Антиматерија

Антиматерија — материјал составен од античестички, кои имаат иста маса како субатомските честички на обична материја, но со спротивни полнежи, како и другите честични својства како што се лептонскиот број и барионскиот број и квантниот спин. Судирите меѓу честичките и античестичките доведуваат до анхилација на двете честички, што пак доведува до зголемување на варијабилните пропорции на интензивните фотони (гама-зраци), неутрина, и помалку масивните честични-античестични парови. Вкупната последица од анхилацијата е ослободувањето на енергија достапна за работа, пропорционално на вкупната маса на материјата и антиматеријата, во согласност со равенката на еднаквоста на масата и енергијата , .
Античестичките се врзуваат едни со други за да формираат антиматерија, исто како обични честички кои се поврзуваат за да формираат нормална материја. На пример, позитрон (античестичка на електронот) и антипротон (античестичката на протонот) може да формираат антиводороден атом. Физичките принципи укажуваат дека сложените атоми на антиматеријата, односно атомски јадра се можни, како и антиматерија што одговара на познатите хемиски елементи. Преку изучувањата на космичките зраци се индентификувани зраци со два позитрони и антипротони, за кои се претпоставува дека се добиени од страна на судирите меѓу честичките на обичната материја. Сателитското пребарување на космичките зраци за антидеутериумски и антихелиумски честички не дало некаков разултат.
Постојат значителен број на шпекулации за тоа зошто видливиот универзум е составен речиси целосно од обична материја, односно не постои мешавина на материја и антиматерија. Оваа барионска асиметрија на материјата и антиматеријата во видливиот универзум е еден од најголемите нерешени проблеми во физиката. Процесот со кој оваа нееднаквост помеѓу честичките и античестичките е развиена се нарекува бариогенеза.
Антиматеријата во облик на антиатом е една од најтешките антиматериии за производство. Антиматеријата во облик на посебни античестички, сепак, најчесто е произведена од страна на забрзувачите на честички и во некои видови на радиоактивно распаѓање. Јадрата на антихелиум (двата хелиум-3 и хелиум-4) вештачки се добиваат со тешкотии. Овие се најкомплексните антијадра, кои досега се збележани.
1 Историја на замислата
Идејата за негативна материја се користела во минатите теории за материјата кои сега се застарени. Користењето на една од популарните вртложната теорија за гравитацијата, идејата за постоење за материја со негативната гравитација била разработувана од страна на Вилијам Хикс во 1880 година. Во период од 1880-та и 1890 година, Карл Пирсон предложил постоење на „изблици“ и тонење на протокот на етерот. При изблиците станува збор за обичната материја, а при тонењето за негативна материјата. Пирсоновата теорија имала потреба од четврта димензија за етерот да тече од и во таа димензија.
Поимот антиматерија првпат бил употребен од страна на Артур Шустер во две писма со интересни идеи во списанието ''Nature'' во 1898 година,. Тој претпоставил постоење на антиатоми, како и постоење на сончеви системи составени од антиматерија, и била разработувана идеја за меѓусебното уништување на материјата и антиматеријата. Шустеровите идеи не биле сериозни теориски предлози, само шпекулации, и како и претходните идеи, биле различни од современата замисла за антиматеријата со тоа што поседува негативна гравитација.
Современата теорија за антиматеријата зпочнува во 1928 година, со трудот на Пол Дирак. Дирак согледал дека со неговата релативистичка верзија на Шредингеровата бранова равенка за електрони ја предвидел можноста за постоење на антиелектрони. Тие биле откриени од страна на Карл Дејвид Андерсон во 1932 година и биле наречени позитрони ( кованица од „позитивниот електрон“). Иако Дирак самиот не го користел поимот антиматерија, употребата следувала од именувањата како што се антиелктрони, антипротони, итн. Целосниот периоден систем на антиматеријата бил предвиден од страна на Чарлс Џенет во 1929 година.
Фајнман-Штукелберговото толкување посочува дека антиматеријата и античестичките се обични честички кои патуваат назад во времето.
2 Обележување
Еден начин за да се означи античестичката е со додавање на црта над честичниот симбол. На пример, протонот и антипротонот се обележани како и , соодветно. Истото правило се појавува ако треба честичка да се опише преку нејзините составни компоненти. Протонот е составен од кваркови, додека пак антипротонот мора да биде оформен од антикваркови. Друг начин на запишување е да се направи разлика на честичките според нивнитот електричен набој. Така, електронот и позитронот се обележани едноставно како и соодветно. Сепак, за да не дојде до забуна, двета начини никогаш не се мешаат.
3 Потекло и асиметрија
Речиси целата материја видлива од Земјата, е материја отколку антиматерија. Ако антиматериските-доминантни области на вселената постојат, гама-зраците произведени при анхилацијата по должина на границата меѓу областите на материјата и антиматеријата, ќе ги прикажат овие антиматериски области.
Античестичките се создаваат насекаде во вселената каде се судираат високоенергетските честички. Високата енергија на космичките зраци влијае врз Земјината атмосфера (или на некоја друга материја во Сончевиот Систем) произведуваат мали количини на античестички во резултатните млазовите од честички, кои веднаш се поништуваат при контактот со најблиската материја. Тие можат на сличен начин да бидат создадени во области како што се галактичкото средиште на Млечниот Пат и други галаксии, каде што енергетските небесни настани се случуваат (главно, заемодејството на релативистичките млазови со меѓуѕвездената средина). Присуството на добиената антиматерија е забележано преку двата гама-зраци добиени кога позитроните се поништуваат со блиската материја. Честотата и брановата должина на гама-зраците укажуваат на тоа дека секој фотон поседува 511 keV енергија(т.е., масата во мирување на електронот се множи со ''c''<sup>2</sup>).
Скорешните набљудувања од страна на Европскиот вселенски сателит INTEGRAL може да го објасни потеклото на џиновскиот облак на антиматерија кој го обиколкува галактичкото средиште. Набљудувањата покажуваат дека облакот е асиметричен и се совпаѓа со линиите на рендгенските двојни ѕвезди (двојните ѕвездени системи кои содржат црни дупки или неутронски ѕвезди), најчесто на едната страна на галактичкото средиште. Додека механизмот не е целосно согледан, ова би наликувало на создавањето на електрон-позитронски парови, на начин како што обичната материја се здобива со кинетичка енергија додека паѓа во компактната ѕвезда.
Антиматеријата може да постои во релативно големи количини во далечните галаксии поради космичкото наголемување во пра-времето на универзумот. Антиматериските галаксии, ако постојат, се очекува да имаат ист хемиски состав и апсорпционите и емисионите спектри како галаксиите од обична материја, и астрономските тела би биле набљудувани на сличен начин, со што се отежнува нивното разликување. НАСА се обидува да утврди дали постојат такви галаксии со барање на X-зраци и гама-зраци кои упатуваат на анхилациски настани во заемноделувачки суперјата.
4 Природно создавање
Позитроните се добиваат природно при β<sup>+</sup> распаѓањето на природните радиоактивни изотопи (како на пример, калиум-40) и при заемодејствата на гама-квантите (испуштени од страна на радиоактивните јадра) во материјата. Антинеутрината се друг вид на античестички создадени од природното радиоактивно (β<sup>−</sup> распаѓање). Многу различни видови на античестички се добиваат преку космичките зраци. Во јануари 2011 година, истражувањето на Американското астрономско друштво забележале постоење на антиматерија, чие потекло е од грмотевиците во облаци; позитроните се произведени при заблескувањето на гама-зраците создадени од електроните кои се забрзани од силните електрични полиња во облаците.
Пронајдени се антипротони во Ван Аленовиот појас околу Земјата од детекторот PAMELA.
Античестичките исто така се добиваат во секоја област со доволно висока температура (што значи дека енергијата на честичките е поголема од прагот на создавањето на парови ). Во периодот на бариогенезата, кога универзумот бил крајно жежок и густ, материјата и антиматеријата биле непрекинато создавани и уништувани. Присуството на материјата, како и отсуството на антиматерија, наречена и барионска асиметрија, која се должи на CP-нарушувањето: нарушувањето на CP-симетријата во однос на материја-антиматерија. Точниот механизам на нарушувањето за време на бариогенезата останува мистерија.
4.1 Набљудувањето во космичките зраци
Сателитските набљудувања пронашле докази за позитрони и антипротони во главните космички зраци, во износ помалку од 1% од вкупниот број на честички во главните космички зраци. Оваа антиматерија не можела да се создаде при Големата експлозија, па затоа се смета дека причина се цикличните процеси на високите енергии. На пример, електронско-позитронските парови можат да бидат создадени во пулсарите, кога магнетизираниот неутронски ѕвезден вртежен циклус создава елктронско-позитронски парови на ѕвездената површина. Во овој процесантиматеријата создава ветер, кој се урива со исфрлената материја од првичната супернова експлозија. Појавата се одвива како „ладен, магнетизиран релативистички ветер лансиран од ѕвездата која го погодува не-релативистичкото проширување на исфрлената материја,при што се создава ударен бран на површината: надворешниот се раширува во исфрлената материја, додека обратниот ударен бран се шири назад кон ѕвездата." Првичното исфрлање на материјата во надворешниот ударен бран и подоцнежното создавање на антиматеријата во обратниот ударен бран се чекори од циклусот на космичкото време.
Првичните резултати од моменталната работа на Алфа-магнетниот спектрометар (''АМС-02'') под водство на Меѓународната вселенска станица покажува дека позитроните во космичките зраци пристигаат без насочување, и со енергијата која изнесува од 10 GeV до 250 GeV. Во септември 2014 година, новите резултати со скоро двапати повеќе податоци биле презентирани на семинар во ЦЕРН и објавени во ''Physical Review Letters''. Било објавено дека новите мерења на позитронскта разделување достигнуваат енергии и до 500 GeV, покажувајќи дека позитронската фракција достигнува врв при максимум од околу 16% на целосните елктронски+позитронски настани, со енергија околу 275 ± 32 GeV. При повисоки енергии, до 500 GeV, односот на позитрони-елкетрони започнува повторно да опаѓа. Апсолутниот тек на позитроните исто така почнува да паѓа пред 500 GeV, но врвовите во енергиите се далеку повисоки од електронските енергии, чии врови се околу 10 GeV. Овие резултати за толкување биле предложени како резултат на создавањето на позитрони при поништувањето на масивните честички на темната материја.
Антипротонските космички зраци исто така имаат високи енергии за разлика од материските протони. Тие пристигнале на Земјата со карактеристична енергија чиј масимум изнесува 2 GeV, што укажува на нивното создавање во значајно различен процес од оној на протонските космички зраци, кои во просек имаат само една-шестина од енергијата.
Не постојат докази за сложено антиматериско атомско јадро, како антихелиумско јадро (т.е., анти-алфа-честички), во космичките зраци. Активно се трага по нив. Прототип на ''АМС-02'' именуван како ''АМС-01'', бил лансиран во вселената со помош на на STS-91 во јуни 1998 година. Но мисијата воопшто не забележала антихелиум, ''АМС-01'' воспоставил горна граница на соодносот на антихелиум-хелиум од 1,1×10<sup>−6</sup> во магнетниот тек.
5 Вештачко создавање
5.1 Позитрони
Позитроните биле откриени во ноември 2008 година во Лоренс Ливерморската националната лабораторија во значајни количества од кој и да било претходен вештачки процес. Ласер ги турка електроните низ милиметарски полупречник на златните јадени цели, што предизвикува упадните електрони да оддадат енергетски кванти кои се распаѓаат на материја и антиматерија. Позитроните биле забележувани со висока стапка и со поголема густина на начин кој порано никогаш не бил добиен во лабораторија. Претходните експерименти давале помали количини на позитрони користејќи ласери и тенки бцели, меѓутоа, новите симулации покажуваат дека краткиот, ултра-интензивен ласер и милиметарскиот златен ласер се доста поделотворни извори.
5.2 Антипротони, антинеутрони, и антијадра
Постоењето на антипротонот било експериментално потврдено во 1955 година на Калифорнискиот универзитет Беркли од страна на физичарите Емилио Сегре и Овен Чемберлејн, кои биле наградени со Нобелова награда за физика во 1959 година. Антипротонот се состои од два горни антикварка и еден долен антикварк. Измерените својства на антипротонот целосно одговарале на соодветните својства на протонот, со исклучок на антипротонот кој има спротивен електричен полнеж и магнетен момент од протонот. Набргу потоа, во 1956 година, антинеутронот бил откриен при протонско-протонските судири во Беватронот (Лоренс Берклиевата национална лабораторија) од страна на Брус Корк и колегите.
Подоцна се создадени антибарионите, антијадра кои се состојат од повеќе сврзани антипротони и антинеутрони. Овие антијадра типично се добиваат со енергии превисоки за да се создадат антиматериски атоми (со сврзани позитрони наместо електрони). Во 1965 година, група истражувачи предводени од страна на Антонио Зичичи пријавиле создавање на јадра на антидеутриум со забрзувачот на честички Протонски синхотрон во ЦЕРН. Во приближно исто време, наблудувања на антидеутриумските јадра биле соопштени од страна на група американски физичари од забрзувачот на честички Променлив градиенстски синхотрон во Брукхејвенската национална лабораторија.
5.3 Антиводородни атоми
Во 1995 година, CERN објави дека успешно создалe девет топли антиводородни атоми со примена на замислата на SLAC/Фермилаб за време на PS210. Експериментот бил изведен користејќи го Нискоенергеткиот антипротонски прстен (НАП), и бил предводен од страна на Валтер Оелерт и Марио Мацри. Фермилаб наскоро ги потврдува наодите на CERN откако произвеле приближно 100 антиводородни атоми. Антиводородните атоми биле создадени за време на PS210 и последователните експерименти биле исклучително енергетски и не биле поволни за истражување. За решавање на проблемот, и да се добие подобро разбирање на антиводородот, биле созадени два здружени проекти во доцните 1990-ти, именувани како, ATHENA и ATRAP. Во 2005 година, ATHENA била распуштена и некои од поранешните членови го создале здружениот проект ALPHA, чија база била исто така во CERN. Првичната цел на овие соработници е создавање на нискоенергетски („ладен“) антиводород, кои биле подобри за изучување.
Во 1999 година, во CERN е вклучен антипротнскиот забавувач, уред способен за забрзување на антипротоните од до — сè уште многу „топол“ за да создаде антиводород за проучување, но чекор нанапред. При крајот на 2002 година од проектот ATHENA објавиле дека тие го создале првиот „ладен“ антиводород. Проектот ATRAP објавил сличен резултат многу кусо време подоцна. Антипротоните кои се користеле во овие експерименти биле ладени од забавувачот т.е. антипротонскиот забавувач, кои им овозможува да поминат низ тенок лист хартија, и конечно да ги зароби во т.н. Пенинг-Малбергова замка. Целокупниот процес на ладење е изводлив, но многу неефикасен, приближно 25 милиони антипротони го напуштаат антипротонскиот забавувач и околу 25.000 ќе простигнат во Пенинг-Малберговата замка, која е околу или 0.1% од првичната количина.
Антипротоните се сè уште топли кога првично се заробени. За да дохде до понатамошно ладење, тие се мешаат во електронска плазма. Електроните во оваа плазма се изладени преку циклотронско зрачење, а потоа антипротоните судирно се ладат преку електричениот потенцијал. На крајот, електроните се отстранети со применена на краткотрајни електрични полиња, напуштајќи ги антипротоните со енергии помали од . Додека антипротоните почнуваат да се ладат во првата замка, мал облак од антипротоните е заробен од радиоактивен натриум во Сурков позитронски акумулатор. Овој облак подоцна е заробен во втората замка поблиска до антипротоните.Со одредени зафати на електродите на замката антипротоните се префрлаат во позитронската плазма, каде некои се комбинираат со антипротони за да се создаде антиводородот. Овој неутрален антиводород е незафатен од електричните и магнетните полиња користени за да се заробат позитроните и антипротоните со полнежи, и во рок од неколку микросекунди антиводородот ги погодува ѕидовите на замката, каде се поништува. Неколку стотици милиони антиводородни атоми се создадени на овој начин.
Поголем дел од барните високопрецизни тестови на својствата на антиводородот може да бидат изведени само ако антивдородот бил заробен т.е. задржан во место релативно подолго време. Додека антиводородните атоми се електронски неутрални, спиновите на нивните составни честички создаваат магнетни моменти. Овие магнетни моменти можат да заемодејствуваат со нехомогените магнетни полиња, некои од антиводородните атоми можат да бидат привлечени до магнетниот минимум. Како што минимумот може да биде создаден од страна на комбинацијата на огледало и повеќеполови полиња.
Антиводородот може да биде заробен во замката на магнетниот минимум (минимум-B), во ноември 2010 година, здружениот проект ALPHA објавил дека тие заробиле 38 антиводородни атоми за околу една шестина од секундата. Ова е првиот пат неутралната антиматерија да биде заробена.
На 26 април 2011 година, ALPHA објавила дека тие заробиле 309 антиводородни атоми, во период од околу 1.000 секунди (околу 17 минути). Ова најдолгиот период на заробување на неутралната антиматерија.
Здружениот проект ALPHA ги користи овие атомски замки за да го поткрене истражувањето на спектралните својства на антиводородот.
Најголемиот ограничувачки фактор во пообемно создавање на антиматеријата е достапноста на антипротони. Последните податоци објавени од страна на CERN велат дека, кога забрзувачот целосно ќе биде оперативен, нивните постројки ќе бидат способни за создавање на десет милиони антипротони во минута. Доколку се претпостави дека 100% од антипротоните ќе се создадат антиводород, би требале 100 милијарди години за да се произведе 1 грам или 1 мол на антиводород ( приближно атоми на анти-водород).
5.4 Антихелиум
Јадрото на антихелиум-3 бил првично набљудуван во 1970-те години кај експерименти во протонските-јадрени судири на Институтот за високоенергетска физика од страна на Ј.Процкошкиновата група ( Противно близу Москава, СССР)
и подоцна создаден во експериментот на судирите на јадро со јадро. Судирите јадро со јадро создаваат антијадра преку создавањето на антипротоните и антинеутроните создадени во овие реакции. Во 2011 година, со STAR детекторот било објавено набљудување на вештачки создадените јадра на антихелиум-4 (антиалфа-честички) од таквите судири.
5.5 Чување
Антиматеријата не можат да се чува во сад направен од обична материја, бидејќи антиматеријата реагира со било која материја што ќе ја допре, поништувајќи се себеси со иста количина материја од садот. Антиматеријата во облик на наелектризирани честички може да содржи комбинација на електрични и магнетни полиња, во уред наречен Пенингова замка. Овој уред не може да ја задржи антиматерија која се состои од неутрални честички, за кои се користат атомски замки. Особено, овие замки можат да го искористат диполниот момент (електричен или магнетен) на заробените честички. При висок вакуум, честичките на материјата или антиматеријата можат да бидат заробени и изладени со мали нерезонантни ласерско џрачење, користејќи магнетна-оптичка замка или магнетна замка. Малите честички можат исто така да бидат издвоини со оптички пинцети, користејќи високо фокусирани ласерски зраци.
Во 2011 година,научниците од CERN биле во можност да го зачуваат антиводородот за приближно 17 минути.
5.6 Цена
Научниците тврдат дека антиматеријата е најскапиот материјал кој може да се создаде. Во 2006 година, Џералд Смит проценил дека со $250 милиони можат да создадат 10 милиграми на позитрони (одосно $25 милијарди по грам), во 1999 година, NASA дала сума од $62,5 трилиони по грам на антиводород. Тоа е затоа што производството е тешко (само неколку антипротони се произведени во реакции во забрзувачите на честичките), и поради тоа постои голема побарувачка за друга употреба на забрзувачите на честички. Според CERN, би требале неколку стотини милиони швајцарски франци за да се создаде околу 1 милијардити дел од грам (количината се користела досега за честични/античестични судири). За споредба, за да се создаде првото атомско оружје, трошоците за Проектот Менхетен биле проценети на $23 милијарди долари вклучувајќи ја и инфлацијата во 2007 година.
Неколку изучувања финансирани од страна на Институт на NASA за напредни концепти истражувале дали би било можно да се користат магнетни топки за да се собере антиматеријата која природно се појавува во Ван Аленовиот појас на Земјата, и на рабовитет на појасите на гасовитите џинови, како Јупитер, со што би се снижила цената по грам.
6 Употреба
6.1 Медицински
Реакциите на материјата и антиматеријата имаат практична примена во снимањето на медицински слики, како позитронска емисиона томографија (ПЕТ). При позитивниот бета-распад, нуклидот губи вишок позитивен полнеж од емитуваниот позитрон (во истиот настан, протонот станува неутрон, и се оддава неутрино). Јадрата со вишок позитивен полнеж се лесно се создаваат во циклотроните и се широко создавани за медицинската употреба. Антипротоните исто така се покажаа во лабораториски експерименти како можност за лекување на одредени видови ракови, на сличен начин денес се користат за јонска (протонска) терапија.
6.2 Гориво
Изолираната и складирана антиматерија може да се користи како гориво за меѓупланетарни или меѓуѕвездени патувања како дел од антиматеријалниот катализиран јадрен пулсен погон или друга антиматериска ракета, како што е ракетното црвено-поместување. Со оглед на енергетската густина на антиматеријата е повисока од онаа на ковенционалните горива, па антиматериското летало ќе има поголем соодност на потисокот и тежината отколку конвенционалните летала.
Ако судирите на материјата и антиматеријата доведува само до фотонска емисија, целосната непроменлива маса на честички би била претворена во кинетичка енергија. Енргијата по единица маса е околу 10 пати поголема од хемиска енергија, и околу 3 пати поголема од потенцијалната енергија која може да биде ослободена, денес, користејќи јадрено цепење (околу по цепна реакција или ), и околу 2 пати поголема од најдобрите можни резултати кои се очекуваат од соединувањето (околу за ланчаната реакција на протон со протон). Реакцијата на на антиматеријата со на материја би создала (180 петаџули) на енергија (од равенката за еднаквоста на масата и енергијата, ), или околу 43 мегатони на TNT – нешто помалку од приносот на Цар бомбата со маса од 27,000 кг, најголемата водородна бомба.
Не може да се искористи целата енергија од било кој реалена погонска технологија поради природата на анихилациските производи. Додека рекациите на електрон-протон доведуваат до создавање на фотонските гама-зраци, тие тешко се насочуваат и се користат за потиснување. Во реакциите меѓу протоните и антипротоните, нивната енергија се претвора во релативистички неутрални и наелектризирани пиони. Неутралните пиони се распаѓаат веднаш (полураспад од 84 атосекунди) во високоенергетски фотони, но со наелектризираните пиони се распаѓаат поспоро (полураспад од 26 наносекунди) и може да биде отклонети магнетно за да се собие поттисок.
Се забележува дека наелектризираните пиони на крајот се распаѓаат во комбинација на неутрина (носејќи околу 22% од енергијата на наелектризираните пиони) и нестабилните наелектризирани миони (носејќи околу 78% од енергијата на наелектризираните пиони), по што мионите се распаѓаат во комбинација од електрони, позитрони и неутрони (споредено со мионско распаѓање; неутроните од ова распаѓање носат околу 2/3 од енергијата на мионите, што значи дека од оригиналните наелектризирани пиони, вкупната енергија којасе претвора во неутрина од еден или друг начин би била околу ).
6.3 Оружја
Антиматеријата се разгледувала како можен активатор на јадрените оружја. Главната препрека е потешкотијата за создавање на антиматеријата во доволно големи количини, и не постои доказ дека тоа некогаш ќе биде изводливо. Сепак, воздухопловните сили на САД финансирале изучувања на антиматеријата во студената војна, и почнале да размислуваат за негова можна примена во оружјата, не како активатор, туку како експлозив.
7 Поврзано
* Антиматериска комета
* Амбиплазма
* Гравитациска интеракција на антиматеријата
8 Додатна литература
**