Антиматерия: свойства и методы исследования¶

Антиматерия — это материя, состоящая из античастиц, каждая из которых имеет ту же массу, но противоположный по знаку электрический заряд (и другие квантовые числа) по сравнению с соответствующей частицей обычной материей. Античастицы вступают во взаимодействие с обычной материей, приводя к их взаимному аннигиляции — превращению в энергию в виде электромагнитного излучения. Антиматерия не «выглядит» иначе на уровне отдельных частиц: её свойства определяются фундаментальными законами физики, а визуальное различие возможно лишь на макроскопическом уровне при определённых условиях.

¶Открытие античастиц

Первой предсказанный античастицей стал позитрон — антиэлектрон. В 1928 году Поль Дирак, решая уравнение, описывающее электрон в релятивистской квантовой механике, получил решения с отрицательной энергией, которые интерпретировал как существование частицы с массой электрона и положительным зарядом. В 1932 году Карл Андерсон, изучая космические лучи с помощью облаковой камеры, экспериментально обнаружил позитрон, подтвердив предсказание Дирака. За это открытие Дирак и Андерсон были удостоены Нобелевских премий по физике (1933 и 1936 годы соответственно).

В дальнейшем были открыты антипротон (1955, Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен) и антинейтрон (1955), а затем и античастицы всех известных элементарных частиц. В 1995 году в ЦЕРН впервые были синтезированы атомы антиводорода — антипротон, окружённый позитроном.

¶Как выглядит антиматерия

На уровне отдельных частиц антиматерия не имеет визуальных отличий от материи: позитрон неотличим от электрона по массе, размерам и другим свойствам, кроме знака заряда. Свет, испускаемый антиматерией (например, при аннигиляции), также неотличим от обычного света — фотон не является античастицей сам по себе.

Однако при макроскопическом рассмотрении возможны различия. Наиболее очевидный признак — поведение в магнитном поле: заряженные античастицы отклоняются в противоположную сторону по сравнению с обычными частицами. В облаковой камере или пузырьковой камере треки позитронов и электронов закручиваются в разные стороны, что и позволило Андерсону идентифицировать позитрон.

Если бы удалось собрать макроскопический объём антиматерии, его оптические свойства зависели бы от того, что его окружает. В вакууме антиматерия излучала бы свет так же, как обычная материя при тех же условиях. Однако при контакте с обычной материей произошла бы аннигиляция с выделением энергии: масса одной частицы и античастицы полностью превращается в энергию по формуле E = mc². При аннигиляции протона и антипротона образуется преимущественно пи-мезоны, которые затем распадаются в гамма-кванты и другие частицы.

¶Аннигиляция и энергетика

Энергия, выделяемая при аннигиляции, исключительно велика: полная конверсия массы в энергию означает, что 1 грамм антиматерии в контакте с 1 граммом материи выделил бы энергию, сопоставимую с несколькими десятками килотонн в тротиловом эквиваленте. Это делает антиматерию гипотетически привлекательным источником энергии, однако на практике её производство и хранение остаются крайне затратными.

¶Получение и хранение

Антиматерия не встречается в природе в сколь-нибудь значимых количествах: в окружающем мире она практически отсутствует, поскольку обычное вещество доминирует. Небольшие количества античастиц создаются в ускорителях частиц. В ЦЕРН с помощью ускорителя и накопительных колец удаётся производить и кратковременно хранить пикограммы антиматерии. Хранение осуществляется с помощью магнитных ловушек (так называемых «ловушек Пенниинга» или адиабатических ловушек), которые удерживают заряженные античастицы в вакууме, не допуская контакта с обычным веществом.

¶Роль в космологии

Вопрос о том, почему в наблюдаемой Вселенной преобладает материя, а не антиматерия (проблема барионной асимметрии), остаётся одной из открытых проблем физики. Согласно теории большого взрыва, материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах, однако наблюдения показывают, что вещество значительно преобладает. Механизмы, приведшие к этому дисбалансу, активно изучаются.

¶Применение

Основные области применения антиматерии:

• Медицина: позитроно-эмиссионная томография (ПЭТ) — метод медицинской диагностики, основанный на регистрации гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами в тканях организма. Пациенту вводится радиоактивный индикатор, испускающий позитроны.
• Фундаментальная физика: изучение симметрии материи и антиматерии, проверка фундаментальных законов сохранения.
• Гипотетические перспективы: рассмотрение антиматерии как компонента будущих энергетических систем и средств космической тяги, хотя практическая реализация остаётся за пределами современных технологий.

¶См. также

• Позитрон
• Аннигиляция
• ПЭТ-сканирование
• Барионная асимметрия

¶Источники

• «Физическая энциклопедия», т. 1, Советская энциклопедия, 1988.
• Anderson C. D. «The Positive Electron», Physical Review, 1932.
• Dirac P. A. M. «The Quantum Theory of the Electron», Proceedings of the Royal Society A, 1928.
• «Большая советская энциклопедия», 3-е издание.
• Публикации ЦЕРН по экспериментам с антиводородом (ALPHA, ATHENA).