Universumin esineet - galaksit, tähdet, kvaasarit, planeetat, supernoovat, eläimet ja ihmiset - koostuvat aineesta. Sitä muodostavat erilaiset alkuainepartikkelit - kvarkit, leptonit, bosonit. Mutta kävi ilmi, että on hiukkasia, joissa yksi osa ominaisuuksista vastaa täysin "alkuperäisten" parametreja, ja toisella on vastakkaiset arvot. Tämä ominaisuus sai tutkijat antamaan tällaisten hiukkasten aggregaatille yleisen nimen "antimateria".
Kävi myös selväksi, että tämän salaperäisen aineen tutkiminen on paljon vaikeampaa kuin rekisteröinti. Vakaassa tilassa olevia antihiukkasia ei ole vielä havaittu luonnossa. Ongelmana on, että aine ja antimateria tuhoavat (tuhoavat toisiaan) "kosketuksessa". Antimateriaa on täysin mahdollista saada laboratorioista, vaikka sen pitäminen on melko vaikeaa. Toistaiseksi tutkijat ovat kyenneet tekemään tämän vain muutaman minuutin.
Teorian mukaan Big Bang: n olisi pitänyt tuottaa sama määrä hiukkasia ja antihiukkasia. Mutta jos aine ja antimateria häviävät toistensa kanssa, niin niiden olisi pitänyt lakata olemasta samanaikaisesti. Miksi maailmankaikkeus on olemassa?
”Yli 60 vuotta sitten teorian mukaan kaikki hiukkasten ominaisuudet vastaavat tavallisten hiukkasten ominaisuuksia peilikuvassa. Kuitenkin 60-luvun ensimmäisellä puoliskolla havaittiin, että joissakin prosesseissa tämä symmetria ei ole tyydyttävä. Siitä lähtien on luotu monia teoreettisia malleja, ja kymmeniä kokeita on tehty tämän ilmiön selittämiseksi. Nyt kehittyneimmät teoriat ovat, että aineen ja antimateriaalin määrän ero liittyy ns. CP-symmetrian rikkomiseen (sanoista lataus - "varaus" ja pariteetti - "pariteetti"). Mutta kukaan ei vielä tiedä luotettavaa vastausta kysymykseen, miksi on enemmän ainetta kuin antimateriaa”, selittää Moskovan fysiikan ja tekniikan instituutin mikromaailman fysiikan perusteellisten ja sovellettujen ongelmien laitoksen apulaisprofessori Aleksei Zhemchugov.
Antimateriaalin historia alkoi elektronin liikeyhtälöstä, jolla oli ratkaisuja, joissa sillä oli negatiivista energiaa. Koska tutkijat eivät voineet kuvitella negatiivisen energian fysikaalista merkitystä, he "keksivät" positiivisella varauksella elektronin, kutsuen sitä "positroniksi".
Hänestä tuli ensimmäinen kokeellisesti löydetty antihiukkas. Asennus, kosmisten säteiden rekisteröiminen, osoitti, että joidenkin magneettikentän hiukkasten liikkeen etenemissuunta on samanlainen kuin elektronin suuntaus - vain ne taipuvat vastakkaiseen suuntaan. Sitten meson-antimeson-pari löydettiin, antiprotoni ja antineutron rekisteröitiin ja sitten tutkijat pystyivät syntetisoimaan antivetyä ja antihelium-ytimen.
Elektronin ja positronin liiketiet magneettikentässä / Kuva RIA Novosti. Alina Polyanina
Mitä kaikki nämä "anti" tarkoittavat? Käytämme yleensä tätä etuliitettä kuvaamaan päinvastaista ilmiötä. Mitä tulee antimateriaaliin - se voi sisältää alkuainehiukkasten analogeja, joilla on vastakkainen varaus, magneettinen momentti ja jotkut muut ominaisuudet. Tietysti kaikkia hiukkasen ominaisuuksia ei voida kumota. Esimerkiksi massan ja eliniän tulisi aina olla positiivinen keskittyen niihin, hiukkaset voidaan luokitella yhteen luokkaan (esimerkiksi protonit tai neutronit).
Mainosvideo:
Jos verrataan protonia ja antiprotonia, niin jotkut niiden ominaisuuksista ovat samat: molempien massa on 938,2719 (98) megaelektronvoltti, spin ½ (spiniksi kutsutaan hiukkasen luontaista kulmaliikettä, joka luonnehtii sen kiertoa, kun taas partikkeli itse on levossa). Mutta protonin sähkövaraus on 1 ja antiprotonilla on miinus 1, baryoniluku (se määrittää voimakkaasti vuorovaikutuksessa olevien kolmesta kvarkista koostuvien partikkelien lukumäärän) on vastaavasti 1 ja miinus 1.
Protoni ja antiprotoni / Kuva RIA Novosti. Alina Polyanina
Joillakin hiukkasilla, kuten Higgs-bosonilla ja fotonilla, ei ole anti-analogeja, ja niitä kutsutaan todellisiksi neutraaleiksi.
Suurin osa hiukkasten vastaisista partikkeleista esiintyy yhdessä muodostumisprosessissa. Tällaisen parin muodostuminen vaatii suurta energiaa, toisin sanoen valtavaa nopeutta. Luonnossa hiukkasten vastaiset hiukkaset syntyvät, kun kosmiset säteet törmäävät maapallon ilmakehään massiivisten tähtien sisällä pulssarien ja aktiivisten galaktisten ytimien vieressä. Tutkijat käyttävät tähän törmäyksiä - kiihdyttimiä.
Suuren hadronikopterin kiihdyttävä osa, jossa hiukkaset kiihdytetään / Kuva: CERN
Antimaterian tutkimuksella on käytännön sovelluksia. Asia on, että aineen ja antimaterian tuhoaminen tuottaa korkeaenergisia fotoneja. Oletetaan, että otamme joukon protoneja ja antiprotoneja ja alamme vapauttaa niitä vähitellen toisiaan kohti erityisen putken kautta, kirjaimellisesti yksi kerrallaan. Yhden kilogramman antimateriaalin tuhoaminen vapauttaa saman määrän energiaa kuin 30 miljoonan tynnyrin öljy polttaminen. Sata neljäkymmentä nanogrammaa antiprotoneja olisi täysin riittävä lentoon Marsiin. Saalis on se, että antimaterian luominen ja pitäminen vie vielä enemmän energiaa.
Antimateriaa käytetään kuitenkin jo käytännössä, lääketieteessä. Positroniemissiotomografiaa käytetään onkologian, kardiologian ja neurologian diagnostiikkaan. Menetelmä perustuu positronin päästöllä rappeutuvan aineen toimittamiseen tiettyyn elimeen. Esimerkiksi aine, joka sitoutuu hyvin syöpäsoluihin, voi toimia kuljettajana. Halutulla alueella muodostuu lisääntynyt radioaktiivisten isotooppien pitoisuus ja sen seurauksena positronit niiden hajoamisesta. Positronit tuhoutuvat välittömästi elektroneilla. Ja voimme melko korjata tuhoutumisen pisteen rekisteröimällä gamma-kvantit. Siten positroniemissiotomografian avulla on mahdollista havaita kuljetusaineen lisääntynyt pitoisuus tietyssä paikassa.