Антивещество

Антивещество́ — вещество, состоящее из античастиц, стабильно не образующееся в природе (наблюдательные данные не свидетельствуют об обнаружении антивещества в нашей Галактике и за её пределами^[1]).

Структура атома антиводорода

Ядра атомов антивещества, синтезированные учёными, состоят из антипротонов и антинейтронов, а оболочки — из позитронов^[2].

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц.

В наблюдаемой нами части Вселенной существенных скоплений^{[прояснить]} антивещества не обнаружено^[2], однако ведутся споры о том, состоит ли Вселенная почти исключительно из вещества, и существуют ли другие места, заполненные, наоборот, практически полностью антивеществом. Асимметрия вещества и антивещества во Вселенной — одна из самых больших нерешенных задач физики (см. Барионная асимметрия Вселенной); предполагается, что асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.

Получение

В 1965 году группа под руководством Л. Ледермана наблюдала^[где?] события образования ядер антидейтерия^[2]. В 1970 году группа учёных под руководством Ю. Д. Прокошкина из Института физики высоких энергий (г. Протвино) зарегистрировала несколько событий образования ядер^[2].

В 1970—1974 группой под руководством Ю. Д. Прокошкина на серпуховском ускорителе были получены и более тяжелые антиядра — трития (изотоп водорода)^[3], гелия (антигелий-3)^[2].

В 2001 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода^[2], состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах^{[каких?]} и было начато детальное изучение его свойств.

В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого ученые охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (−73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40К (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе — Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды^[4].

В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить — на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации^[5].

Стоимость

Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле — по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов США^[6]. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов^[7]. По оценке CERN 2001 года, производство миллиардной доли грамма антивещества (объем, использованный CERN в столкновениях частиц и античастиц в течение десяти лет) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков^[8].

Свойства

Структура атома антигелия

По современным представлениям, силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное взаимодействие, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаковы (симметричны) как для частиц, так и для античастиц. Это означает, что структура антивещества должна быть идентична структуре обычного вещества^[2].

Свойства антивещества полностью совпадают со свойствами обычного вещества, рассматриваемого через зеркало (зеркальность возникает вследствие несохранения чётности в слабых взаимодействиях)^[9].

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция^[2], при этом образуются высокоэнергетические фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино^{[источник не указан 4280 дней]}, которые практически не взаимодействуют с веществом). Аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов ведёт к образованию нескольких π-мезонов, а аннигиляция электронов и позитронов — к образованию γ-квантов^[2]. В результате последующих распадов π-мезоны превращаются в γ-кванты^[2]. Во время процесса аннигиляции высвобождается значительно больше энергии, чем при проведении термоядерной реакции. Встреча одного грамма антивещества с одним граммом вещества может привести к высвобождению энергии в размере 180 триллионов джоулей^{[источник не указан 568 дней]}.

При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8⋅10¹⁷ джоулей энергии, что эквивалентно энергии, выделяемой при взрыве 42,96 мегатонн тротила. Самое мощное ядерное устройство из когда-либо взрывавшихся на планете, «Царь-бомба» (масса 26,5 т), при взрыве высвободило энергию, эквивалентную ~57—58,6 мегатоннам. Теллеровский предел для термоядерного оружия подразумевает, что самый эффективный выход энергии не превысит 6 кт/кг массы устройства^{[источник не указан 1479 дней]}.

В 2013 году эксперименты проводились на опытной установке, построенной на базе вакуумной ловушки ALPHA. Учёные провели измерения движения молекул антиматерии под действием гравитационного поля Земли. И хотя результаты оказались неточными, а измерения имеют низкую статистическую значимость, физики удовлетворены первыми опытами по прямому измерению гравитации антиматерии.

В ноябре 2015 года международная группа физиков на американском коллайдере RHIC экспериментально доказала идентичность структуры вещества и антивещества путём точного измерения сил взаимодействия между антипротонами, оказавшимися в этом плане неотличимыми от обычных протонов^[10].

В 2016 году учёным коллаборации ALPHA^[англ.] впервые удалось измерить оптический спектр атома антиводорода, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено^[11][12].

Также проводятся эксперименты по обнаружению массивных скоплений антивещества во Вселенной, таких как антизвезды, но свидетельств их существования не было обнаружено^[13].

В 2023 году учёным коллаборации ALPHA^[англ.] удалось экспериментально доказать, что антигравитации не существует, или если точнее, что гравитация оказывает на антиматерию влияние в том же направлении, что и на обычную материю, то есть притягивает её, а не отталкивает^[14].

В поп-культуре

• По сюжету книги Дэна Брауна «Ангелы и демоны» из ЦЕРНа был украден большой образец антивещества, при помощи которого представители тайного ордена Иллюминатов хотели взорвать государство-город Ватикан^[15].

См. также

• Антимир
• Материя (физика)
• Нерешённые проблемы современной физики
• Antiproton Decelerator
• Аннигиляционное оружие