Обектите на Вселената - галактики, звезди, квазари, планети, свръхнови, животни и хора - са съставени от материя. Образува се от различни елементарни частици - кварки, лептони, бозони. Но се оказа, че има частици, в които едната част от характеристиките напълно съвпада с параметрите на "оригиналите", а другата има противоположни стойности. Това свойство подтикна учените да дадат на съвкупността от такива частици общото име "антиматерия".
Освен това стана ясно, че изучаването на това мистериозно вещество е много по-трудно от регистрирането. Античастиците в стабилно състояние все още не са срещани в природата. Проблемът е, че материята и антиматерията унищожават (взаимно се унищожават взаимно) при "контакт". Напълно възможно е да се получи антиматерия в лаборатории, въпреки че е доста трудно да се съдържа. Досега учените успяха да направят това само за няколко минути.
Според теорията Големият взрив е трябвало да произведе еднакъв брой частици и античастици. Но ако материята и антиматерията се унищожат помежду си, тогава те би трябвало да престанат да съществуват едновременно. Защо вселената съществува?
„Преди повече от 60 години теорията казва, че всички свойства на античастиците съвпадат със свойствата на обикновените частици в огледално отразеното пространство. Въпреки това през първата половина на 60-те години беше установено, че при някои процеси тази симетрия не е изпълнена. Оттогава са създадени много теоретични модели, проведени са десетки експерименти, за да се обясни това явление. Сега най-развитите теории са, че разликата в количеството материя и антиматерия е свързана с така нареченото нарушение на CP-симетрията (от думите такса - "заряд" и паритет - "паритет"). Но все още никой не знае надежден отговор на въпроса защо има повече материя от антиматерия”, обяснява Алексей Жемчугов, доцент в катедрата по фундаментални и приложни проблеми на физиката на Микросвета от Московския институт по физика и технологии.
Историята на антиматерията започва с уравнението на движението за електрон, който има разтвори, в които той притежава отрицателна енергия. Тъй като учените не можаха да си представят физическия смисъл на отрицателната енергия, те „измислиха“електрон с положителен заряд, наричайки го „позитрон“.
Той стана първата експериментално открита античастица. Инсталирането, регистрирайки космически лъчи, показа, че траекторията на движение на някои частици в магнитно поле е подобна на траекторията на електрон - само те се отклоняват в обратна посока. Тогава беше открита двойката мезон-антимезон, регистрирани са антипротонът и антинейтронът, след което учените успяха да синтезират антихидроген и антихелиевото ядро.
Траектории на движение на електрон и позитрон в магнитно поле / Илюстрация от РИА Новости. Алина Полянина
Какво означават всички тези "анти"? Обикновено използваме този префикс, за да обозначим обратното явление. Що се отнася до антиматерията - тя може да включва аналози на елементарни частици, които имат противоположен заряд, магнитен момент и някои други характеристики. Разбира се, всички свойства на дадена частица не могат да бъдат възстановени. Например, масата и животът винаги трябва да останат положителни, като се съсредоточи върху тях, частиците могат да бъдат причислени към една категория (например протони или неутрони).
Промоционално видео:
Ако сравним протон и антипротон, тогава някои от техните характеристики са еднакви: масата и на двата е 938.2719 (98) мегаелектронволта, спин ½ (спин се нарича вътрешен ъглов импулс на частица, който характеризира нейното въртене, докато самата частица е в покой). Но електрическият заряд на протона е 1, а антипротонът има минус 1, барионното число (определя броя на силно взаимодействащи частици, състоящи се от три кварка) е съответно 1 и минус 1.
Протон и антипротон / Илюстрация от РИА Новости. Алина Полянина
Някои частици, като богът на Хигс и фотон, нямат анти-аналози и се наричат истински неутрални.
Повечето античастици, заедно с частиците, се появяват в процес, наречен сдвояване. Образуването на такава двойка изисква висока енергия, тоест огромна скорост. В природата античастиците възникват, когато космическите лъчи се сблъскат с земната атмосфера, вътре в масивни звезди, до пулсари и активни галактически ядра. Учените използват коли-ускорители за това.
Ускоряващ участък на Големия адронен колайдер, където частиците се ускоряват / Снимка: CERN
Проучването на антиматерията има практически приложения. Въпросът е, че унищожаването на материята и антиматерията генерира високоенергийни фотони. Да речем, че вземаме банка от протони и антипротони и започваме постепенно да ги пускаме един към друг чрез специална тръба, буквално един по един. Унищожаването на един килограм антиматерия освобождава същото количество енергия като изгарянето на 30 милиона барела масло. Сто и четиридесет нанограма антипротони биха били напълно достатъчни за полет до Марс. Уловката е, че е необходима още повече енергия за генериране и задържане на антиматерия.
Антиматерията обаче вече се използва на практика, в медицината. Позитронно-емисионната томография се използва за диагностика в онкологията, кардиологията и неврологията. Методът се основава на доставянето на разлагаща се материя с излъчването на позитрон към определен орган. Например, вещество, което се свързва добре с раковите клетки, може да действа като транспорт. В желаната зона се образува повишена концентрация на радиоактивни изотопи и съответно позитрони от разпадането им. Позитроните веднага се унищожават с електрони. И можем доста да поправим точката на унищожаването, като регистрираме гама кванти. По този начин с помощта на позитронно-емисионна томография е възможно да се открие повишена концентрация на транспортното вещество на определено място.
