Антиматерия: свойства, получение и изучение¶

Антиматерия — это материя, состоящая из античастиц, которые обладают той же массой и спином, что и соответствующие частицы обычной материи, но противоположными значениями электрического заряда и некоторых других характеристик (например, барионного и лептонного зарядов). При взаимодействии частицы и её античастицы происходит аннигиляция — полное превращение их массы в энергию в виде фотонов или других частиц.

¶История открытия

Концепция антиматерии возникла как следствие релятивистской квантовой механики. В 1928 году британский физик Поль Дирак вывел уравнение, описывающее движение электрона с учётом принципов теории относительности. Уравнение Дирака предсказывало существование решений с отрицательной энергией, что физически интерпретировалось как существование частицы с массой электрона, но положительным зарядом. В 1932 году американский физик Карл Андерсон, изучая космические лучи в камере Вильсона, обнаружил следы такой частицы и назвал её позитроном. За это открытие Андерсон получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году.

В 1955 году на протонном синхротроне в Беркли (США) был открыт антипротон, а в 1956 году — антинейтрон. В 1965 году в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) и в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) были независимо синтезированы первые атомы антиводорода, состоящие из антипротона и позитрона.

¶Свойства и классификация

Античастицы существуют для всех известных элементарных частиц. Основные типы античастиц:

• Антилептоны — позитрон (античастица электрона), антимюон, антитаон и соответствующие антинейтрино.
• Антибарионы — антипротон и антинейтрон, состоящие из антикварков.
• Антиатомы — связанные состояния антипротонов и позитронов, например антиводород.

Свойства античастиц симметричны свойствам обычных частиц: масса, время жизни (для нестабильных частиц) и модуль заряда совпадают, а знак заряда противоположен. По современным данным, гравитационное взаимодействие антиматерии с обычной материей также является притяжением, хотя точные эксперименты по проверке этого положения продолжаются.

¶Аннигиляция

При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция. Например, при аннигиляции электрона и позитрона образуются два или три гамма-кванта с суммарной энергией, равной сумме энергий покоя обеих частиц (не менее 1,022 МэВ). При аннигиляции протона и антипротона рождаются несколько пионов, которые затем распадаются на фотоны, нейтрино и электроны. Обратный процесс — рождение пары частица-античастица — возможен при столкновении фотонов высоких энергий или в полях атомных ядер.

¶Асимметрия вещества и антивещества

Одной из фундаментальных проблем физики является барионная асимметрия Вселенной: наблюдаемая Вселенная состоит практически исключительно из вещества, а не из антивещества. Теоретически ожидалось, что в результате Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии, однако этого не наблюдается. Для объяснения этого факта привлекаются условия Сахарова: нарушение барионного числа, нарушение CP-симметрии и отклонение от теплового равновесия. Нарушение CP-симметрии экспериментально обнаружено в распадах K-мезонов (1964) и B-мезонов (2001), однако его величины недостаточно для объяснения наблюдаемой асимметрии. Поиски других источников CP-нарушения, в том числе в нейтринных осцилляциях, продолжаются.

¶Получение и хранение

Античастицы не встречаются в природе в естественном виде на Земле в сколько-нибудь значимых количествах, поскольку мгновенно аннигилируют при контакте с веществом. Их получают искусственно:

• Позитроны образуются при бета-распаде некоторых радиоактивных изотопов (например, натрий-22) и в процессах рождения пар в ускорителях.
• Антипротоны производятся на протонных ускорителях высоких энергий (например, в ЦЕРНе), где пучок протонов направляется на металлическую мишень.
• Атомы антиводорода синтезируются путём смешивания пучков антипротонов и позитронов в ловушках Пеннинга.

Хранение античастиц осуществляется в вакуумных ловушках с электромагнитными полями, поскольку любой контакт с веществом приводит к аннигиляции. В эксперименте ALPHA в ЦЕРНе удавалось удерживать атомы антиводорода в магнитной ловушке до 15 минут.

¶Применение

Несмотря на сложность получения, антиматерия находит практическое применение в ряде областей:

• Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — метод медицинской диагностики, основанный на регистрации гамма-квантов, образующихся при аннигиляции позитронов, излучаемых радиофармпрепаратами.
• Научные исследования — изучение свойств античастиц позволяет проверять CPT-инвариантность (симметрию между частицами и античастицами), а также исследовать фундаментальные взаимодействия.
• Гипотетические двигатели — рассматриваются проекты космических двигателей на антиматерии, однако из-за колоссальной стоимости производства (оценивается в миллиарды долларов за миллиграмм) они остаются в области теоретических разработок.

¶Антиматерия в культуре

Тема антиматерии широко используется в научной фантастике как источник энергии и оружие (например, в романах Айзека Азимова, сериале «Звёздный путь»). В массовом сознании антиматерия часто ошибочно воспринимается как «взрывчатое вещество», хотя аннигиляция требует строго контролируемых условий и не происходит самопроизвольно.

¶Литература

• Дирак П. Принципы квантовой механики. — М.: Наука, 1979.
• Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. — М.: Наука, 1988.
• Фейнман Р. КЭД — странная теория света и вещества. — М.: Наука, 1988.
• Close F. Antimatter. — Oxford University Press, 2009.