Kuinka lentää Marsiin kuukaudessa? Tätä varten sinun on annettava avaruusalukselle hyvä vauhti. Valitettavasti paras ihmisen käytettävissä oleva polttoaine - ydin antaa spesifisen impulssin 3000 sekuntia, ja lento kestää useita kuukausia. Eikö kädessä ole jotain energistä? Teoreettisesti on olemassa: lämpöydinfuusio; se antaa satojen tuhansien sekuntien impulssin, ja antimateriaalin käyttö antaa miljoonien sekuntien impulssin.
Antimaterian ytimet on rakennettu antinukleoneista ja ulkokuori koostuu positroneista. Koska vahvan vuorovaikutuksen varauskonjugaatio (C-invarianssi) on jatkuvaa, antinukleilla on sama massa- ja energiaspektri kuin ydillä, jotka koostuvat vastaavista nukleoneista, ja antimaterian ja aineen atomilla on oltava identtiset rakenne ja kemialliset ominaisuudet, yhdellä ainoalla HO: lla, esineen törmäys, joka koostuu aineesta ja jolla on antimateria, johtaa niiden koostumukseen sisältyvien hiukkasten ja hiukkasten tuhoamiseen.
Hitaiden elektronien ja positronien tuhoaminen johtaa gammakvanttien muodostumiseen, ja hitaiden nukleonien ja antinukleonien tuhoaminen johtaa useiden pi-mesonien muodostumiseen. Seuraavien mesonien hajoamisten seurauksena muodostuu kovaa gammasäteilyä, jonka gammakvanttienergia on yli 70 MeV.
Antielektronit (positronit) ennusti P. Dirac ja löysivät sen jälkeen kokeellisesti”suihkut” P. Anderson, joka ei edes tiennyt Diracin ennusteesta tuolloin. Tämä löytö sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1936. Antiproton löydettiin vuonna 1955 Bervaleyn Bevatronista, joka myös sai Nobel-palkinnon. Vuonna 1960 siellä löydettiin antineutroni. Serpukhov-kiihdyttimen käyttöönoton myötä myös fyysikomme pystyivät pääsemään jollain tavoin eteenpäin - vuonna 1969 siellä löydettiin antihelium-ytimiä. Antimateriaalin atomeja ei kuitenkaan voitu saada. Ja rehellisesti sanottuna, koko kiihdyttimien olemassaolon aikana hiukkasia on saatu merkityksettömiä määriä - kaikki CERN: ssä syntetisoidut antiprotonit vuodessa riittävät käyttämään yhtä lamppua useita sekunteja.
Ensimmäinen viesti antimaterian ja antigeenin yhdeksän atomin synteesistä ATRAP-projektin (CERN) puitteissa ilmestyi vuonna 1995. Noin 40 ns: n ollessa olemassa, nämä yksittäiset atomit kuolivat vapauttaen määrätyn määrän säteilyä (joka rekisteröitiin). Tavoitteet olivat selkeät ja oikeuttivat ponnisteluja, tehtävät määritettiin ja vuonna 1997 CERN aloitti kansainvälisen taloudellisen avun ansiosta Geneven läheisyydessä desseleraattorin rakentamisen (älkäämme kääntäkö sitä "inhibiittorin" dissonanssiekvivalentiksi), joka antoi mahdollisuuden hidastaa ("viileitä") antiprotoneja takaisin kymmenen miljoonaa kertaa vuoden 1995 asennuksen kanssa. Tämä laite, nimeltään Antiproton Moderator (AD), otettiin käyttöön helmikuussa 2002.
Kokoonpano sen jälkeen, kun antiprotonit poistuvat hidastavasta renkaasta, koostuu neljästä pääosasta: ansa antiprotonien pidättämiseksi, positronin varastointirengas, sekoitusloukku ja antivetydetektori. Prototonivirra hidastuu ensin mikroaaltosäteilyllä, sitten se jäähdytetään lämmönvaihdon seurauksena vähän energiaa kuluttavien elektronien vuon kanssa, minkä jälkeen se putoaa ansaan - sekoittimeen, jossa se on 15 K lämpötilassa. Positronisäilytyslaite hidastaa peräkkäin, sieppaa ja kerää positiivisia positoneja radioaktiivisesta lähteestä; Noin puolet niistä putoaa sekoitusloukkuun, jossa ne myös jäähdytetään synkrotronisäteilyllä. Kaikki tämä on tarpeen antivetyatomien muodostumisen todennäköisyyden lisäämiseksi merkittävästi.
Antiproton-moderaattorissa alkoi kova kilpailu kahden tutkijaryhmän, ATHENA-kokeisiin osallistuvien (39 tutkijaa eri puolilta maailmaa) ja ATRAP: n välillä.
Julkaisussa Nature 2002, osa 419, s. 439, ibid s. 456), julkaistu 3. lokakuuta 2002, ATHENA-kokeessa väitettiin, että he olivat onnistuneet saamaan 50 000 antimateriatomia - antivetyä. Antimateriaaliatomien läsnäolo rekisteröitiin niiden tuhoamishetkellä, mikä osoittautui elektroni-positronien tuhoamisen aikana muodostuneiden kahden kovan kvantin jälkien leikkaamisesta yhdessä pisteessä ja antiprotonin ja protonin tuhoamisen yhteydessä saatujen pionien jälkeistä. Saatiin ensimmäinen antimateriaalin "muotokuva" (kuva alussa) - sellaisista pisteistä syntetisoitu tietokonekuva. Koska vain ne atomit, jotka "liukastuivat" ansasta, tuhottiin (ja niitä oli vain 130 laskettu luotettavasti), ilmoitetut 50 000 antigeenivetyatomia luovat vain näkymättömän taustan "muotokuvaan".
Mainosvideo:
Ongelmana on, että antivetyn tuhoaminen rekisteröitiin yleisesti vahvemmalla positronin ja antiprotonin tuhoamisen taustalla. Tämä luonnollisesti aiheutti terveen epäillyn vierekkäisen kilpailevan ATRAP-projektin kollegoiden keskuudessa. He puolestaan, syntetisoimalla antivetyä samassa laitoksessa, pystyivät rekisteröimään antivetyatomeja monimutkaisten magneettiloukkujen avulla ilman mitään taustasignaalia. Kokeessa muodostuneista antivetyatomeista tuli sähköisesti neutraaleja ja toisin kuin positronit ja antiprotonit, ne voisivat vapaasti poistua alueelta, jolla varautuneet hiukkaset olivat rajoittuneina. Heidät rekisteröitiin siellä ilman taustaa.
Arvioidaan, että ansaan muodostui noin 170 000 antivetyatomia, kuten tutkijat kertoivat artikkelissa, joka julkaistiin Physical Review Letters -lehdessä.
Ja tämä on jo menestys. Nyt saatu määrä antivetyä saattaa hyvinkin riittää tutkimaan sen ominaisuuksia. Esimerkiksi antigeenivetyatomien kohdalla ehdotetaan mittaamaan 1s-2s: n elektronisen siirtymisen taajuus (perustilasta ensimmäiseen kiihtyneeseen tilaan) korkean resoluution laserspektroskopian menetelmillä. (Tämän vetyssä tapahtuvan muutoksen taajuus tunnetaan tarkkuudella 1,8 · 10–14 - ei ole turhaa, että vetymasteria pidetään taajuusstandardina.) Teorian mukaan niiden tulisi olla samat kuin tavallisessa vedyssä. Jos esimerkiksi absorptiospektri osoittautuu erilaiseksi, joudut tekemään säätöjä modernin fysiikan perusperusteisiin.
Mutta kiinnostus antimateriaa vastaan - antimateria ei ole mitenkään puhtaasti teoreettista. Antimateriaalimoottori voi toimia esimerkiksi seuraavasti. Ensin luodaan kaksi pilveä, joista muodostuu useita biljoonia antiprotoneja, joita sähkömagneettinen ansa estää koskettamasta ainetta. Sitten niiden väliin ruiskutetaan 42 nanogramman hiukkas polttoainetta. Se on uraani-238-kapseli, joka sisältää deuteriumin ja helium-3: n tai deuteriumin ja tritiumin seoksen.
Antiprotonit tuhoutuvat välittömästi uraaninytimillä ja saavat ne hajoamaan palasiksi. Nämä fragmentit yhdessä tuloksena olevien gammakvanttien kanssa kuumentavat kapselin sisäosaa niin paljon, että siellä alkaa lämpöydinreaktio. Sen tuotteita, joilla on valtava energia, kiihdyttää vielä enemmän magneettikenttä ja karkaa moottorin suuttimen läpi tarjoamalla avaruusalukselle ennenkuulumattoman työntövoiman.
Mitä tulee lentoon Marsiin kuukaudessa, amerikkalaiset fyysikot suosittelevat sitä varten toisen tekniikan käyttöä - ydinfissiota, jota katalysoivat antiprotonit. Silloin koko lento vaatii 140 nanogrammaa antiprotoneja laskematta radioaktiivista polttoainetta.
Stanfordin tutkimuskeskuksessa (Kalifornia), johon on asennettu lineaarinen hiukkaskiihdytin, tehdyt uudet mittaukset ovat antaneet tutkijoille mahdollisuuden edistyä vastaamisessa kysymykseen siitä, miksi aine valtaa maailmankaikkeuden antimateriaa.
Kokeen tulokset vahvistavat aikaisemmat oletukset näiden vastakkaisten yksiköiden epätasapainon kehittymisestä. Tutkijoiden mukaan suoritetut tutkimukset ovat kuitenkin esittäneet enemmän kysymyksiä kuin vastauksia: kiihdyttimellä tehdyt kokeilut eivät pysty tarjoamaan täydellistä selitystä miksi avaruudessa on niin paljon ainetta - miljardeja tähtiä ja planeettoja täyttäviä galakseja.
Kiihdyttimen kanssa työskentelevät tutkijat mittasivat parametrin, joka tunnetaan kahden beeta-siniaalina (0,74 plus tai miinus 0,07). Tämä indikaattori heijastaa asymmetrian astetta aineen ja antimaterian välillä.
Ison räjähdyksen seurauksena olisi pitänyt muodostaa sama määrä ainetta ja antimateriaalia, jotka sitten hävisivät ja eivät jättäneet mitään muuta kuin energiaa. Tarkkailemamme maailmankaikkeus on kuitenkin kiistaton todiste aineen voitosta antimateriaa vastaan.
Ymmärtääkseen kuinka tämä voi tapahtua, fyysikot tarkastelivat vaikutusta, jota kutsuttiin latauksen tasa-arvo rikkomukseksi. Tämän vaikutuksen havaitsemiseksi tutkijat tutkivat B-mesoneja ja anti-B-mesoneja, hiukkasia, joiden elinkaari on hyvin lyhyt - biljoonia sekunteja.
Näiden täysin vastakkaisten hiukkasten käyttäytymiserot osoittavat aineen ja antimaterian väliset erot ja selittävät osittain miksi yksi vallitsee toisen suhteen. Miljoonat kokeeseen tarvittavat B-mesonit ja anti-B-mesonit muodostuivat törmäyksien seurauksena elektronien ja positronien säteiden kiihdyttimessä. Ensimmäiset tulokset, jotka saatiin vuonna 2001, osoittavat selvästi, että B-mesonien maksujen yhtäläisyyttä on rikottu.
"Tämä oli tärkeä löytö, mutta vielä on kerättävä paljon tietoa kahden beeta-sinin validoimiseksi kvanttifysiikan perusvakiona", sanoi Stewart Smith Princetonin yliopistosta. "Uudet tulokset julkistettiin 88 vuoden tapahtuman intensiivisen tutkimuksen ja analysoinnin jälkeen kolme vuotta."
Uudet mittaukset ovat yhdenmukaisia ns. "Standardimallin" kanssa, joka kuvaa alkuainehiukkasia ja niiden vuorovaikutusta. Maksujen yhtäläisyyden vahvistettu aste itsessään ei riitä selittämään aineen ja antimaterian epätasapainoa maailmankaikkeudessa.
"Ilmeisesti maksujen epätasa-arvoisuuden lisäksi tapahtui jotain muuta, joka aiheutti siitä, että aineesta tuli valtaosa tähtiä, planeettoja ja eläviä organismeja", kommentoi Marylandin yliopiston henkilökunnan jäsen Hassan Jawahery. "Voimme tulevaisuudessa ymmärtää. nämä piilotetut prosessit ja vastaavat kysymykseen siitä, mikä toi maailmankaikkeuden nykyiseen tilaansa, ja tämä on mielenkiintoisin löytö."