Hoe vlieg je in een maand naar Mars? Om dit te doen, moet je het ruimtevaartuig een flinke boost geven. Helaas, de beste brandstof die voor de mens beschikbaar is - nucleair, geeft een specifieke impuls van 3000 seconden, en de vlucht duurt vele maanden. Is er niet iets energiekers bij de hand? Theoretisch is er: thermonucleaire fusie; het geeft een impuls van honderdduizenden seconden, en het gebruik van antimaterie zal een impuls van miljoenen seconden opleveren.
Antimaterie-kernen zijn opgebouwd uit antinucleonen en de buitenste schil bestaat uit positronen. Vanwege de invariantie van de sterke interactie met betrekking tot ladingsconjugatie (C-invariantie), hebben antinuclei een massa- en energiespectrum dat hetzelfde is als die van kernen die bestaan uit de corresponderende nucleonen, en de atomen van antimaterie en materie moeten identieke structuur en chemische eigenschappen hebben, met een enkele HO, de botsing van een object, bestaande uit materie, met een voorwerp van antimaterie leidt tot de vernietiging van deeltjes en antideeltjes die in hun samenstelling zijn opgenomen.
De annihilatie van langzame elektronen en positronen leidt tot de vorming van gamma-quanta, en de annihilatie van langzame nucleonen en antinucleonen leidt tot de vorming van verschillende pi-mesonen. Als gevolg van het daaropvolgende verval van mesonen wordt harde gammastraling gevormd met een energie van gammankwanta van meer dan 70 MeV.
Antielectronen (positronen) werden voorspeld door P. Dirac en vervolgens experimenteel ontdekt in "buien" door P. Anderson, die op dat moment niet eens wist van de voorspelling van Dirac. Deze ontdekking werd in 1936 bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde. Antiproton werd in 1955 ontdekt in de Bevatron in Berkeley, die ook de Nobelprijs kreeg. In 1960 werd daar een antineutron ontdekt. Met de ingebruikname van de Serpoechov-versneller slaagden onze fysici er ook in om op een of andere manier vooruit te komen - in 1969 werden daar antiheliumkernen ontdekt. Maar de atomen van antimaterie konden niet worden verkregen. Om eerlijk te zijn, tijdens het hele bestaan van versnellers hebben antideeltjes onbeduidende hoeveelheden ontvangen - alle antiprotonen die in een jaar op CERN worden gesynthetiseerd, zullen voldoende zijn om één elektrische lamp een paar seconden te laten werken.
Het eerste bericht over de synthese van negen atomen van antimaterie - antiwaterstof in het kader van het ATRAP-project (CERN) verscheen in 1995. Na ongeveer 40 ns te hebben bestaan, stierven deze afzonderlijke atomen, waarbij de voorgeschreven hoeveelheid straling vrijkwam (die werd geregistreerd). De doelen waren duidelijk en rechtvaardigden de inspanningen, de taken werden bepaald, en in 1997, nabij Genève, begon CERN, dankzij internationale financiële hulp, met de bouw van een desselerator (laten we het niet vertalen met het dissonante equivalent van 'remmer'), die het mogelijk maakte om antiprotonen te vertragen ('afkoelen'). tien miljoen keer meer dan de installatie in 1995. Dit apparaat, de Antiproton Moderator (AD) genaamd, is in februari 2002 in gebruik genomen.
De opstelling - nadat de antiprotonen de vertragingsring verlaten - bestaat uit vier hoofdonderdelen: een val voor het vangen van antiprotonen, een positron-opslagring, een mengval en een antiwaterstofdetector. De antiprotonflux wordt eerst vertraagd door microgolfstraling, vervolgens afgekoeld als gevolg van warmte-uitwisseling met een flux van laag-energetische elektronen, waarna het in een val valt - een mixer, waar het op een temperatuur van 15 K is. ongeveer de helft valt in een mengval, waar ze bijkomend gekoeld worden door synchrotronstraling. Dit alles is nodig om de kans op de vorming van anti-waterstofatomen aanzienlijk te vergroten.
Bij de Antiproton Moderator begon een zware wedstrijd tussen twee groepen wetenschappers, deelnemers aan de ATHENA-experimenten (39 wetenschappers uit verschillende landen van de wereld) en ATRAP.
In Nature 2002, deel 419, p. 439, ibid p. 456), gepubliceerd op 3 oktober 2002, beweerde het ATHENA-experiment dat ze erin waren geslaagd om 50.000 antimaterie-atomen te produceren - antiwaterstof. De aanwezigheid van antimaterie-atomen werd geregistreerd op het moment van hun vernietiging, wat bleek uit de kruising op een bepaald punt van de sporen van twee harde kwanta gevormd tijdens elektron-positron annihilatie, en sporen van pionen die het resultaat waren van de vernietiging van een antiproton en een proton. Het eerste "portret" van antimaterie (foto aan het begin) werd verkregen - een computerbeeld gesynthetiseerd vanuit dergelijke punten. Aangezien alleen die atomen die uit de val "glipten" werden vernietigd (en er werden er slechts 130 betrouwbaar geteld), creëren de verklaarde 50.000 anti-waterstofatomen slechts een onzichtbare achtergrond van het "portret".
Promotie video:
Het probleem is dat anti-waterstof-annihilatie werd geregistreerd tegen een algemene, sterkere achtergrond van positron- en antiproton-annihilatie. Dit zorgde natuurlijk voor een gezonde scepsis bij collega's van het aangrenzende concurrerende project ATRAP. Ze, op hun beurt, nadat ze in dezelfde fabriek antiwaterstof hadden gesynthetiseerd, waren in staat om antiwaterstofatomen te registreren met behulp van complexe magnetische vallen zonder enig achtergrondsignaal. De anti-waterstofatomen die in het experiment werden gevormd, werden elektrisch neutraal en konden, in tegenstelling tot positronen en antiprotonen, vrij het gebied verlaten waar geladen deeltjes waren opgesloten. Het was daar, zonder achtergrond, dat ze werden geregistreerd.
Geschat wordt dat er ongeveer 170.000 anti-waterstofatomen werden gevormd in de val, zoals de onderzoekers rapporteerden in een artikel gepubliceerd in Physical Review Letters.
En dit is nu al een succes. Nu is de ontvangen hoeveelheid antiwaterstof misschien wel voldoende om de eigenschappen ervan te bestuderen. Voor anti-waterstofatomen wordt het bijvoorbeeld verondersteld de frequentie van de 1s-2s elektronische overgang (van de grondtoestand naar de eerste aangeslagen toestand) te meten door middel van laserspectroscopiemethoden met hoge resolutie. (De frequentie van deze overgang in waterstof is bekend met een nauwkeurigheid van 1,8 · 10-14 - het is niet voor niets dat de waterstofmaser als een frequentiestandaard wordt beschouwd.) Volgens de theorie zouden ze hetzelfde moeten zijn als in gewone waterstof. Als bijvoorbeeld het absorptiespectrum anders blijkt te zijn, dan zul je aanpassingen moeten doen aan de fundamentele fundamenten van de moderne fysica.
Maar interesse in antimaterie - antimaterie is zeker niet puur theoretisch. Een antimaterie-engine kan bijvoorbeeld als volgt werken. Eerst worden twee wolken van enkele triljoen antiprotonen gecreëerd, die door een elektromagnetische valstrik de materie niet raken. Vervolgens wordt een deeltje brandstof van 42 nanogram ertussen ingespoten. Het is een uranium-238-capsule die een mengsel van deuterium en helium-3 of deuterium en tritium bevat.
Antiprotonen vernietigen onmiddellijk met uraniumkernen en zorgen ervoor dat ze in fragmenten vervallen. Deze fragmenten, samen met de resulterende gamma-quanta, verwarmen de binnenkant van de capsule zo erg dat daar een thermonucleaire reactie begint. Zijn producten, die een enorme energie hebben, worden nog meer versneld door het magnetische veld en vliegen weg door het mondstuk van de motor, waardoor het ruimtevaartuig een ongehoorde stuwkracht krijgt.
Wat betreft de vlucht naar Mars in een maand, raden Amerikaanse natuurkundigen aan om daarvoor een andere technologie te gebruiken: kernsplijting gekatalyseerd door antiprotonen. Dan heeft de hele vlucht 140 nanogram antiprotonen nodig, radioactieve brandstof niet meegerekend.
Nieuwe metingen, uitgevoerd in het Stanford Research Center (Californië), waar een lineaire deeltjesversneller is geïnstalleerd, hebben wetenschappers in staat gesteld vooruitgang te boeken bij het beantwoorden van de vraag waarom materie de overhand heeft op antimaterie in het universum.
De resultaten van het experiment bevestigen de eerdere aannames over de ontwikkeling van een onbalans van deze tegengestelde entiteiten. Wetenschappers zeggen echter dat de uitgevoerde onderzoeken meer vragen dan antwoorden hebben opgeleverd: experimenten met een versneller kunnen geen volledige verklaring geven waarom er zoveel materie in de ruimte is - miljarden sterrenstelsels gevuld met sterren en planeten.
Wetenschappers die met de versneller werkten, hebben een parameter gemeten die bekend staat als de sinus van twee bèta (0,74 plus of min 0,07). Deze indicator geeft de mate van asymmetrie tussen materie en antimaterie weer.
Als gevolg van de oerknal had dezelfde hoeveelheid materie en antimaterie gevormd moeten zijn, die vervolgens vernietigde en niets dan energie achterliet. Het universum dat we waarnemen is echter een onbetwistbaar bewijs van de overwinning van materie op antimaterie.
Om te begrijpen hoe dit kon gebeuren, keken natuurkundigen naar een effect dat schending van ladingsgelijkheid wordt genoemd. Om dit effect te observeren, bestudeerden wetenschappers B-mesonen en anti-B-mesonen, deeltjes met een zeer korte levensduur - biljoensten van een seconde.
De verschillen in het gedrag van deze absoluut tegengestelde deeltjes laten de verschillen zien tussen materie en antimaterie en verklaren deels waarom het ene boven het andere prevaleert. De miljoenen B-mesonen en anti-B-mesonen die nodig waren voor het experiment, werden gevormd als gevolg van botsingen in de versneller van de bundels elektronen en positronen. De eerste resultaten, verkregen in 2001, laten duidelijk een schending van de gelijkheid van heffingen voor B-mesonen zien.
"Dit was een belangrijke ontdekking, maar er moeten nog veel gegevens worden verzameld om de sinus van twee bèta te valideren als een fundamentele constante in de kwantumfysica", zei Stewart Smith van Princeton University. "De nieuwe resultaten werden aangekondigd na drie jaar intensief onderzoek en analyse van 88 miljoen evenementen."
De nieuwe metingen zijn consistent met het zogenaamde "standaardmodel", dat elementaire deeltjes en hun interacties beschrijft. De bevestigde mate van schending van de gelijkheid van ladingen is op zichzelf niet voldoende om de onbalans van materie en antimaterie in het universum te verklaren.
"Blijkbaar is er, naast de ongelijkheid van ladingen, nog iets anders gebeurd, waardoor de overheersing van materie veranderde in sterren, planeten en levende organismen", aldus Hassan Jawahery, een staflid van de Universiteit van Maryland. deze verborgen processen en beantwoorden de vraag wat het universum in zijn huidige staat heeft gebracht en dit zal de meest opwindende ontdekking zijn."