Антивещество: свойства и исследования¶

Антивещество — это форма материи, состоящая из античастиц, которые обладают той же массой и временем жизни (для нестабильных частиц), что и соответствующие им частицы обычного вещества, но противоположным электрическим зарядом и другими квантовыми числами (барионным числом, лептонным числом и т. д.). При взаимодействии частицы и её античастицы происходит аннигиляция — процесс превращения их массы в энергию (обычно в виде гамма-квантов или других частиц), что является одним из самых эффективных известных способов выделения энергии.

¶Основные понятия и свойства

Существование антивещества было предсказано теоретически. В 1928 году английский физик Поль Дирак, работая над релятивистским уравнением движения электрона, получил решения, соответствующие частицам с отрицательной энергией. В 1932 году американский физик Карл Андерсон экспериментально обнаружил в космических лучах позитрон — античастицу электрона, за что в 1936 году получил Нобелевскую премию по физике.

Ключевые свойства античастиц:

• Одинаковая масса с частицей.
• Противоположный электрический заряд.
• Противоположные значения барионного и лептонного квантовых чисел.
• Одинаковый спин.
• Способность к аннигиляции при контакте с частицей.

Для каждой известной элементарной частицы существует соответствующая античастица. Некоторые частицы, например фотон, являются истинно нейтральными и совпадают со своими античастицами.

¶Аннигиляция

Аннигиляция — это процесс столкновения частицы и античастицы, в результате которого их масса полностью или частично превращается в энергию. При аннигиляции электрона и позитрона образуются два или три гамма-кванта с суммарной энергией, равной сумме масс покоя обеих частиц (согласно формуле E=mc²). При аннигиляции более тяжёлых пар (например, протон-антипротон) могут рождаться различные мезоны и другие частицы.

Энергия, выделяемая при аннигиляции, огромна: 1 грамм антивещества, аннигилируя с 1 граммом вещества, выделяет около 1,8×10¹⁴ джоулей энергии, что эквивалентно взрыву примерно 43 килотонн тротила.

¶Получение и хранение антивещества

Антивещество практически не встречается в природе в естественном виде на Земле, однако оно производится в лабораторных условиях. Основные способы получения:

• В ускорителях частиц при столкновениях пучков высокоэнергетичных частиц рождаются пары частица-античастица.
• При взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли непрерывно образуются позитроны.
• В некоторых радиоактивных процессах (бета-плюс распад) испускаются позитроны.

Хранение антивещества представляет собой сложную техническую задачу, поскольку античастицы не могут контактировать с обычным веществом. Для удержания заряженных античастиц используются ловушки Пеннинга — устройства, сочетающие магнитное и электрическое поля. Нейтральные атомы антивещества (например, антиводород) удерживаются в магнитных ловушках, использующих неоднородное магнитное поле (ловушки Иоффе—Притчарда).

Первые атомы антиводорода были получены в 1995 году в ЦЕРНе (Европейская организация по ядерным исследованиям) в эксперименте PS210. В 2010 году эксперимент ALPHA в ЦЕРНе впервые смог удержать атомы антиводорода в ловушке в течение длительного времени.

¶Асимметрия вещества и антивещества

Одной из фундаментальных проблем физики является барионная асимметрия Вселенной — наблюдаемое доминирование обычного вещества над антивеществом. Согласно современным космологическим моделям, в момент Большого взрыва вещество и антивещество должны были образоваться в равных количествах. Однако если бы это было так, они бы полностью аннигилировали, и Вселенная состояла бы только из излучения.

Наблюдения показывают, что во Вселенной практически отсутствует антивещество в больших количествах. Это объясняется процессами нарушения CP-симметрии (комбинированной симметрии зарядового сопряжения и пространственной инверсии), которые приводят к небольшому перевесу вещества над антивеществом — примерно одна лишняя частица вещества на миллиард пар частица-античастица. Условия для возникновения такой асимметрии были сформулированы Андреем Сахаровым в 1967 году.

¶Применение

Несмотря на сложность получения и хранения, антивещество находит практическое применение в науке и медицине:

• Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — метод медицинской визуализации, основанный на регистрации гамма-квантов, образующихся при аннигиляции позитронов, испускаемых радиофармпрепаратами, с электронами тканей организма.
• Научные исследования — изучение свойств антиматерии позволяет проверять фундаментальные симметрии природы, в частности CPT-инвариантность и слабое взаимодействие. Эксперименты с антипротонами в ЦЕРНе (например, ATRAP, ASACUSA) направлены на прецизионное сравнение спектров водорода и антиводорода.
• Гипотетические применения — рассматриваются проекты использования антивещества в качестве топлива для космических двигателей, однако из-за колоссальной стоимости производства (по оценкам, один грамм антивещества стоит триллионы долларов) и технических сложностей эти проекты остаются в области теоретических разработок.

¶Антивещество в культуре

Тема антивещества часто используется в научной фантастике. В романе «Ангелы-хранители» Дэна Брауна и сериале «Звёздный путь» антивещество фигурирует как источник энергии для космических кораблей. В романе Роберта Хайнлайна «Луна — суровая хозяйка» упоминаются антивещественные бомбы. В массовой культуре антивещество часто изображается как «взрывчатка», хотя в реальности его получение и хранение крайне сложны и дороги.

¶См. также

• Аннигиляция
• Позитрон
• Антипротон
• Барионная асимметрия Вселенной
• ЦЕРН

¶Источники

• Фейнман Р. КЭД — странная теория света и вещества.
• Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц.
• Фраунфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика.
• Материалы ЦЕРН по экспериментам ALPHA, ATRAP, ASACUSA.