Szinte minden, amit a Földön és mesterséges műholdak segítségével észlelünk, anyag. Az antianyagot nagy energiájú gyorsítók segítségével állítják elő a Földön. Így például antiprotonokat, antideuteron magokat, antihéliumot, antiatomákat kaptunk.
Csillagászati \u200b\u200bmódszerekkel az antianyag közvetlen megfigyelése lehetetlen, mert az antianyag-részecskék egymással való kölcsönhatásakor keletkező fotonok nem különböztethetők meg az anyagrészecskék kölcsönhatásából származó fotonoktól. Ennek oka, hogy a foton valóban semleges részecske és. Elvileg az anyagot az antianyagtól meg lehet különböztetni a neutrínók ν és az antineutrinos megfigyelésével, de jelenleg ezek a megfigyelések irreálisak.
Ha a Föld közvetlen környezetében vannak olyan régiók, amelyekben az antianyag dominál, ennek az γ-kvantumok megsemmisülésének kell megnyilvánulnia, amelyek az anyag és az antianyag megsemmisítése során keletkeznek. A kozmikus sugárzás fontos érv az anyag túlsúlyának az antianyaggal szemben. Anyagrészecskék - protonok, elektronok, protonokból és neutronokból készült atommagok.
Az antianyag-részecskék képződése a kozmikus sugárzás nagy energiájú részecskéinek és a Föld légkörének kölcsönhatásának eredményeként figyelhető meg. Az antirészecskék a megnövekedett energiakoncentrációjú területeken képződnek. Például az aktív galaxisok magjaiban antirészecskék képződnek. Általános szabály, hogy ilyen esetekben az antianyag részecskék megjelennek az anyag részecskéivel együtt. A következő szakasz az anyag- és antianyag-részecskék képződése és megsemmisítése. Tehát például egy 1 MeV-nél nagyobb energiájú foton elektron-pozitron párot alkothat az atommag területén. Az így létrejövő pozitron megsemmisül, amikor elektronnal találkozik, és gyakrabban képez 2 és ritkábban 3 γ-kvantumot.
Az antianyagnak az Univerzumban való létezésének problémája a fizika alapvető problémája, amely összefügg az Univerzum kialakulásának és fejlődésének problémájával.
Különböző hipotézisek vannak arra vonatkozóan, hogy a megfigyelhető univerzum miért áll szinte teljes egészében anyagból. Vannak-e a világegyetem olyan régiói, amelyekben az antianyag dominál? Használható antianyag? Az anyag és az antianyag látszólagos aszimmetriájának oka a látható univerzumban a modern fizika egyik legnagyobb megoldatlan rejtélye. Az a folyamat, amelynek során ez a részecskék és antirészecskék közötti aszimmetria bekövetkezik, barionogenezisnek nevezzük.
A huszadik század 50-es évekig uralkodó vélemény az volt, hogy az Univerzumban ugyanannyi anyag és antianyag van. A 60-as évek közepén azonban az Ősrobbanás-elmélet területén végzett munka megrázta ezt a nézőpontot. Valóban, ha egy forró és sűrű Világegyetem létezésének első pillanataiban a részecskék és az antirészecskék száma megegyezik, akkor megsemmisítésük oda vezetne, hogy az Univerzumban csak sugárzás maradna. Jelenleg a legtöbb fizikus egyetért abban, hogy az Univerzumban megtört CP-szimmetria következtében a részecskék evolúciójának első pillanataiban valamivel több részecske képződött, mint antirészecskék - kb. Egy részecske 109 részecske-antirészecskepárra. Ennek eredményeként kis mennyiségű részecske maradt a megsemmisítés után.
Az anyag dominanciájának a "közeli" univerzumban való megmagyarázásának másik lehetősége az a feltételezés, hogy az antianyag az Univerzum távoli, rosszul vizsgált régióiban koncentrálódik. 1979-ben Floyd Stecker azt javasolta, hogy az anyag és az antianyag aszimmetriája spontán felmerülhessen az ősrobbanás utáni első pillanatokban, amikor az anyag és az antianyag különböző irányokba szóródnak.
Mivel az elektromágneses sugárzás ugyanúgy kölcsönhatásba lép mind az anyaggal, mind az antianyaggal, az elektromágneses sugárzásban anyagból és antianyagból álló bolygók, csillagok és galaxisok ugyanúgy néznek ki. Ezért más módszerekre van szükség az antianyag keresésére az Univerzumban. E módszerek egyike az antitestek megfigyelése a világűrben. Ezeknek A\u003e 4 tömegszámú antigéneknek kell lenniük. Ha a héliumellenes magokat a Föld közelében lehetne regisztrálni, elég erős bizonyítékot kapnánk a megnövekedett antianyag-tartalmú régiók létezésének támogatására az Univerzumban.
Miért érdemes antihélium vagy nehezebb magokat keresni az antianyag kereséséhez? A lényeg az, hogy antiprotonok képződhetnek az ultrarelativisztikus protonok vagy a kozmikus sugarak más magjainak kölcsönhatásában. Az ilyen antiprotonok energiaspektrumában (általában másodlagosnak nevezik őket) széles maximumot kell megfigyelni a 2 GeV régióban. Az elsődlegesnek nevezett antiprotonok egyéb forrásai lehetnek a hipotetikus szuperszimmetrikus részecskék megsemmisítése, amelyeknek feltételezhetően a sötét anyag - semlegesino és / vagy az "elsődleges" fekete lyukak párologtatása. A semlegesino páros megsemmisítése kvark-antiquark sugárképződések kialakulásához vezethet, amelyet azok hasronizálása és antiprotonok képződése követ. Ős fekete lyukak keletkezhettek a korai világegyetemben. Az ilyen 10 14-15 tömegű fekete lyukak elég intenzíven képesek elpárologtatni a részecskéket (Hawking-sugárzás). Meg lehet próbálni kimutatni az ilyen primer antiprotonok hozzájárulását a rögzített energia spektrumhoz az alacsony energiafelhasználású régióban< 1 ГэВ.
A másodlagos antiprotonok fluxusa a Galaxy elfogadott modelljétől függően becsülhető meg. ~ 10 GeV energiával éri el a maximumot. A több száz GeV-ig terjedő energiák tartományában, a spektrum jellegének megfelelően, reméljük, hogy információt szerezzünk mind a szuperszimmetrikus részecskék és / vagy a WIMP barionogeneziséről és / vagy megsemmisítéséről.
Az antideuteronok képződése kozmikus sugarak hatására sokkal kevésbé valószínű. A szekunder antideuteronok spektrumát magasabb energiákra kell átvinni, mint a szekunder antiprotonok spektrumát, és gyorsan csökken a csökkenő energiával. A sötét anyag részecskék megsemmisítése és / vagy az elsődleges fekete lyukak elpárolgása során képződő primer antiduteronok esetében a maximális spektrum várható az energiánál< 1 ГэВ. Таким образом, области первичных и вторичных антидейтронов должны быть хорошо разделены.
Annak a valószínűsége, hogy az antihélium magok kozmikus sugarak hatására kialakulnak, kicsi. Ehhez valóban két antiprotont és két antineutront kell kialakítani egy helyen és gyakorlatilag egyidejűleg, és relatív sebességüknek kicsinek kell lennie. 1997-ben Pascal Chardonnet megbecsülte egy ilyen esemény valószínűségét. Becslése szerint 10 anti ultrarelativisztikus kozmikus sugár protonhoz egy antihélium mag képződhet. Egy ilyen esemény átlagos várakozási ideje 15 milliárd év, ami összehasonlítható a világegyetem korával.
Ha az univerzumban az evolúció korai szakaszában valóban kialakultak a tér olyan régiói, amelyekben az anyag vagy az antianyag dominál, akkor el kell különülniük, mivel e régiók határán könnyű nyomás képződik, amely elválasztja az anyagot és az antianyagot. Az anyaggal és antianyaggal rendelkező területek közötti határon meg kell semmisíteni, ill. Anihilációs gamma kvantumokat kell kibocsátani. A modern gammasugaras teleszkópok azonban nem észlelnek ilyen sugárzást. A teleszkópok érzékenysége alapján becsléseket készítettek. Szerintük az antianyag régiói nem lehetnek közelebb 65 millió fényévnél. Így nem csak galaxisunkban vannak ilyen régiók, hanem a galaxishalmazunkban sem, amely a Tejútrendszer mellett 50 másik galaxist is magába foglal.
Az ilyen távolságban kialakult antihélium magok regisztrálása összetett probléma. Nem olyan könnyű az antihélium magnak ilyen nagy távolságból repülni a detektorig, és regisztrálni kell. Különösen "belebonyolódhat" a galaktikus és intergalaktikus mágneses mezőkbe, és így soha nem repülhet messze a képződés helyétől. Ezenkívül az anti-héliumot folyamatosan veszélyezteti a megsemmisülés. Végül a detektor nem túl nagy célpont ahhoz, hogy könnyen el lehessen ütni ilyen hatalmas távolságból. Ezért az antihélium magok regisztrációjának hatékonysága rendkívül alacsony.
Az antihélium "utazásának" körülményei között sok minden nem egyértelmű, ami nem teszi lehetővé a nukleáris regisztráció valószínűségének felmérését. Mindig fennáll annak a lehetősége, hogy ha a detektor egy kicsit érzékenyebb lenne, akkor a felfedezés megtörténne.
Csak világos, hogy az alacsony energiájú antigánc utazási ideje rövidebb lehet, mint az Univerzum létezésének ideje. Ezért nagy energiájú antimagokra kell vadászni. Ezenkívül az ilyen magok nagyobb valószínűséggel legyőzik a galaktikus kozmikus szelet.
Ami a pozitronokat és az antiprotonokat illeti, ezeket az antianyag hipotetikus régiói is kibocsáthatják, és hozzájárulhatnak a Föld közelében mért spektrumokhoz. Az antiprotonokhoz képest a positronokat nehezebb kimutatni. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a protonok fluxusai, amelyek a háttér forrását jelentik, 10 3-mal nagyobbak, mint a positronok fluxusai. Az antianyag régióiból érkező positronok jelei "megfulladhatnak" a pozitronok jeleiből, amelyek más folyamatok eredményeként keletkeztek. Eközben a kozmikus sugarakban lévő pozitronok eredete szintén nem teljesen ismert. Vannak elsődleges positronok a kozmikus sugarakban? Van-e összefüggés az antiprotonok és a positronok feleslege között? A helyzet tisztázása érdekében meg kell mérni a pozitron spektrumokat széles energia tartományban.
Victor Hess 1907-ben hajtotta végre először a léggömb segítségével kozmikus sugaraknak a légkörbe történő tanulmányozására szolgáló eszközt. Az ötvenes évek elejéig a kozmikus sugarak vizsgálata jelentette a legfontosabb felfedezéseket a részecskefizikában. Az ilyen kísérletekben antiprotonokat figyeltek meg 1979 óta (Bogomolov, EA et al., 1979, Proc. 16. Int. Cosmic Ray Conf. (Kyoto), 1. évf., 330. oldal; Golden, RL és mtsai., 1979, Phys. Rev. Lett., 43, 1196). Új lehetőségeket nyitottak az antianyag és a sötét anyag tanulmányozásában.A modern kozmikus sugárkutatás a gyorsítókon végzett kísérletekhez kifejlesztett technikákat alkalmazza.
Egészen a közelmúltig szinte minden információt a kozmikus sugarakban lévő antirészecskékről a léggömb magas légrétegeibe juttatott detektorok segítségével szereztek be. Ugyanakkor felmerült a gyanú, hogy több antiproton van, mint amennyit a kozmikus sugarak és a csillagközi közeg (szekunder antiprotonok) kölcsönhatása eredményeként bekövetkező előfordulásuk valószínűségének becsléséből következik. A "felesleges" antiprotonok magyarázatára javasolt mechanizmusok különböző előrejelzéseket adtak az antiprotonok energiaspektrumára vonatkozóan. A léggömb rövid repülési ideje és a földi légkör maradványainak jelenléte azonban korlátozta az ilyen kísérletek lehetőségeit. Az adatok nagy bizonytalansággal bírtak, ráadásul nem lépték túl a 20 GeV energiát.
Az antirészecskék regisztrálásához nagy (legfeljebb 3 millió köbméter) léggömböket használnak, amelyek képesek akár 3 tonna tömegű nehéz detektorok ~ 40 km magasságig történő emelésére. Általában Montgolfierhez hasonlóan alul nyitottak és héliumot veszítenek, amikor a külső hőmérséklet csökken. A legtöbb esetben a repülési idő nem haladja meg a 24 órát. Ezenkívül a légkör hőmérséklete a nulláról 20-25 km-re történő gyors csökkenés után növekszik, elérve a maximumot ~ 40 km magasságban, majd ismét csökkenni kezd. Mivel a léggömb térfogata csökken a külső levegő hőmérsékletének csökkenésével, a maximális emelési magasság nem lehet magasabb, mint ~ 40 km. Ezen a magasságon a légkör még mindig meglehetősen sűrű, és az elsődleges kozmikus sugarak és a visszamaradó atmoszféra kölcsönhatása során keletkező több tíz GeV energiájú antiprotonok áramlása meghaladja a galaktikus közegben képződő antiprotonok áramlását. A regisztrált részecskék nagyobb energiájánál a hibák túl nagyok lesznek a megbízható eredmények eléréséhez.
Újabban hosszabb (legfeljebb 20 napos) járatok kezdődtek. Nyitott léggömböket is használnak, de a héliumveszteség jelentősen csökkent, mivel a léggömböket a sarki nap folyamán nagyon nagy szélességi fokokon, a pólusok közelében dobták ki. Hasznos teherük tömege azonban 40 km magasságban repülve nem haladja meg az 1 tonnát, ami túl kicsi az antianyag-fluxusok nagy energiánál történő méréséhez. A szuperhosszú léggömb repülések (kb. 100 nap) megvalósításához zárt léggömbök alkalmazását tervezik. Vastagabbak és nehezebbek, nem veszítik el a héliumot, ellenállnak a belső és a külső nyomáskülönbségeknek. Viszonylag könnyű, 1 tonnánál kisebb műszereket képesek felemelni.

Ábra: 20.1. Léggömbszonda indítása fizikai felszereléssel.

Ábra: 20.2. BESS-Polar II űrsugárzás-detektor. Spektrométer (1) napelemekkel (2).

A kísérlet részeként antihéliumot kerestünk spektrométerekkel ballonokon BESS (Ballun viselt Experiment val vel Stúlvezető Spektrométer) (20.2. ábra). 1993 és 2000 között a BESS spektrométereket ismételten beindították az észak-kanadai felső légkörbe. A járatok időtartama körülbelül egy nap volt. A spektrométert folyamatosan fejlesztették és érzékenysége nőtt. Az ebben a repüléssorozatban elért teljes érzékenység a hélium / antihélium arányra ~ 6,8 × 10 −7 az 1–14 GV keménységi tartományban. A BESS-TeV kísérletben (2001) a spektrométer keménységi tartományát 500 GV-ra növelték, és 1,4 × 10-4 érzékenységet értek el. A statisztikák növelése 2004-2008-ban. fejlett spektrométerek (0,6-20 GV) többnapos repülését hajtották végre az Antarktiszon. 2004-2005-ben a 8,5 napig tartó BESS-Polar I járaton 8 × 10 −6 érzékenységet sikerült elérni. 2007-2008-ban. A BESS-Polar II repülés során (a mérés időtartama 24,5 nap) 9,8 × 10 −8 érzékenységet értek el. A teljes érzékenység, figyelembe véve az összes BESS járatot, elérte a 6,7 \u200b\u200b× 10 −8 értéket. Egyetlen antihélium magot sem találtak.
A BESS-Polar II repülés során használt mágneses spektrométer egy szupravezető mágnesszelepből áll, ultravékony falakkal, egy központi nyomkövetőből (JET / IDC), a repülési idő hodoszkópjából (TOF) és egy Cserenkov-detektorból (20.3. Ábra).

Ábra: 20.3. A BESS-Polar II kísérlet spektrométere a szakaszban.

A repülési idő szerinti hodoszkóp lehetővé teszi a sebesség (β) és az energiaveszteség (dE / dx) mérését. 10 és 12 szcintillációs csíkból (100 × 950 × 10 mm) álló felső és alsó műanyag szcintillációs számlálókból áll. A repülési idő rendszerének felbontása ~ 70 ps. Ezen kívül van még egy harmadik szcintillációs számláló (Middle-TOF), amely a mágnesszelep belsejében található és 64 műanyag szcintillátor rúdból áll. Lehetővé teszi az energia regisztrációs küszöb csökkentését olyan részecskék miatt, amelyek nem képesek átrepülni a mágnesszelep alsó részén.
A sodrókamrák egységes mágneses mezőben vannak. A spektrométerbe belépő részecske pályájának görbületét 28 pontból számítják ki, mindegyik 200 μm pontossággal, amely lehetővé teszi annak mágneses merevségének R \u003d pc / Ze és a töltés előjelének meghatározását.
Az aerogél Cherenkov számláló lehetővé teszi az antiprotonoktól és az antideuteronoktól származó jelek elválasztását az e - / μ - háttértől.

Ábra: 20.4. Részecskék azonosítása a BESS üzemben.

A részecskék azonosítását tömeg szerint végezzük (20.4. Ábra), amely összefüggésben van az R merevséggel, a részecske sebességével β és a repülési idő számlálókkal és az elsodrókamrákkal mért dE / dx energiaveszteséggel

Ehhez a megfelelő régiókat kiválasztjuk a dE / dx - | R | kétdimenziós eloszlásokon és β -1 - R.

A Föld antiproton sugárzási öv

A PAMELA együttműködés egy sugárzási övet fedezett fel a Föld körül az Atlanti-óceán déli rendellenességének területén. Az antiprotonok és protonok spektrumát közvetlenül a sugárzási övben és a sugárzási övön kívül mértük (20.5., 20.6. Ábra).
Kimutatták, hogy az antiprotonok, amelyeket léggömbökre és műholdakra szerelt detektorok rögzítettek, másodlagos eredetűek. A galaktikus kozmikus sugarak és a csillagközi anyag vagy a pp → ppp reakció atmoszférájának kölcsönhatásának eredményeként keletkeznek. Sokkal nagyobb hozzájárulást jelent azonban a reakcióban fellépő albedo antineutronok (antineutronok, amelyek fluxusa a Földről irányul) bomlása
pp → ppn . Ezek az antineutronok áthaladnak a geomágneses mezőn és bomlanak, antiprotonokat képezve → + e + + ν e. A képződött antiprotonok egy részét a magnetoszféra meg tudja ragadni, így egy sugárzás elleni antiproton öv képződik. Ahogy a protonok sugárzási övének fő forrása az albedo neutronok bomlása, úgy az antineutronok bomlása egy antiproton öv kialakulásához vezet.
A kísérleti adatokból az következik, hogy az antiprotonok sűrűsége a sugárzási övben 3-4 nagyságrenddel nagyobb, mint a sugárzási övön kívüli antiprotonok sűrűsége. Az antiprotonok spektrumának alakja, amely közvetlenül a galaktikus kozmikus sugarak kölcsönhatásának eredményeként keletkezik, gyakorlatilag egybeesik az antiprotonok spektrumának alakjával az antiproton sugárzási övön kívül.
Az antianyag észlelésének problémája az Univerzumban korántsem megoldott. Az antianyag aktív kereséséről a Fermi űrtávcsövek és mások programjai gondoskodnak.

A modern elképzelések szerint az anyag szerkezetét meghatározó erők (erős kölcsönhatás, magképződés és elektromágneses kölcsönhatás, atomokat és molekulákat képző) pontosan azonosak (szimmetrikusak) mind a részecskék, mind az antirészecskék esetében. Ez azt jelenti, hogy az antianyag szerkezetének meg kell egyeznie a közönséges anyag szerkezetével.

Az antianyag tulajdonságai teljesen egybeesnek a tükörön keresztül nézett hétköznapi anyag tulajdonságokkal (a spekulitás a paritás nem konzerválása miatt merül fel gyenge kölcsönhatásokban).

2015 novemberében az RHIC amerikai ütköző orosz és külföldi fizikusok egy csoportja kísérleti úton bizonyította az anyag és az antianyag szerkezetének azonosságát az antiprotonok közötti kölcsönhatások erőinek pontos mérésével, amelyek ebben a tekintetben kiderült, hogy nem különböztethetők meg a közönséges protonoktól.

Az anyag és az antianyag kölcsönhatása során megsemmisülésük történik, miközben nagy energiájú fotonok vagy részecske-antirészecske párok képződnek. Amikor 1 kg antianyag és 1 kg anyag kölcsönhatásba lép, körülbelül 1,8 · 10 17 joule energia szabadul fel, ami megegyezik azzal az energiával, amely felszabadul 42,96 megatonnás TNT robbanásakor. A bolygón valaha volt legerősebb nukleáris eszköz, a Bomba cár: 26,5 tonna tömegű robbanásakor ~ 57-58,6 megatonnak megfelelő energiát szabadított fel. A Teller határértéke a termonukleáris fegyverekre azt jelenti, hogy a leghatékonyabb energiahozam nem haladja meg az eszköz tömegének 6 kt / kg-ját. Meg kell jegyezni, hogy a nukleon-antinukleon pár megsemmisítésében az energia körülbelül 50% -a felszabadul neutrínók formájában, amelyek gyakorlatilag nem lépnek kölcsönhatásba az anyaggal.

Elég sok okfejtés van arról, hogy az Univerzum megfigyelhető része miért áll szinte kizárólag anyagból, és vannak-e más helyek, éppen ellenkezőleg, szinte teljesen antianyaggal; de ma az anyag és az antianyag megfigyelt aszimmetriája az univerzumban az egyik legnagyobb megoldatlan probléma a fizikában (lásd: az univerzum Baryon-aszimmetriája). Feltételezzük, hogy ilyen erős aszimmetria keletkezett az ősrobbanás utáni másodperc első részeiben.

Fogadás

Az első, teljes mértékben antirészecskékből álló tárgy az 1965-ben szintetizált anti-deuteron volt; akkor nehezebb antitesteket kaptak. 1995-ben egy pozitronból és egy antiprotonból álló antihidrogén atomot szintetizáltak a CERN-ben. Az elmúlt években jelentős mennyiségben nyertek antihidrogént, és megkezdődött annak tulajdonságainak részletes vizsgálata.

2013-ban kísérleteket hajtottak végre az ALPHA vákuumcsapdán alapuló kísérleti elrendezésen. A tudósok megmérték az antianyag-molekulák mozgását a Föld gravitációs mezőjének hatására. És bár az eredmények pontatlannak bizonyultak, és a mérések statisztikai jelentősége alacsony, a fizikusok elégedettek az antianyag-gravitáció közvetlen mérésének első kísérleteivel.

A költség

Az antianyagot a Föld legdrágább anyagának nevezik - a NASA becslései szerint 2006-ban milligramm positront termelnek, becsült költségük 25 millió USD. 1999-ben egy gramm antihidrogén 62,5 billió dollárt érne. A 2001-es CERN becslése szerint egy gramm antianyag (a CERN által tíz év alatt részecske-antirészecske ütközések során felhasznált mennyiség) előállítása több száz millió svájci frankot ért.

Lásd még

Írja meg véleményét az "Antianyag" cikkről

Megjegyzések

Linkek

• - 2011
• Pakhlov, Pavel. ... postnauka.ru (2014.05.23.).
• Pakhlov, Pavel. ... postnauka.ru (2014.03.06.).

Irodalom

• Vlasov N.A. Antianyag. - M.: Atomizdat, 1966. - 184 o.
• Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Atomfizika. - M.: Nauka, 1972. - 670 p.

Kivonat, amely jellemzi az antianyagot

Ennek az érvelésnek a megcáfolhatatlanságát bizonyítva a redők mind elszöktek az arc elől.
Andrey herceg érdeklődően nézett beszélgetőtársára, és nem válaszolt.
- Miért mész? Tudom, hogy szerinted kötelességed a hadseregbe lovagolni, miután a hadsereg veszélyben van. Megértem, mon cher, c "est de l" heroisme. [kedvesem, ez hősiesség.]
- Egyáltalán nem - mondta András herceg.
- De te un philoSophiee vagy, [filozófus], légy teljesen ő, nézd meg a dolgokat a másik oldalról, és meglátod, hogy kötelességed éppen ellenkezőleg, vigyázni magadra. Hagyja másokra, akik már semmire sem jóak ... Nem parancsolták, hogy jöjjön vissza, és innen nem engedték el; ezért velünk maradhat és elmehet bárhová, ahová boldogtalan sorsunk visz. Azt mondják, hogy Olmutzba mennek. És Olmutz nagyon szép város. És te és én biztonságosan együtt járunk a hintón.
- Ne vicceljen, Bilibin - mondta Bolkonsky.
- Őszintén és barátságosan mondom. Bíró. Hová és miért fogsz most menni, amikor itt maradhatsz? Két dolog egyike vár rád (összegyűjtötte a bőrt a bal halántékán): vagy nem érsz el a hadsereghez, és a béke megkötődik, vagy pedig legyőzz és megszégyenítsd az egész Kutuzov sereget.
Bilibin meglazította a bőrét, úgy érezve, hogy dilemmája megcáfolhatatlan.
- Ezt nem tudom megítélni - mondta hidegen Andrey herceg, és arra gondolt: - Megmentem a hadsereget.
- Mon cher, vous etes un heros, [kedvesem, te hős vagy] - mondta Bilibin.

Ugyanazon az éjszakán, miután meghajolt a hadügyminiszter előtt, Bolkonsky a hadsereghez ment, nem tudta, hol találja meg, és attól tartott, hogy a franciák Krems felé vezető úton elfogják.
Brunnban a teljes udvari népesség tömve volt, és a súlyokat már elküldték Olmutznak. Etzelsdorf közelében András herceg arra az útra hajtott, amelyen az orosz hadsereg a legnagyobb sietséggel és a legnagyobb rendetlenséggel haladt. Az út annyira tele volt szekerekkel, hogy lehetetlen volt hintóval közlekedni. Lovat és kozákot elvéve a kozák főnöktől, András herceg éhes és fáradt, megelőzve a szekereket, megkereste a főparancsnokot és a szekerét. A hadsereg helyzetéről szóló legveszélyesebb pletykák közúton jutottak el hozzá, és a rendezetlen futó hadsereg látványa megerősítette ezeket a híreszteléseket.
"Cette armee russe que l" vagy de l "Angleterre a transportee, des extremites de l" univers, nous allons lui faire eprouver le meme sort (le sort de l "armee d" Ulm) ", [" Ez az orosz hadsereg, amely A világ végéről idehozott angol arany ugyanazt a sorsot éli (az ulmi hadsereg sorsa). ”] - emlékeztetett Bonaparte hadseregének a hadjárat megkezdése előtti parancsának szavaira, és ezek a szavak ugyanúgy felkeltették benne a zseniális hős meglepetését, a sértett büszkeség érzését és a dicsőség reményét. "És ha nincs más hátra, mint meghalni? Azt gondolta. Nos, ha szükséges! Nem teszem rosszabbul, mint mások."
András herceg megvetéssel nézte ezeket a végtelen, zavaró csapatokat, szekereket, parkokat, tüzérségeket és megint mindenféle szekereket, szekereket és szekereket, megelőzve egymást, és három, négy sorban duzzasztották a sáros utat. Minden oldalról oda-vissza, amíg a fül hallatszott, kerekek hangjai, testek, szekerek és fegyverkocsik csattogása, ló taposása, ostorcsapások, kiáltások, átkozódó katonák, rendészek és tisztek hallatszottak. Az út szélén szüntelenül megnyúzott és ápolatlan lovak voltak, amelyek leestek, most eltört szekerek, magányos katonákkal vártak valamire, néha katonák, akik elszakadtak csapataiktól, akik tömegesen mentek a szomszédos falvakba, vagy csirkét, kosot, széna vagy valamivel megtöltött táskák.
Az ereszkedéseken és emelkedőkön a tömeg egyre sűrűsödött, és folyamatos sikolyok hallatszottak. A katonák, térdig érve a sárban, fegyvereket és vagonokat hordtak a karjukban; ostorok verődtek össze, paták megcsúsztak, húrok szakadtak és mellkiabálások. A mozgalomért felelős tisztek, akik most előre, majd hátra haladtak a szekerek között. A hangjuk halványan hallható volt az általános zümmögés közepette, és arcukból nyilvánvaló volt, hogy kétségbeesetten akarják megállítani ezt a rendellenességet. "Voila le cher [" Itt van egy kedves] ortodox hadsereg "- gondolta Bolkonsky, és felidézte Bilibin szavait.
Fel akarta kérdezni az egyik ilyen embert, hogy hol van a főparancsnok, felhajtott a kocsivonatra. Közvetlenül vele szemben egy furcsa egylovas kocsi lovagolt, amelyet nyilvánvalóan a katonák háztartási eszközei rendeztek, és amely a közepét egy szekér, egy kabrió és egy oldalkocsi között képviselte. Egy katona vezetett a kocsiban, egy nő pedig egy kötény mögött egy bőr felső alatt ült, sálakkal megkötve. András herceg felhajtott, és máris kérdéssel fordult a katona felé, amikor figyelmét a kocsiban ülő nő kétségbeesett kiáltásai keltették fel. A kocsivonatért felelős tiszt megverte a katonát, aki kocsiként ült ebben a kocsiban, mert meg akarta kerülni a többieket, és az ostor eltalálta a kocsi kötényét. A nő hevesen sikoltozott. Andrey herceget látva kihajolt a kötény alól, és a szőnyegkendő alól kiugrott vékony kezeivel integetve így szólt:
- Adjutáns! Mister adjutáns! ... Az isten szerelmére ... védje meg ... Mi lesz? ... Én vagyok a 7. ranger gyógyszeres felesége ... nem engedik őket; lemaradtunk, elvesztettük a magunkat ...
- Széttöröm süteménynek, becsomagolom! - kiáltotta a dühös tiszt a katonának, - forduljon vissza a kurvájával.
- Adjutáns úr, védjen. Mi ez? - kiáltotta az orvos.
„Sajnálom, hogy kihagytam ezt a hintót. Nem látja, hogy ez egy nő? - mondta András herceg a tiszt felé közeledve.
A tiszt rápillantott, és válasz nélkül visszafordult a katona felé: - Megkerülem azokat ... Vissza! ...
- Add tovább, mondom neked - ismételte meg újra Andrey herceg ajkát tisztítva.
- És te ki vagy? A tiszt hirtelen részeg dühvel fordult felé. - Ki vagy te? Te (főleg rád nyomott) a főnök, mi? Itt vagyok én a főnök, nem te. Te, hát, - ismételte -, tortává zúzom.
A tisztnek nyilván tetszett ez a kifejezés.
- Fontos, hogy leborotválja az adjutánt, - jött egy hang hátulról.
András herceg látta, hogy a tiszt az ok nélküli düh részegségében van, amelyben az emberek nem emlékeznek arra, amit mondtak. Látta, hogy közbenjárása a kocsiban lévő gyógyszeres feleségért tele volt azzal, amitől a legjobban tartott a világon, amit gúnynak neveznek, de ösztöne mást mondott neki. Mielőtt a tisztnek ideje lett volna befejezni utolsó szavait, Andrey herceg dühében elcsúfított arccal odalovagolt hozzá, és felemelte az ostort:
- A végrendeletből engedje el!
A tiszt intett a kezével, és sietve elhajtott.

Az antianyag ellentéte a hétköznapi anyagnak.

Pontosabban, az antianyag szubatomi részecskéinek a normál anyaggal ellentétes tulajdonságai vannak, a belső részecskék ellentétes elektromos töltésével. A tudósok azt állítják, hogy az antianyagot az anyaggal együtt az Ősrobbanás után hozták létre, de az antianyag ritka a modern univerzumban, és a tudósok nem tudják, miért.

Az antianyag jobb megértése érdekében többet kell tudni az anyagról.

Az anyag atomokat tartalmazó molekulákból áll, amelyek a kémiai elemek, például hidrogén, hélium vagy oxigén alapvető egységei. A molekuláknak bizonyos számú eleme van: a hidrogénnek egy elektronja van, a héliumnak két elektronja van, és így tovább.

A legegyszerűbb antihidrogén atomok

Az elmúlt 25 évben a tudósok képesek voltak létrehozni az antianyag legegyszerűbb atomjait és stabilan tartani őket antihidrogénként. Méréseket hajtottunk végre, és meghatároztuk az antihidrogén belső szerkezetét.

A hidrogén a periódusos rendszer első eleme, és egy elektronból áll, amely egy proton körül mozog. Antihidrogén tükrében egy antielektron vagy pozitron és egy antiproton van.

Ha egy pozitron és egy elektron összeütközik, elpusztítják egymást és energiát szabadítanak fel. Ugyanez vonatkozik a proton-antiproton kölcsönhatásra is. Mivel univerzumunk tele van elektronokkal, protonokkal és különféle kombinációkkal, rendkívül nehéz az antirészecskéket nagyon sokáig tartani.

Az atomi világegyetem bonyolult, mivel tele van egzotikus részecskékkel, amelyek spin-tulajdonságokkal rendelkeznek (tengelye körül forgódnak) és olyan jellemzőkkel, amelyeket a fizikusok csak most kezdtek megérteni. Egyszerű szempontból az atomokban vannak részecskék, amelyek elektronként, protonként és neutronként ismertek bennük.

Antirészecskék

Az atom középpontját magnak nevezzük, amely protonokat tartalmaz (amelyek pozitív elektromos töltéssel rendelkeznek) és neutronokat (amelyek semleges töltéssel rendelkeznek). Az általában negatív töltésű elektronok a sejt körül keringenek. A pályák attól függően változhatnak, hogy az elektronok hogyan "gerjesztődnek" (vagyis mennyi energiájuk van).

Antianyag esetén az elektromos töltés helyreáll az anyaghoz viszonyítva. Az anti-elektronok (úgynevezett positronok) elektronként viselkednek, de pozitív töltéssel rendelkeznek. Az antiprotonok, amint a neve is mutatja, negatív töltésű protonok.

Ezeket az antianyag-részecskéket (úgynevezett "antirészecskék") olyan hatalmas részecskegyorsítókban állították elő és tanulmányozták, mint például az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet által üzemeltetett nagy hadron ütköző.

Egy kör alakú ütköző gerendagyorsítóban, mint a nagy hadron ütközőben, a részecskéket minden alkalommal eléri az energia, amikor befejezik forgatásukat.

Az antianyag tanulmányozásához meg kell akadályozni annak anyaggal való megsemmisülését. A tudósok speciális csapdákat hoztak létre. Az olyan részecskéket, mint a positronok és az antiprotonok, Penning-csapdának nevezett eszközökbe terelik. A készülék úgy néz ki, mint egy apró booster. A készülék belsejében vannak olyan spirálok, amelyek mágneses és elektromos mezőket hoznak létre, amelyek megakadályozzák a részecskék ütközését a csapda falaiba.

De a Penning-csapdák nem működnek semleges részecskéknél, mint például az antihidrogén, mert nincs töltése. A tudósok más csapdákkal álltak elő, amelyek úgy működnek, hogy olyan térterületet hoznak létre, ahol a mágneses mező minden irányban kibocsátódik.

Az antianyagra nem vonatkozik az antigravitáció. Bár kísérletileg nem erősítették meg, a jelenlegi elmélet azt jósolja, hogy az antianyag ugyanúgy viselkedik, mint a normál anyag gravitáció alatt.

Hogyan alakult ki a világegyetem anyaga

Az antianyag-részecskék nagy sebességű ütközések során keletkeznek. Az Ősrobbanás utáni első pillanatokban csak energia létezett. Amint az univerzum hűl és tágul, az anyag és az antianyag részecskék egyaránt azonos mennyiségben keletkeztek. Hogy az egyik kérdés miért uralkodni kezdett egy másik felett, azt a tudósoknak még nem sikerült felfedezniük.

Az egyik elmélet azt sugallja, hogy a kölcsönös megsemmisítés után rengeteg normális anyag van, amellyel csillagok, galaxisok és mi képződtek.

Részecske-elméletek

Az antianyagot először 1928-ban jósolta meg Paul Dirac angol fizikus, akit brit tudósok "Nagy-Britannia legnagyobb teoretikusának neveztek, mint Sir Isaac Newton".

Dirac összeállította Einstein speciális relativitásegyenletét (amely azt mondja, hogy a fénynek van egy bizonyos sebessége az univerzumban) és a kvantummechanikát (amely leírja az atomban történőket). Levezetett egy egyenletet negatív és pozitív töltésű elektronokra. Dirac végül azt mondta, hogy az univerzum minden részecskéjének lesz tükörképe. Carl D. Anderson amerikai fizikus 1932-ben fedezte fel a pozitronokat.

Dirac 1933-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat, Anderson pedig 1936-ban.

Antianyag egy űrhajón

Amikor az antianyag részecskéi kölcsönhatásba lépnek az anyag részecskéivel, elpusztítják egymást és energiát termelnek.

Ez arra késztette a mérnököket, hogy feltételezzék, hogy az antianyag hatalmas és hatékony energia lehet egy űrhajó számára az univerzum felfedezéséhez.

Mostantól azonban az antianyag körülbelül 100 milliárd dollárba kerül egy milligramm antianyag létrehozása érdekében. Ez a minimum, ami az alkalmazáshoz szükséges lesz. Ahhoz, hogy ez az energia kereskedelmileg életképes legyen, ennek az árnak körülbelül 10 000-szeresére kellene esnie. Most sokkal több elektromosságra van szükség az antianyag létrehozásához, mint az antianyag reakciótól való visszatéréshez.

De ez nem akadályozza meg a tudósokat abban, hogy azon dolgozhassanak, hogy fejlesszék az antianyagot az űrhajókban. A tudósok szerint teljesen lehetséges, hogy az antianyag 50-70 évig használható a jövőben.

Most lehetőségeket dolgoznak ki arra vonatkozóan, hogy az űrhajó hogyan működhet ezen az üzemanyagon.

A tervezés deutérium és trícium granulátumokat (nehéz hidrogén izotópokat tartalmaz, amelyeknek egy vagy két neutronja van a magjukban, szemben az általános hidrogénnel, amelynek nincs neutronja). Az antiproton nyaláb hat a granulátumokra. Miután az antiprotonok eljutnak az uránhoz, megsemmisülnek, hogy olyan hasadási termékeket hozzanak létre, amelyek kiváltják a fúziós reakciót. Ennek az energiának a kihasználása mozgathatja az űrhajót.

Antianyag-rakétamotorok hipotetikusan lehetségesek, de a fő korlát az, hogy elegendő antianyagot gyűjtsenek össze, hogy ez megtörténjen. A legdrágább anyagok a világonmost antianyag.

Jelenleg nincs technológia az összes alkalmazáshoz szükséges mennyiségű antianyag tömeggyártására vagy összegyűjtésére.

1930-ban a híres angol elméleti fizikus, Paul Dirac, levezetve az elektronmező relativisztikus mozgásegyenletét, megoldást kapott más részecskékre is, ugyanolyan tömegű és ellentétes, pozitív elektromos töltéssel. Az egyetlen ismert, pozitív töltésű részecske, a proton, nem lehetett ez az iker, mivel jelentősen eltért az elektrontól, ezerszer nagyobb tömeggel.

Később, 1932-ben, Carl Anderson amerikai fizikus megerősítette Dirac jóslatait. A kozmikus sugarak tanulmányozásával felfedezte az elektron antirészecskéjét, amelyet ma pozitronnak hívnak. 23 évvel később antiprotonokat fedeztek fel egy amerikai gyorsítónál, egy évvel később pedig egy antineutront.

Részecskék és antirészecskék

Mint tudják, minden elemi részecskének számos jellemzője, száma jellemzi. Köztük a következők:

• A tömeg egy fizikai mennyiség, amely meghatározza az objektum gravitációs kölcsönhatását.
• A forgás egy elemi részecske megfelelő szögmomentuma.
• Az elektromos töltés olyan jellemző, amely jelzi a test elektromágneses mező létrehozásának és az elektromágneses kölcsönhatásban való részvétel lehetőségét.
• A színtöltés egy absztrakt fogalom, amely megmagyarázza a kvarkok kölcsönhatását és más részecskék - hadronok képződését.

Számos más kvantumszám is létezik, amelyek meghatározzák a részecskék tulajdonságait és állapotát. Ha antirészecskét írunk le, akkor egyszerű szóval egy részecske tükörképe, azonos tömegű és elektromos töltéssel. Miért érdeklődnek annyira a tudósok az olyan részecskék iránt, amelyek csak részben hasonlóak és részben eltérnek az eredetiktől?

Kiderült, hogy egy részecske és egy antirészecske ütközése megsemmisüléshez - pusztulásukhoz és a megfelelő energia felszabadulásához vezet más nagy energiájú részecskék formájában, vagyis egy kis robbanáshoz vezet. Motiválja az antirészecskék tanulmányozását és azt a tényt, hogy az antirészecskékből (antianyag) álló anyag a természetben nem önállóan képződik - derül ki a tudósok megfigyeléséből.

Általános információk az antianyagról

A fentiekből kilépve világossá válik, hogy a megfigyelhető Univerzum anyagból, anyagból áll. A jól ismert fizikai törvényeket követve azonban a tudósok biztosak abban, hogy az Ősrobbanás eredményeként az anyagnak és az antianyagnak azonos mennyiségben kell képződnie, amit nem tartunk be. Nyilvánvaló, hogy a világról alkotott elképzeléseink hiányosak, és vagy a tudósok valamit elmulasztottak a számításaikban, vagy valahol a láthatóságunkon kívül, az Univerzum távoli részein található megfelelő mennyiségű antianyag, úgymond "az antianyag világa".

Úgy tűnik, hogy ez az antiszimmetria az egyik leghíresebb megoldatlan fizikai probléma.

A modern fogalmak szerint az anyag és az antianyag szerkezete majdnem megegyezik abból az okból, hogy az anyag szerkezetét meghatározó elektromágneses és erős kölcsönhatások ugyanúgy hatnak mind a részecskék, mind az antirészecskék vonatkozásában. Ezt a tényt 2015 novemberében erősítették meg az Egyesült Államok RHIC-ütközőjénél, amikor orosz és külföldi tudósok megmérték az antiprotonok kölcsönhatásának erősségét. Kiderült, hogy egyenlő a protonok kölcsönhatásának erejével.

Antianyag megszerzése

Az antirészecskék termelése általában akkor történik, amikor részecske-antirészecske párok képződnek. Ha egy elektron és annak antirészecskéjének ütközésekor pozitron, két gamma-kvóta szabadul fel, akkor egy nagy energiájú gamma-kvantumra van szükség, amely kölcsönhatásba lép az atommag elektromos mezőjével az elektron-pozitron pár létrehozásához. Laboratóriumi körülmények között ez történhet gyorsítókban vagy lézerekkel végzett kísérletek során. Természetes körülmények között - pulzárokban és a fekete lyukak közelében, valamint a kozmikus sugarak kölcsönhatásában bizonyos típusú anyagokkal.

Mi az antianyag? A megértéshez elég a következő példát felhozni. A legegyszerűbb anyag, a hidrogénatom egy protonból áll, amely meghatározza a magot, és egy elektronból, amely körül forog. Tehát az antihidrogén olyan antianyag, amelynek atomja antiprotonból és egy körülötte forogó pozitronból áll.

Az antihidrogén előállítására és vizsgálatára szánt ASACUSA CERN-létesítmény általános képe

Az egyszerű megfogalmazás ellenére meglehetősen nehéz szintetizálni az antihidrogént. Pedig 1995-ben a CERN LEAR gyorsítóján a tudósoknak sikerült 9 olyan antianyagot létrehozniuk, amelyek csak 40 nanoszekundumig éltek és elpusztultak.

Később masszív eszközök segítségével létrehoztak egy mágneses csapdát, amely 38 antihidrogénatomot tartott 172 milliszekundumig (0,172 másodpercig), 170 000 antihidrogénatom után pedig 0,28 attogrammot (10 -18 gramm). Ez a mennyiségű antianyag elegendő lehet a további tanulmányokhoz, és ez siker.

Antianyag költség

Ma bátran kijelenthetjük, hogy a világ legdrágább anyaga nem a kalifornium, a regolit vagy a grafén, és természetesen nem az arany, hanem az antianyag. A NASA számításai szerint egy milligramm positron létrehozása körülbelül 25 millió dollárba kerül, és 1 g antihidrogént 62,5 billió dollárra becsülnek. Érdekes, hogy egy nanogramm antianyag, amelynek mennyiségét 10 év alatt használták fel a CERN kísérleteiben, több száz millió dollárba került a szervezetnek.

Alkalmazás

Az antianyag tanulmányozása jelentős potenciállal rendelkezik az emberiség számára. Az első és legérdekesebb eszköz, amelyet elméletileg az antianyag táplál, a lánchajtás. Egyesek talán emlékeznek arra, hogy a híres Star Trek tévésorozatból a motort az anyag és az antianyag megsemmisítésének elvén működő reaktor hajtotta.

Valójában több ilyen matematikai modell létezik, és számításaik szerint nagyon kevés antirészecskére lesz szükség a jövő űrhajójához. Tehát egy hét hónapos, Marsra tartó repülés időtartama egy hónapra csökkenthető, 140 nanogramm antiprotoninak köszönhetően, amelyek katalizátorként működnek majd a hajóhasadásban a hajó reaktorában. Az ilyen technológiáknak köszönhetően intergalaktikus repülések is elvégezhetők, amelyek lehetővé teszik az ember számára, hogy részletesen tanulmányozza a többi csillagrendszert, és a jövőben gyarmatosítsa őket.

Az antianyag azonban, mint sok más tudományos felfedezés, veszélyt jelenthet az emberiségre. Mint tudják, a legszörnyűbb katasztrófát, Hirosima és Nagaszaki atombombázását két atombomba segítségével hajtották végre, amelyek össztömege 8,6 tonna, a teljesítmény pedig körülbelül 35 kilotonna. De 1 kg anyag és 1 kg antianyag ütközésekor 42 960 kilotonnának megfelelő energia szabadul fel. Az emberiség által valaha kifejlesztett legerősebb bomba - az AN602 vagy a "Tsar Bomba" körülbelül 58 000 kilotonnás energiát szabadított fel, de súlya 26,5 tonna volt! Összefoglalva a fentieket, nyugodtan kijelenthetjük, hogy az antianyagon alapuló technológiák és találmányok az emberiséget mind példátlan áttöréshez, mind a teljes önpusztításhoz vezethetik.

„Az antianyag fizikailag és kémiailag nem különbözik az anyagtól. Valójában ez ugyanaz a kérdés, csak kifordítva. Fizikai és kémiai referencia könyveink ugyanolyan hasznosak a prokionidok számára, mint nekünk. Ugyanazokat a mintákat, ugyanazokat a reakciókat írják le ugyanazokkal az elemekkel. Csak számukra az anyag antianyag. A kérdés az, hogy melyik oldalról nézzünk. "(Krzysztof Borun," Antiworld ", 1963)

Alexey Levin

Az antianyag létezésének gondolata még a klasszikus fizika korában, a 19. század végén kifejeződött.

A hidrogén és az antihidrogén teljesen azonos szerkezetűek - hadronból és leptonból állnak. Az első esetben egy pozitív töltésű proton, amely három kvarkból (kettő felső és egy alsó) áll, és egy negatív töltésű elektron alkot hidrogénatomot, amely számunkra jól ismert. Az antihidrogén negatív töltésű antiprotonból áll, amely viszont három megfelelő antikarkból és egy pozitív töltésű pozitronból (egy elektron antirészecskéje) épül fel.

Az elektron és a pozitron megsemmisítése alacsony energiák esetén legalább két (ez a lendület megőrzésének köszönhető) fotont eredményez. Ez a folyamat sematikusan ábrázolható az úgynevezett Feynman diagram segítségével. Egy bizonyos energiaküszöb túllépésekor a megsemmisülés bekövetkezhet "virtuális" fotonok előállításával, amelyek ismét gyorsan elektron- és positron-párokra bomlanak.

Az anyag és az antianyag megsemmisítésének számítógépes modellje. A vörös vonalak a pozitron megsemmisítés során ellentétes irányban szóródó fotonok, a sárga vonalak pedig az antiproton megsemmisítés során keletkező részecskék. A pályák egy pontból származnak - ez bizonyíték arra, hogy az antiprotonok és a positronok antihidrogénatomokat képeznek (ATHENA kísérlet a CERN-ben)

Idővetítő kamera a PANDA kísérletből a darmstadti FAIR Nemzetközi Központban

Az antirészecskék felfedezését joggal tekintik a fizika legnagyobb eredményének a 20. században. Ez volt az első, amely a legmélyebb, legalapvetőbb szinten bizonyította az anyag instabilitását. Előtte mindenki biztos volt abban, hogy világunk anyaga olyan elemi részecskékből áll, amelyek soha nem tűnnek el és nem születnek újjá. Ez az egyszerű kép a múlté lett, amikor közel 80 évvel ezelőtt bebizonyosodott, hogy az elektron és a pozitív töltésű ikerje találkozáskor eltűnik, ami elektromágneses sugárzás mennyiségét eredményezi. Később kiderült, hogy a mikrokozmosz részecskéi általában sokféleképpen átalakulnak egymásba. Az antirészecskék felfedezése az anyag természetének alapvető fogalmainak radikális átalakulásának kezdetét jelentette.

Az antianyag létezésének lehetőségét először 1898-ban fogalmazták meg - az angol Arthur Schuster nagyon homályos feljegyzést tett közzé a Nature folyóiratban, valószínűleg az elektron nemrégiben történt felfedezése ihlette. "Ha negatív elektromosság van" - kérdezte Schuster -, akkor miért ne létezhetne negatív töltésű, azonos sárga, azonos olvadáspontú és azonos spektrumú arany? " És akkor - a tudományos világirodalomban először - megjelennek az "antiatom" és az "antianyag" szavak. Schuster azt feltételezte, hogy az antiatómákat a gravitációs erők vonzzák egymáshoz, de a hétköznapi anyag taszítja őket.

Az antielektronokat először a kísérletben figyelték meg, még a hivatalos felfedezésük előtt. Ezt Dmitrij Szkobeltsin, a leningrádi fizikus tette meg, aki az 1920-as években egy mágneses mezőbe helyezett Wilson-kamrában tanulmányozta a gammasugarak elektronokkal történő szétszóródását. Észrevette, hogy néhány látszólag elektronikus eredetű pálya rosszul van behajlítva. A lényeg természetesen az, hogy egy gamma-kvantum, ha kölcsönhatásba lép az anyaggal, elektront és pozitronot eredményezhet, amelyek mágneses mezőben ellentétes irányba csavarodnak. Skobeltsin természetesen nem tudta ezt, és nem tudta megmagyarázni a furcsa hatást, de 1928-ban egy cambridge-i nemzetközi konferencián számolt be róla. Véletlen, hogy egy évvel korábban egy fiatal elméleti fizikust, Paul Dirac-t választottak a cambridge-i St. John's College elnökségébe, akinek kutatásai végül segítettek ezeknek az anomáliáknak a magyarázatában.

Dirac-egyenlet

1926-ban az osztrák Erwin Schrödinger megfogalmazott egy egyenletet, amely leírja a kvantummechanikának engedelmeskedő nem relativisztikus részecskék viselkedését - egy differenciálegyenlet, amelynek megoldásai meghatározzák a részecske állapotát. A Schrödinger-egyenlet egy olyan részecskét írt le, amelynek nincs saját szögmomentuma - spinje (más szóval, nem úgy viselkedik, mint egy csúcs). Azonban 1926-ban már ismert volt, hogy az elektronoknak van egy spinje, amelynek két különböző jelentése lehet: nagyjából szólva az elektroncsúcs tengelye a térben csak két ellentétes irányban orientálódik (egy évvel később hasonló bizonyítást kaptak a protonok esetében is). Ugyanakkor Wolfgang Pauli svájci teoretikus általánosította az elektron Schrödinger-egyenletét, hogy az figyelembe vegye a spin-t. Így a spin-et először kísérleti úton fedezték fel, majd mesterségesen rátették a Schrödinger-egyenletre.

Einstein relativisztikus mechanikájában a szabad részecske energiájának képlete bonyolultabbnak tűnik, mint a newtoni. Nem nehéz lefordítani Einstein képletét kvantumegyenletbe, Schrödinger és három kortársa is ezt tette. De egy ilyen egyenlet megoldásai azt mutatják, hogy egy részecske megtalálásának valószínűsége egy bizonyos ponton negatívnak bizonyulhat, amelynek nincs fizikai jelentése. További gondok merülnek fel, mivel az új egyenlet matematikai szerkezete (ezt Klein-Gordon-egyenletnek hívják) ellentmond a relativitáselméletnek (formális nyelven nem relativisztikusan invariáns).

Dirac ezen a kérdésen tűnődött 1927-ben. Az invariancia megőrzése érdekében nem az energia és a lendület operátorainak négyzeteit, hanem az első fokukat vette be az egyenletbe. Az egyenlet ilyen formában történő megírásához eleinte összetettebb 4x4-es mátrixokat kellett bevezetni, mint Paulié. Ez az egyenlet négy egyenlő megoldást talált, és két esetben az elektronenergia pozitív, és két esetben negatív.

Ekkor keletkezett a gubanc. Az első pár megoldást egyszerűen értelmeztük - ez egy közönséges elektron minden lehetséges spin állapotban. Ha elektromágneses teret adunk a Dirac-egyenlethez, akkor könnyen kiderül, hogy az elektronnak megfelelő a mágneses nyomatéka. Ez Dirac elméletének óriási sikere volt, amely minden további feltételezés nélkül mind az spinet, mind a mágneses momentumot felruházta az elektronnak. Eleinte azonban senki sem tudta eldönteni, mit kezdjen a többi döntéssel. Mind Newton, mind Einstein mechanikájában a szabad részecske energiája soha nem negatív, és a nulla alatti energiájú részecskék zavartságot okoznak. Ezenkívül nem volt világos, miért nem mennek át a hétköznapi elektronok szándékosan alacsonyabb energiával a Dirac elmélete által megjósolt állapotokba, míg az atomok héjában lévő elektronok nem hagynak ki egy ilyen lehetőséget.

Értelem keresése

Két évvel később Dirac megtalálta a paradox megoldások nagyon szép értelmezését. Pauli elvének megfelelően két elektron (mint minden félig egész spinű részecske) nem lehet egyszerre ugyanabban a kvantum állapotban. Dirac szerint minden negatív energiájú állapot normál esetben már meg van töltve, és a Pauli-elv tiltja az ilyen állapotokba való átmenetet a pozitív energiák zónájából. Ezért a negatív energiájú elektronok Dirac-tengere elvileg nem figyelhető meg, de csak addig, amíg nincsenek szabad üres helyek benne. Ilyen megüresedés akkor hozható létre, ha egy elektront kiütünk egy negatív energiaszintről pozitívra (például az elektromágneses sugárzás kellően erős kvantumával). Mivel az elektrontenger elveszíti a negatív töltés egységét, a kialakuló üresedés (Dirac lyuknak nevezte) az elektromos térben pozitív töltésű részecskeként fog viselkedni. Ugyanezen logika szerint egy elektron esése a normál állapotból egy ilyen lyukba az elektron és a lyuk eltűnéséhez vezet, egy foton emissziójával együtt.

Hogyan jelennek meg a Dirac-lyukak a való világban? Dirac eleinte protonokkal azonosította őket, amelyeket a Nature-ben írt 1930-ban. Legalább furcsa volt - egy proton 2000-szer nehezebb, mint egy elektron. A leendő akadémikus, Nobel-díjas Igor Tamm és az atombomba leendő atyja, Robert Oppenheimer komolyabb kifogást emelt, megjegyezve, hogy akkor minden hidrogénatomot kihalás fenyeget, és ez a természetben nem történik meg. Dirac hamarosan felhagyott ezzel a hipotézissel, és 1931 szeptemberében előállt egy cikkel, amelyben azt jósolta, hogy a lyukak, ha kimutathatók, teljesen új részecskékké válnak, ismeretlenek a kísérleti fizika számára. Azt javasolta, hogy hívják őket elektronellenesnek.

A Dirac-modell a kvantumelektrodinamika és a kvantumtér-elmélet létrehozása után vonult be a történelembe, amelyek ugyanazt a valóságot tulajdonítják a részecskéknek és az antirészecskéknek. A kvantumelektrodinamikából az is következik, hogy egy szabad elektron és egy antielektron ütközése legalább pár kvantum létrehozását vonja maga után, így ebben a részben a modell egyszerűen hibás. Mint gyakran előfordul, a Dirac-egyenlet sokkal okosabbnak bizonyult, mint az alkotója által javasolt értelmezés.

Az antielektron felfedezése

Mint már említettük, a pozitronokat Dmitrij Szkobeltsin figyelte meg. 1930-ban Chung-Yao Chao, a Kaliforniai Műszaki Intézet végzős hallgatója találkozott velük, és tanulmányozta az ólomfólián keresztüli gamma kvantumok átjutását. Ebben a kísérletben elektron-pozitron párok keletkeztek, amelyek után az újszülött positronok megsemmisültek az atomhéjak elektronjaival, és másodlagos gammasugárzást generáltak, amelyet Chao rögzített. Sok fizikus azonban kételkedett az eredményekben, és ez a munka nem részesült elismerésben.

Chao vezetője a Caltech elnöke, a Nobel-díjas Robert Millikan volt, aki akkor kozmikus sugarakkal foglalkozott (ezt a kifejezést javasolta). Millikan gamma-sugarak fluxusának tartotta őket, és ezért arra számított, hogy atomokat osztanak elektronokká és protonokká (a neutront később, 1932-ben fedezték fel). Millikan javasolta ennek a hipotézisnek a tesztelését Karl Andersonnak, másik végzős hallgatójának, valamint barátjának, Chao-nak. Skobeltsinhez hasonlóan ő is úgy döntött, hogy Wilson kameráját használja, amely egy nagyon erős elektromágneshez csatlakozik. Anderson töltéses részecskék nyomait is kapta, amelyek kifelé nem különböztek az elektronok nyomaitól, hanem az ellenkező irányba hajlottak. Először az elektronoknak tulajdonította őket, amelyek nem fentről lefelé, hanem lentről felfelé mozognak. A vezérléshez 6 mm vastag ólomlemezt helyezett a kamra közepére. Kiderült, hogy a lemez fölött az elektron típusú sávokkal rendelkező részecskék pillanatainak nagysága több mint kétszer nagyobb, mint ezek a mutatók a kamra alsó részén - ebből következett, hogy minden részecske fentről lefelé halad. Ugyanez a technika bebizonyította, hogy az anomális örvényű részecskék nem lehetnek protonok - beragadnának egy ólomképernyőbe.

Végül Anderson arra a következtetésre jutott, hogy szinte az összes rendellenes sáv valamilyen pozitív töltésű fényrészecskéhez tartozik. Millikan azonban nem hitte el, és Anderson nem akarta, hogy főnöke jóváhagyása nélkül publikálják a tudományos sajtóban. Ezért a Science News Letter című népszerű folyóirat rövid levelére szorítkozott, és csatolta hozzá a rendellenes pálya fényképét. A szerkesztő, aki egyetértett Anderson értelmezésével, azt javasolta, hogy az új részecskét pozitronnak nevezzék. Ezt a fényképet 1931 decemberében tették közzé.

Most emlékezzünk arra, hogy Dirac még szeptemberben közzétette az antielektron létezésének hipotézisét. Anderson és Millikan azonban szinte semmit sem tudtak elméletéről, és alig értették annak lényegét. Ezért Andersonnak fel sem merült azonosítani a pozitront a Dirac antielektronnal. Hosszú ideig próbálta meggyőzni Millikant saját igazáról, de a siker elérése nélkül, 1932 szeptemberében a Science folyóiratban megjegyzést tett közzé megfigyeléseiről. Ebben a munkában azonban nem az elektron ikeréről beszélünk, hanem csak egy ismeretlen típusú pozitív töltésű részecskéről, amelynek tömege jóval kisebb, mint a proton tömege.

A következő lépést az antielektron azonosítása felé tették az előrejelzés helyén - Cambridge-ben. Patrick Blackett angol fizikus és olasz kollégája, Giuseppe Occhialini kozmikus sugarak vizsgálatával foglalkoztak a híres Cavendish Laboratóriumban, a nagy Rutherford vezetésével. Occhialini azt javasolta, hogy Wilson kamráját felszerelje egy elektronikus áramkörrel (honfitársa, Bruno Rossi találta ki), amely bekapcsolja a kamrát, ha egyidejűleg aktiválódnak a Geiger számlálók, amelyek egyikét a kamra fölé telepítették, a másikat pedig alá. 1932 őszére a partnerek mintegy 700 fényképet kaptak a pályákról, amelyek kozmikus eredetű töltött részecskéknek tulajdoníthatók. Köztük voltak V alakú sávpárok is, amelyeket elektronok és mágneses térben széttartó pozitronok hoztak létre.

Blackett tudott a Dirac által jósolt elektronelhárításról, de elméletét nem vette komolyan. Dirac maga sem látta hipotetikus részecskéjét Blackett fényképein. Ennek eredményeként Blackett és Occhialini csak később értelmezték helyesen fényképeiket, amikor megismerkedtek Anderson szeptemberi kiadványával. Eredményeiket egy szerény címmel "A behatoló sugárzás nyomainak fotói" ismertették, amely 1933. február 7-én érkezett meg a Proceedings of the Royal Society szerkesztőségébe. Ekkorra Anderson megtudta a versenytársakat a Cavendish-től, és eredményeit megfelelően bemutatta egy négyoldalas, Pozitív elektron című cikkben, amelyet február 28-án nyújtottak be a Fizikai Szemléhez. Mivel Anderson elsőbbségét korábbi publikációk határozták meg, egyedül ő kapta meg a Nobel-díjat a pozitron felfedezéséért (1936-ban, a kozmikus sugarak felfedezőjével, Viktor Hessszel együtt). Blackett 12 évvel később ítélte oda ezt a díjat ("A Wilson-kamera megfigyelési módszereinek fejlesztéséért, valamint a nukleáris fizika és az űrsugárzás területén végzett felfedezésekért" megfogalmazással), ám Occhialini megkerülte a díjat - úgy vélik, hogy politikai okokból.

Hamarosan ugrásszerűen haladt a pozitron kutatás. Jean Thibault párizsi fizikus földi eredetű elektron-pozitron párokat figyelt meg, amelyeket egy radioaktív forrásból származó ólom gamma-kvantumainak lassulása generált. Bizonyította, hogy mindkét részecske esetében a töltés és a tömeg aránya abszolút értékben nagyon nagy pontossággal esik egybe. 1934-ben Frédéric Joliot és Irene Curie felfedezték, hogy a positronok radioaktív bomlásból is származnak. Tehát a harmincas évek közepére a Dirac által megjósolt anti-elektronok léte bevett tény lett.

Antinuklonok

A kozmikus sugarakkal történő pozitronok előállításának mechanizmusát már régen létrehozták. Alapvetően az elsődleges kozmikus sugárzás 1 GeV-nál nagyobb energiájú protonokból áll, amelyek a felső légkörben lévő atommagokkal ütközve pionokat és más instabil részecskéket hoznak létre. A bazsarózsa új bomlásokhoz vezet, amelyek során gamma-kvantumok jelennek meg, amelyek az anyagban lelassulva elektron-pozitron párokat hoznak létre.

Megfelelően gyors protonok, amikor atommagokkal ütköznek, képesek közvetlenül antiprotonokat és antineutronokat létrehozni. A huszadik század közepén a fizikusok már nem kételkedtek az ilyen átalakulások lehetőségében, és másodlagos kozmikus sugarakban keresték nyomukat. Néhány megfigyelés eredményét úgy tűnt, hogy antiprotonok megsemmisítéseként értelmezték, de teljes bizonyosság nélkül. Ezért amerikai fizikusok javaslatot tettek egy 6 GeV protongyorsító megépítésére, amelyen az elmélet szerint mindkét típusú antinukleont sikerült megszerezni. Ezt a Bevatron nevű gépet a Lawrence Berkeley Laboratóriumban indították el 1954-ben. Egy évvel később Owen Chamberlain, Emilio Segre és munkatársaik antiprotonokat nyertek azzal, hogy protonokat réz célpontra lőttek. Egy évvel később ugyanabban a létesítményben egy másik fizikuscsoport regisztrálta az antineutronokat. 1965-ben a CERN-ben és a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban antiprotoniumból és antineutronból álló antideuterium sejteket szintetizáltak. Az 1970-es évek elején pedig a Szovjetuniótól üzenet érkezett arról, hogy antihélium-3 magokat (két antiproton és egy antineutron) és antitritiumot (antiproton és két antineutron) szintetizáltak a Magas Energia Fizikai Intézet 70-GeV protongyorsítóján; 2002-ben több könnyű antihélium magot nyertek a CERN-ben. Az ügy nem mozdult tovább, így legalább egy antigoldummag szintézise a távoli jövő kérdése.

Az ember antianyagot készített

A magok magok, de a valódi antianyaghoz teljes értékű atomokra van szükség. Ezek közül a legegyszerűbb az antihidrogénatom, az antiproton és a pozitron. Ilyen atomokat először a CERN-ben hoztak létre 1995-ben - 40 évvel az antiproton felfedezése után. Teljesen elképzelhető, hogy ezek voltak az első antihidrogénatomok az Univerzumunk fennállása alatt az ősrobbanás után - természetes körülmények között születésük valószínűsége gyakorlatilag nulla, és a földön kívüli technológiai civilizációk létezése még mindig kérdéses.

Ezt a kísérletet Walter Ohlert német fizikus vezetésével hajtották végre. Ezután a CERN működtette a LEAR tároló gyűrűt, amelyben alacsony energiájú (csak 5,9 MeV) antiprotonokat tároltak (1984 és 1996 között működött). Ohlert csoportjának kísérlete során az antiprotonokat egy xenon sugárra irányították. Az antiprotonok ennek a gáznak a magjaival való ütközése után elektron-pozitron párok keletkeztek, és néhány positron nagyon ritkán (10−17% frekvenciával!) Kombinálva antiprotonokkal szinte fénysebességgel mozgó antihidrogén atomokká. A töltés nélküli antiatómák már nem tudtak forogni a gyűrű belsejében, és kirepültek a két detektor felé. Az első eszközben mindegyik antiatómát ionizáltuk, és a felszabadult pozitronot elektronnal megsemmisítettük, így egy pár gamma-kvantum keletkezett. Az antiproton bekerült a második detektorba, amelynek a részecske eltűnése előtt volt ideje meghatározni töltését és sebességét. Mindkét detektor adatainak összehasonlítása azt mutatta, hogy a kísérlet során legalább 9 antihidrogénatom szintetizálódott. Hamarosan relativisztikus antihidrogénatomokat hoztak létre a Fermilabnál.

2000 nyara óta új AD (Antiproton Decelerator) gyűrű működik a CERN-ben. 3,5 GeV kinetikus energiájú antiprotonokat kap, amelyeket 100 MeV energiára lelassítanak, majd különféle kísérletek során felhasználnak. Az ATHENA és az ATRAP csoport felvette az antianyagot, amely 2002-ben egyszerre több tízezer antihidrogén atomot kezdett el fogadni. Ezek az atomok speciális elektromágneses palackokban (az úgynevezett Penning-csapdákban) keletkeznek, ahol az AD-ből származó antiprotonok és a nátrium-22 bomlása során keletkezett positronok keverednek. Igaz, a semleges antiatómák életét egy ilyen csapdában csak mikroszekundumokban mérik (de a pozitronok és az antiprotonok hónapokig tárolhatók!). Jelenleg az antihidrogén hosszabb tárolására szolgáló technológiákat fejlesztenek ki.

Gerald Gabriels, a Harvard Egyetem professzora, az ATRAP csoport vezetőjének (az ATHENA projekt már befejeződött) PM-nek adott interjújában hangsúlyozta, hogy a LEAR-tól eltérően az AD létesítmény lehetővé teszi a viszonylag lassú (ahogy a fizikusok mondják, hideg) antihidrogén atomok szintézisét, amellyel sokkal könnyebb munka. A tudósok most megpróbálják még jobban lehűteni az antiatómákat, és pozitronjaikat alacsonyabb energiaszintre viszik át. Ha ez sikerül, lehetővé válik az antiatómák hosszabb ideig tartó erő-csapdákban tartása és azok fizikai tulajdonságainak (például spektrális jellemzőinek) meghatározása. Ezeket a mutatókat össze lehet hasonlítani a közönséges hidrogén tulajdonságokkal, és végül megérteni, hogy az antianyag hogyan különbözik az anyagtól. Nagyon sok munka van még hátra.