундаментальнейший вопрос: как же образовалось полное доминирование вещества над антивеществом? Можно предложить два сценария:

Давайте постулируем, что во Вселенной с самого начало было больше вещества. С самого начала Большого Взрыва.
Изначально, вещество и антивещество были в равных пропорциях. Затем каким-то образом вещества оказалось больше.

Условия Сахарова

Что же нам понадобится, чтобы создать такую асимметрию?

1) Необходим процесс, который меняет . Ведь понятно, что если мы рождаем/уничтожаем барионы и анти-барионы (читай, кварки/анти-кварки) вместе, то симметрию мы не нарушим.

Думаете это все? Как бы не так!
Вот нашли мы процесс, который создает больше барионов, чем анти-барионов. Открываем шампанское? Нет. Может запросто отыскаться зеркальный процесс, который создает анти-барионов больше ровно на такое же количество.

2а) Необходимо отличие в процессах для частиц и для анти-частиц. Это называется нарушением С-симметрии (charge, зарядовая).

Всего в физике три фундаментальных симметрии — C, P, T. С первыми двумя вы познакомились, третья — временная, меняем течение времени на противоположное. Все вместе они должны сохраняться. Иначе поломается.

Чтобы как-то упорядочить кашу в вашей голове, которая уже окончательно заварилась, давайте посмотрим на простую картинку, которая наглядно покажет, что и как каждая симметрия меняет. Допустим у нас есть ядро кобальта. Оно представляет из себя маленький магнит, или, выражаясь более строго, имеет не нулевой спин. Ядро это радиоактивное и может испускать электроны. Как будет выглядеть эта картина, если мы применим разные симметрии?

С — меняет частицы на античастицы
P — меняет направление движения на обратное, но сохраняет направления вращения. Ведь если взять шарик летящий по кругу, развернуть его скорость и поместить в противоположную сторону окружности, он продолжит крутиться в ту же сторону. Спин (намагниченность) часто отождествляют именно с вращением, поэтому он при зеркальном отображении не меняется.

3) Все это должно сопровождаться дико неоднородными процессами: какой-нибудь фазовый переход или неоднородное расширение.

Третье условие во Вселенной соблюдалось, неоднородности там были страшные. Первое условия выходит за рамки этой и без того подробной статьи. Скажу только, что пути решения этой проблемы есть. Сосредоточимся на наиболее интересном, на мой взгляд, пункте под номером 2.

Нарушения в кварках

На первый взгляд условия кажутся фантастическими. Ведь мы же почти уверены, что частицы и античастицы абсолютно симметричны. А уж лево-право тем более! Не может же природа сама, без вмешательства человека определить, где лево, а где право? Оказывается может.
В 1956 году Ву проводит свой знаменитый эксперимент. Всё в точности, как на картинке, приведенной выше для пространственной (P) симметрии. Она сравнивает количество электронов, вылетевших вверх и вниз. И оно оказывается разным! Законы физики отличаются для нашего и зеркального мира.
Сказать, что физики удивились — ничего не сказать. Ландау потеря этой симметрии страшно разочаровала. Но он был уверен, что уж комбинированная симметрия частиц/античастиц и право/лево (CP) должна сохраняться.

Спойлер — нет. В 1964 году, наблюдая за К мезонами, удалось обнаружить нарушение CP симметрии. Спустя годы, этот эффект удалось открыть для B мезонов (2001), а этой весной (2019) было объявлено от открытии этого эффекта для D мезонов. Почему для разных частиц это важно? Они состоят из разных кварков. То, что эффект работает одинаково для всех из них, очень хорошо показывает, что наша кварковая модель отлично описывает реальность.

Казалось бы, всё, что нам нужно для создания Вселенной готово. Но нет. Эффект оказался слишком мал. Его не хватало даже для того, чтобы создать тот самый один лишний кварк на 10 000 000 000 пар кварк-антикварк.

Как могут помочь нейтрино

Итак, решить эту проблему с помощью кварков не получилось. Что еще есть в Стандартной Модели элементарных частиц, что может помочь?

Лептоны (электрон, мюон, нейтрино и тд). Для них наблюдается такой интересный эффект: они могут по кругу менять свои сорта — превращаться друг в друга, этот процесс называется нейтринными осцилляциями. И вот именно в этом процессе можно найти так необходимое физике CP нарушение, которое может оказаться гораздо сильнее, чем для кварков.

В мире действует достаточно экспериментов, исследующих этот эффект. Но для того, чтобы измерить разницу между свойствами нейтрино и антинейтрино нужно наблюдать в одинаковых условиях оба этих типа частиц. Причем необходима огромная статистика, ведь эффект ожидается чрезвычайно малым. Обычно природа не так сильно чувствительна к разнице частиц и античастиц. В настоящий момент на такие измерения способны только ускорительные эксперименты, которые измеряют осцилляции нейтрино при пролете им сотен километров. Давайте разберем что это такое и как такое реализуют.

Ускорительные эксперименты с нейтрино

Еще в 60х годах 20го века впервые удалось использовать ускорители для рождения большого числа нейтрино. В начале 21го века эту технологию начали применять для исследования нейтринных осцилляций. Схема получения интенсивного пучка нейтрино достаточно простая: пучок протонов направляется на графитовую мишень, где сталкивается с атомами углерода. При этих столкновениях вылетает большое количество мезонов (пар кварк-антикварк). Это заряженные нестабильные частицы. Пока они не распались их фокусируют магнитным полем, чтобы создать интенсивный пучок, направленный строго в детектор. А потом они распадаются на нейтрино, и вот у нас уже огромное количество нейтрино летит строго в детектор.

Одним из ведущих экспериментов в мире в этой области — T2K (Tokai-to-Kamioka), построенный в Японии.

Нейтрино производятся на восточном побережья Японии с помощью ускорителя протонов. Затем они пролетают в толще Земли 300 километров и попадают в дальний детектор — 50 килотонную бочку с водой SuperKamiokande. На своем пути они могут менять свой тип: превращаются из мюонных нейтрино в электронные. Недавно были получены указания на то, что нейтрино и антинейтрино ведут себя по разному. А именно, нарушают ту самую CP симметрию.
Возможно, это составная часть механизма, который и позволил нашей Вселенной сформироваться почти исключительно из вещества.

Фотография внутри SuperKamiokande во время работ в прошлом году. У дальней стены видны люди в лодке, слева на плоту также работает человек.

Сейчас в мире работают два ускорительных нейтринных детектора T2K в Японии и NOvA в США. В ближайшее десятилетие планируются эксперименты нового поколения HyperKamiokande в Японии и DUNE в США. Первый будет представлять из себя существенно улучшенную версию SuperKamiokande. Бочка с водой станет в 5 раз больше, светочувствительные элементы станут более точными — все это позволяет надеяться на окончательное решение вопроса с отличием в поведении нейтрино и антинейтрино.

А должны ли частицы отличаться от античастиц.

Говоря о разнице между частицами и античастицами, нельзя не упомянуть еще одну интересную особенность нейтрино. С самого начала статьи мы подразумевали, что, например, кварк и антикварк отличаются друг от друга. То есть они суть разные частицы. Для заряженных частиц это всегда так, ведь ее партнер должен обладать противоположным зарядом. Очевидно же, что они должны отличаться.

С нейтральными частицами все сложнее. Вдруг они могут являться и частицами и античастицами одновременно? Да, могут! Итальянский физик Этторио Майорана показал, что для нейтрино эти два состояния могут совпадать. Нейтрино уникально в том смысле, что ни кварки, ни заряженные лептоны (например, электрон/мюон) никак не могут обладать таким свойством.

Возможно, тут сообразительный читатель вспомнит про нейтрон — нейтральную частицу, которая вместе с протоном образует ядра атомов. Но нет, нейтрон — составная частица. Она состоит из кварков, а значит антинейтрон должен состоять из антикваров. Поскольку кварки обладают зарядом, то их антипартнеры должны отличаться от оригинальных частиц.

Нейтрино — уникальная в этом плане частица. И какую же пользу мы можем из этого извлечь? Представим себе нейтрино, которое родилось в обычном бета-распаде. Это будет анти-нейтрино. Вместе с ним из ядра вылетит электрон. Но вот взаимодействовать это анти-нейтрино может не как анти-частица, а как частица, ведь они могут быть одинаковые. В результате получится еще один электрон.

В результате: из ничего мы получили два электрона. Не позитрона, а именно электрона! Вот пример того, как можно получить преимущество вещества над антивеществом. Сейчас ведутся активные поиски аналога такого процесса. Он называется безнейтринный двойной бета-распад. Невероятно чувствительные установки (раз, два, три и т.д.) стоят глубоко под землей для защиты от проникающих лучей, часто в очень чистой среде. Они пытаются зарегистрировать хоть одно такое событие, которое приведет к рождению двух электронов из двух нейтронов. Открытие такого эффекта позволит однозначно указать, что нейтрино и антинейтрино — тождественные частицы. Но пока такие события не найдены и поиски продолжаются.

Уже в ближайшие годы мы можем ожидать интересных открытий в нейтринной физике, которые могут пролить свет на проблему доминирования вещества во Вселенной.

(с) Symmetry Magazine

Все, теперь моя совесть по уточнениям чиста:)

Читайте также: