Как да летим до Марс след месец? За да направите това, трябва да дадете добър космически кораб. Уви, най-доброто гориво, достъпно за човека - ядреното, дава специфичен импулс от 3000 секунди, а полетът се разтяга в продължение на много месеци. Няма ли нещо по-енергично под ръка? Теоретично има: термоядрен синтез; той осигурява импулс от стотици хиляди секунди, а използването на антиматерия ще осигури импулс от милиони секунди.
Антиматериалните ядра са изградени от антинуклеони, а външната обвивка се състои от позитрони. Поради инвариантността на силното взаимодействие по отношение на конюгирането на заряда (С-инвариантност), антинуклеините имат същия масов и енергиен спектър като ядра, състоящи се от съответните нуклони, а атомите на антиматерията и материята трябва да имат идентична структура и химични свойства, с едно единствено HO, сблъсъкът на обект, състоящ се от материя, с предмет на антиматерия води до унищожаване на частици и античастици, включени в техния състав.
Анигилацията на бавни електрони и позитрони води до образуването на гама кванти, а унищожаването на бавни нуклони и антинуклеони води до образуването на няколко пи-мезона. В резултат на последващи разпадания на мезони се образува твърдо гама излъчване с енергия на гама кванти над 70 MeV.
Антиелектроните (позитрони) са били предсказани от П. Дирак и след това експериментално открити в „душове“от П. Андерсън, който дори не е знаел за прогнозите на Дирак по това време. Това откритие е удостоено с Нобелова награда по физика през 1936 г. Антипротонът е открит през 1955 г. в Беватрон в Беркли, който също е носител на Нобелова награда. През 1960 г. там е открит антинейтрон. С въвеждането в експлоатация на ускорителя Серпухов нашите физици също успяват да излязат по някакъв начин напред - през 1969 г. там са открити антихелиеви ядра. Но атомите на антиматерията не можаха да се получат. И, честно казано, по време на цялото съществуване на ускорители античастиците са получили незначителни количества - всички антипротони, синтезирани в CERN за една година, ще бъдат достатъчни, за да работят една крушка за няколко секунди.
Първото съобщение за синтеза на девет атома антиматерия - антихидроген в рамките на проекта ATRAP (CERN) се появи през 1995 г. Просъществували около 40 ns, тези единични атоми загиват, освобождавайки предписаното количество радиация (което е записано). Целите бяха ясни и оправдаха усилията, задачите бяха определени и през 1997 г. в близост до Женева, благодарение на международната финансова помощ, ЦЕРН започна изграждането на деселератор (нека не го превеждаме с дисонансния еквивалент на „инхибитор“), което даде възможност да се забавят („хладно“) антипротоните обратно десет милиона пъти през инсталацията от 1995 г. Това устройство, наречено Antiproton Moderator (AD), влезе в експлоатация през февруари 2002 г.
Настройката - след като антипротоните напуснат забавящия пръстен - се състои от четири основни части: капана за улавяне на антипротони, позитронния пръстен за съхранение, смесител и антихидроген детектор. Антипротонният поток първо се намалява от микровълновото излъчване, след това се охлажда в резултат на топлообмен с поток от нискоенергийни електрони, след което попада в капана - миксер, където е при температура 15 К. Устройството за съхранение на позитрон последователно забавя, улавя и натрупва позитрони от радиоактивен източник; около половината от тях попадат в смесителна уловка, където допълнително се охлаждат чрез синхротронно излъчване. Всичко това е необходимо, за да се увеличи значително вероятността от образуване на антихидрогенни атоми.
В модератора на Antiproton започна усилена конкуренция между две групи учени, участници в експериментите ATHENA (39 учени от различни страни по света) и ATRAP.
В Nature 2002, том 419, стр. 439, пак стр. 456), публикуван на 3 октомври 2002 г., експериментът ATHENA твърди, че са успели да получат 50 000 атома антиматерия - антихидроген. Наличието на антиматериални атоми е регистрирано в момента на тяхното унищожаване, което се доказва от пресичането в една точка от следите на две твърди кванти, образувани по време на електронно-позитронното унищожаване, и следи от пиони, получени в резултат на унищожаването на антипротон и протон. Получен е първият „портрет“на антиматерията (снимка в началото) - компютърно изображение, синтезирано от такива точки. Тъй като само тези атоми, които „изплъзнаха“от капана, бяха унищожени (а имаше само 130 от надеждно преброените), декларираните 50 000 антихидрогенни атома създават само невидим фон на „портрета“.
Промоционално видео:
Проблемът е, че антихидрогенното унищожаване е регистрирано на общ, по-силен фон на анигилация на позитрон и антипротон. Това, естествено, предизвика здравословен скептицизъм сред колегите от съседния състезателен проект ATRAP. Те, от своя страна, синтезирайки антихидроген в същото съоръжение, успяха да регистрират антихидрогенни атоми с помощта на сложни магнитни капани без никакъв фонов сигнал. Антихидрогенните атоми, образувани в експеримента, станаха електрически неутрални и за разлика от позитроните и антипротоните, могат свободно да напуснат областта, където заредените частици бяха затворени. Именно там, без предистория, те бяха регистрирани.
Изчислено е, че приблизително 170 000 антихидрогенни атома са се образували в капана, както изследователите съобщават в статия, публикувана в Physical Review Letters.
И това вече е успех. Вече полученото количество антихидроген може да е достатъчно за изучаване на неговите свойства. За антихидрогенните атоми например се предлага измерването на честотата на електронния преход 1s-2s (от основното състояние в първото възбудено състояние) чрез лазерна спектроскопия с висока разделителна способност. (Честотата на този преход във водород е известна с точност от 1,8 · 10–14 - неслучайно водородният мазер се счита за честотен стандарт.) Според теорията те трябва да са същите като при обикновения водород. Ако например спектърът на абсорбция се окаже различен, тогава ще трябва да направите корекции в основните основи на съвременната физика.
Но интересът към антиматерията - антиматерия в никакъв случай не е чисто теоретичен. Антиматериалният двигател може да работи, например, както следва. Първо се създават два облака от няколко трилиона антипротони, които се пазят от докосване на материята чрез електромагнитен капан. Тогава между тях се инжектира 42-нанограмна частица гориво. Това е капсула с уран-238, съдържаща смес от деутерий и хелий-3, или деутерий и тритий.
Антипротоните незабавно се унищожават с уранови ядра и ги причиняват да се разпадат на фрагменти. Тези фрагменти, заедно с получената гама кванта, нагряват вътрешността на капсулата дотолкова, че там започва термоядрена реакция. Продуктите му, притежаващи огромна енергия, се ускоряват още повече от магнитното поле и излитат през дюзата на двигателя, осигурявайки на космическия кораб нечувана тяга.
Що се отнася до полета до Марс за един месец, американските физици препоръчват да се използва друга технология за него - ядрено делене, катализирано от антипротони. Тогава целият полет ще изисква 140 нанограма антипротони, без да се брои радиоактивното гориво.
Нови измервания, извършени в изследователския център в Станфорд (Калифорния), където е инсталиран линеен ускорител на частици, позволиха на учените да постигнат напредък в отговора на въпроса защо материята преобладава над антиматерията във Вселената.
Резултатите от експеримента потвърждават по-ранните предположения за развитието на дисбаланс на тези противоположни образувания. Учените обаче казват, че проведените изследвания са поставили повече въпроси, отколкото отговори: експериментите с ускорител не могат да дадат пълно обяснение защо в космоса има толкова много материя - милиарди галактики, пълни със звезди и планети.
Учените, работещи с ускорителя, измериха параметър, известен като синус на две бета (0,74 плюс или минус 0,07). Този индикатор отразява степента на асиметрия между материя и антиматерия.
В резултат на Големия взрив трябваше да се образува същото количество материя и антиматерия, които след това да се унищожат и да не оставят нищо друго освен енергия. Вселената, която наблюдаваме, обаче е безспорно доказателство за победата на материята над антиматерията.
За да разберат как това може да се случи, физиците разгледаха ефект, наречен нарушение на равенството на заряда. За да наблюдават този ефект, учените изследвали В-мезоните и анти-В-мезоните, частици с много кратък период на живот - трилиони секунди.
Разликите в поведението на тези абсолютно противоположни частици показват разликите между материя и антиматерия и отчасти обясняват защо едната преобладава над другата. Милионите В-мезони и анти-В-мезони, необходими за експеримента, са се образували в резултат на сблъсъци в ускорителя на лъчите на електроните и позитроните. Първите резултати, получени още през 2001 г., ясно показват нарушение на равенството на таксите за B-мезоните.
„Това беше важно откритие, но все още трябва да бъдат събрани много данни, за да се потвърди синусът на две бета като основна константа в квантовата физика“, казва Стюарт Смит от Принстънския университет. "Новите резултати бяха обявени след три години интензивни изследвания и анализи на 88 милиона събития."
Новите измервания са в съответствие с така наречения "стандартен модел", който описва елементарни частици и техните взаимодействия. Потвърдената степен на нарушение на равенството на зарядите сама по себе си не е достатъчна, за да обясни дисбаланса на материята и антиматерията във Вселената.
„Очевидно, в допълнение към неравенството на таксите, се е случило нещо друго, което е причинило преобладаването на материята, превърната в звезди, планети и живи организми“, коментира Хасан Джауери, служител на Университета в Мериленд. „В бъдеще може би ще можем да разберем тези скрити процеси и отговарят на въпроса какво е довело Вселената до сегашното й състояние и това ще бъде най-вълнуващото откритие “.