Антиматерия

Kāipíng, Китай (AP) — Завершается установка мощного детектора под гранитным холмом на юге Китая, который будет обнаруживать нейтрино — загадочные частицы с крайне малой массой. Подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь вскоре начнет свою работу, став одной из трех обсерваторий в мире, предназначенных для изучения этих неуловимых частиц. Две другие находятся в США и Японии и все еще находятся в разработке. Обнаружение нейтрино — важный шаг к пониманию происхождения Вселенной.

По словам физика-теоретика Андре де Гувеа, китайская обсерватория, которая должна начать работу в следующем году, значительно продвинет технологии в этой области. Нейтрино, появившиеся во времена Большого взрыва, проносятся через наши тела триллионами каждую секунду. Они испускаются звездами и образуются при столкновениях в ускорителях частиц. Несмотря на то, что нейтрино известны уже почти столетие, их природа остается неясной.

Из-за редкости столкновений нейтрино с материей физики создают огромные детекторы. Строительство детектора стоимостью 300 миллионов долларов в Кайпине заняло более девяти лет, и он расположен на глубине 700 метров, что защищает его от космических лучей и радиации. В финальной стадии строительства детектор заполнится специальной жидкостью, которая будет излучать свет при взаимодействии с нейтрино, а затем будет помещен в очищенную воду.

Обсерватория будет изучать антинейтрино, возникающие в результате столкновений на двух атомных электростанциях, расположенных на расстоянии более 50 километров друг от друга. Когда антинейтрино взаимодействуют с частицами в детекторе, это вызывает вспышку света. Основная цель детектора — выяснить, как нейтрино меняют свои виды, что поможет ученым понять их характеристики. Однако уловить эти изменения будет непросто, как отмечает физик Кейт Шолберг из Университета Дьюка.

Антиматерия — это форма материи, состоящая из античастиц, которые имеют противоположные заряды по сравнению с обычными частицами. Например, вместо протонов, нейтронов и электронов, антивещество включает антипротоны, антинейтроны и позитроны (антиэлектроны). Оно было предсказано в 1928 году и впервые обнаружено в 1932 году.

Антиматерия обладает огромным энергетическим потенциалом. При аннигиляции, то есть столкновении с обычным веществом, оно выделяет значительное количество энергии, включая гамма-излучение. Это делает антивещество потенциальным кандидатом для создания тяговых систем, способных развивать скорости, близкие к скорости света.

Исследование ученых из Университета Объединенных Арабских Эмиратов утверждает, что один грамм антиводорода может обеспечить мощность, эквивалентную 23 космическим шаттлам. Однако производство и хранение антивещества крайне сложны. Один грамм требует около 25 миллионов кВт⋅ч энергии и может стоить более 4 миллионов долларов. Антивещество необходимо удерживать в электромагнитных ловушках, чтобы избежать контакта с обычным веществом. На данный момент ученым удалось удерживать лишь несколько атомов антивещества на короткое время.

Интерес к исследованиям антивещества растет: ежегодно публикуется около 100-125 научных работ по этой теме, что значительно больше, чем в начале 2000-х. Несмотря на высокие затраты и долгосрочные перспективы, идея межзвездных путешествий с использованием антиматерии продолжает вдохновлять ученых и исследователей!

Антиматерия — это одна из самых загадочных концепций физики, завораживающая умы учёных и любителей науки. Её существование доказано, но она почти не встречается в нашей повседневной жизни, а её свойства кажутся взятыми из научной фантастики. Что такое антиматерия? Как её открыли, почему она настолько редка и что планируют с ней делать учёные в будущем? Давайте разберёмся!

Что такое антиматерия?

Антиматерия — это материал, состоящий из частиц, которые являются зеркальными противоположностями обычных частиц. Например, у электрона есть аналогичная по массе частица антиматерии — позитрон, которая имеет положительный заряд. Эти частицы могут аннигилировать при контакте, высвобождая огромные количества энергии.

Как открыли антиматерию?

Концепция антиматерии возникла в начале XX века. В 1928 году знаменитый физик Пол Дирак предположил, что для каждой частицы существует противоположная ей частица, и через несколько лет его теория подтвердилась: в 1932 году Карл Андерсон впервые зафиксировал позитрон. С тех пор открытие антиматерии стало одной из важнейших вех в физике элементарных частиц.

Почему антиматерию так трудно обнаружить?

Антиматерия почти не встречается в природе. Когда антиматерия сталкивается с обычной материей, происходит аннигиляция — частицы и античастицы превращаются в энергию. Если бы антиматерии было бы много, мы бы видели вспышки аннигиляции по всей Вселенной. Но этого не происходит, что остаётся одной из самых больших загадок в физике: почему во Вселенной доминирует материя, а антиматерии почти нет?

Как учёные изучают антиматерию?

Изучение антиматерии — сложная задача, ведь она исчезает при контакте с материей. Современные исследования сосредоточены в лабораториях, таких как ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям), где учёные создают и хранят антиводород. При помощи мощных магнитных ловушек они пытаются удерживать античастицы, чтобы предотвратить их аннигиляцию и изучать их свойства.

Зачем нужна антиматерия?

Антиматерия обладает колоссальной потенциальной энергией. Например, если бы мы смогли создать стабильный источник антиматерии, она могла бы служить источником топлива для космических путешествий — один грамм антиматерии может высвободить энергию, эквивалентную нескольким тысячам тонн топлива. Однако сейчас антиматерию невероятно трудно и дорого создавать, так что практическое использование остаётся далёкой мечтой.

Последние открытия и перспективы

Недавно в ЦЕРН в рамках эксперимента ALPHA удалось провести исследование поведения антивещества в гравитационном поле. Ученые проверили, подвержены ли античастицы гравитации так же, как обычные частицы, и пришли к выводу, что антиматерия действительно "падает" в гравитационном поле Земли, как и обычная материя. Этот эксперимент стал важным шагом в понимании гравитационного взаимодействия антиматерии и материи. Подобные открытия могут в будущем помочь разгадать, почему во Вселенной доминирует материя и почти нет антиматерии.

Также учёные исследуют антиматерию для возможного применения в медицине. Например, антипротоны могут быть использованы в терапии рака: благодаря точному разрушению клеток они позволяют атаковать злокачественные образования с высокой эффективностью, минимально повреждая окружающие ткани.

Литература и исследование

— Введение в физику антиматерии

— Проект ALPHA в ЦЕРН: Ловушка для антиводорода