Антиматерія давно була предметом наукової фантастики. У книзі і фільмі «Ангели і демони» професор Ленгдон намагається врятувати Ватикан від бомби з антиматерії. Космічний корабель «Ентерпрайз» з «Зоряного шляху» використовує двигун на основі анігілюють антиматерії для подорожей швидше за швидкість світла. Але антиматерія також предмет нашої з вами реальності. Частинки антиматерії практично ідентичні своїм матеріальним партнерам, за винятком того, що переносять протилежний заряд і спін. Коли антиматерія зустрічає матерію, вони миттєво анігілюють в енергію, і це вже не вигадка.
Хоча бомби з антиматерії і кораблі на основі цього ж палива поки не представляються можливими на практиці, є багато фактів про антиматерії, які вас здивують або дозволять освіжити в пам'яті те, що ви вже знали.
1. Антиматерія повинна була знищити всю матерію у Всесвіті після Великого Вибуху
Відповідно до теорії, Великий Вибух породив матерію і антиматерію в рівних кількостях. Коли вони зустрічаються, відбувається взаємне знищення, анігіляція, і залишається тільки чиста енергія. Виходячи з цього, ми не повинні існувати.
Але ми існуємо. І наскільки знають фізики, це тому, що на кожен мільярд пар матерії-антиматерії була одна зайва частка матерії. Фізики усіма силами намагаються пояснити цю асиметрію.
2. Антиматерія ближче до вас, ніж ви думаєте
Невеликі кількості антиматерії постійно проливаються дощем на Землю у вигляді космічних променів, енергетичних частинок з космосу. Ці частинки антиречовини досягають нашої атмосфери з рівнем від однієї до більше сотні на квадратний метр. Вчені також мають у своєму розпорядженні свидительство того, що антиречовину народжується під час грози.
Є й інші джерела антиречовини, які знаходяться ближче до нас. Банани, наприклад, виробляють антиречовину, випускаючи один позитрон - антиречовинного еківалент електрона - приблизно раз в 75 хвилин. Це відбувається тому, що банани містять невелику кількість калію-40, що зустрічається в природі ізотопу калію. При розпаді калію-40 іноді народжується позитрон.
Наші тіла теж містять калій-40, а значить, і ви випромінюєте позитрони. Антиматерія анігілює миттєво при контакті з матерією, тому ці частки антиречовини живуть не дуже довго.
3. Людям вдалося створити зовсім небагато антиматерії
Анігіляція антиматерії і матерії має потенціал вивільнення величезної кількості енергії. Грам антиматерії може призвести вибух розміром з ядерну бомбу. Втім, люди зробили не так багато антиматерії, тому боятися нема чого.
Все антипротона, створені на прискорювачі часток Теватрон в Лабораторії Фермі, чи наберуть 15 нанограммов. У CERN на сьогоднішній день зробили тільки близько 1 нанограмма. У DESY в Німеччині - не більше 2 нанограммов позитронів.
Якщо вся антиматерія, створена людьми, анігілює миттєво, її енергії не вистачить навіть на те, щоб закип'ятити чашку чаю.
Проблема полягає в ефективності і вартості виробництва і зберігання антиречовини. Створення 1 грама антиматерії вимагає порядку 25 мільйонів мільярдів кіловат-годин енергії і коштує понад мільйон мільярда доларів. Не дивно, що антиречовину іноді включають в список десяти найдорожчих речовин в нашому світі.
4. Існує така річ, як пастка для антиматерії
Для вивчення антиматерії вам потрібно запобігти її аннигиляцию з матерією. Вчені знайшли кілька способів це здійснити.
Заряджені частинки антиречовини, начебто позитронів і антипротонів, можна зберігати в так званих пастках Пеннінга. Вони схожі на крихітні прискорювачі часток. Усередині них частинки рухаються по спіралі, поки магнітні та електричні поля утримують їх від зіткнення зі стінками пастки.
Однак пастки Пеннінга не працюють для нейтральних частинок на зразок антиводню. Оскільки у них немає заряду, ці частинки не можна обмежити електричними полями. Вони утримуються в пастках Іоффе, які працюють, створюючи область простору, де магнітне поле стає більше в усіх напрямках. Частинки антиречовини застряють в області з найслабшим магнітним полем.
Магнітне поле Землі може виступати в якості пасток антиречовини. Антипротони знаходили в певних зонах навколо Землі - радіаційних поясах Ван Аллена.
5. Антиматерія може падати (в прямому сенсі слова)
Частинки матерії і антиматерії володіють однією масою, але розрізняються в властивості начебто електричного заряду і спина. Стандартна модель передбачає, що гравітація повинна однаково впливати на матерію і антиматерію, однак це ще належить з'ясувати напевно. Експерименти на зразок AEGIS, ALPHA і GBAR працюють над цим.
Спостерігати за гравітаційним ефектом на прикладі антиматерії не так просто, як дивитися на падаюче з дерева яблуко. Ці експерименти вимагають утримання антиматерії в пастці або уповільнення її шляхом охолодження до температур трохи вище абсолютного нуля. І оскільки гравітація - найслабша з фундаментальних сил, фізики повинні використовувати нейтральні частинки антиматерії в цих експериментах, щоб запобігти взаємодії з більш потужною силою електрики.
6. Антиматерія вивчається в сповільнювачах частинок
Ви чули про прискорювачах частинок, а про сповільнювачах частинок чули? У CERN знаходиться машина під назвою Antiproton Decelerator, в кільці якого уловлюються і сповільнюються антипротона для вивчення їх властивостей і поведінки.
У кільцевих прискорювачах частинок на зразок Великого адронного коллайдера частки отримують енергетичний поштовх кожен раз, коли завершують коло. Сповільнювачі працюють протилежним чином: замість того щоб розганяти частинки, їх штовхають у зворотний бік.
7. Нейтрино можуть бути своїми власними античастинками
Деякі радіоактивні ядра розпадаються одночасно, випускаючи два електрона і два нейтрино. Якщо нейтрино були б власними античастинками, вони б аннигилировали після подвійного розпаду, і вченим залишилося б спостерігати тільки електрони.
8. Антиматерія використовується в медицині
PET, ПЕТ (позитронно-емісійна топографія) використовує позитрони для отримання зображень тіла з високою роздільною здатністю. Випромінюють позитрони радіоактивні ізотопи (на кшталт тих, що ми знайшли в бананах) кріпляться до хімічних речовин на зразок глюкози, яка присутня в тілі. Вони вводяться в кровотік, де розпадаються природним шляхом, випускаючи позитрони. Ті, в свою чергу, зустрічаються з електронами тіла і анігілюють. Анігіляція виробляє гамма-промені, які використовуються для побудови зображення.
Вчені проекту ACE при CERN вивчають антиматерію як потенційного кандидата для лікування раку. Лікарі вже з'ясували, що можуть направляти на пухлини промені частинок, що випускають свою енергію тільки після того, як безпечно пройдуть через здорову тканину. Використання антипротонів додасть додатковий вибух енергії. Ця техніка була визнана ефективною для лікування хом'яків, тільки ось на людях поки не випробовувалася.
9. Антиматерія може ховатися в космосі
Один із шляхів, яким вчені намагаються вирішити проблему асиметрії матерії-антиматерії, є пошук антиматерії, що залишилася після Великого Вибуху.
Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) - це детектор частинок, який розташовується на Міжнародній космічній станції і шукає такі частинки. AMS містить магнітні поля, які викривляють шлях космічних частинок і відокремлюють матерію від антиматерії. Його детектори повинні виявляти і ідентифікувати такі частинки в міру проходження.
Зіткнення космічних променів зазвичай виробляють позитрони і антипротона, але ймовірність створення атома антигелія залишається надзвичайно малою через гігантської кількості енергії, яка потрібна для цього процесу. Це означає, що спостереження хоча б одного ядерця антигелія буде потужним доказом існування гігантської кількості антиматерії де-небудь ще у Всесвіті.
10. Люди насправді вивчають, як оснастити космічний апарат паливом на антивеществе
Зовсім трохи антиматерії може призвести величезна кількість енергії, що робить її популярним паливом для футуристичних кораблів в науковій фантастиці.
Рух ракети на антивеществе гіпотетично можливо; основним обмеженням є збір достатньої кількості антиречовини, щоб це могло здійснитися.
Поки не існує технологій для масового виробництва або збору антиречовини в обсягах, необхідних для такого застосування. Однак вчені ведуть роботи над імітацією такого руху і зберігання цього самого антиречовини. Одного разу, коли ми знайдемо спосіб зробити велику кількість антиречовини, їх дослідження можуть допомогти міжзоряним подорожам втілитися в реальності.