Что такое антиматерия
Антиматерия (или антивещество) — это вещество, состоящее из античастиц. Как и любое другое вещество, антивещество состоит из атомов, которые состоят в свою очередь из протонов и нейтронов (ядро атома) и электронов (внешняя оболочка атома). За тем лишь уточнением, что это антипротоны, антинейтроны и антиэлектроны. Последние, кстати, называются позитроны.
Все вышеперечисленные античастицы обладают теми же характеристиками, что и обычные частицы, но у них противоположный электрический заряд. То есть антипротоны заряжены отрицательно, в отличие от их «обыкновенных» близнецов, а позитроны заряжены положительно, что и отличает их от отрицательно заряженных электронов. Получается, что нейтрон — античастица сама себе, поскольку не имеет заряда? Нет, антинейтроны тоже есть. Дело в том, что нейтроны состоят из кварков (как и протоны), а у кварков тоже есть свои античастицы — антикварки, которые и составляют антинейтрон. Вдобавок, при встрече нейтрона и антинейтрона оба аннигилируют (превращаются), как и должна поступать пара из частицы и античастицы.
Где найти антиматерию
Античастицы образуются в ядрах активных галактик как и на ускорителях — вместе с частицами. Но сразу после этого частицы и античастицы при встрече аннигилируют. Насколько известно, антиматерия, а точнее античастицы, встречаются на Земле в трех обстоятельствах. Во-первых, они образуются в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей, которые обладают (в масштабах элементарных частиц) высокой энергией и при их встрече с земными частицами происходят процессы, схожие с процессами в ускорителях заряженных частиц.
Во-вторых, античастицы образуются при разряде молнии. Грозовой разряд — это тоже своеобразный природный реактор. Образующиеся при разряде молнии гамма-кванты обладают достаточно мощной энергией для того чтобы выбить один нейтрон из атмосферного азота. Так образуется нестабильный изотоп азота 13N.
Период его полураспада составляет чуть меньше 10 минут, то есть самый активный период испускания позитрона при распаде азота-13 до углерода-13 приходится на довольно короткий срок. Именно такой, достаточно короткий по человеческим меркам, но слишком длинный по меркам элементарных частиц, период низкоэнергетического гамма-излучения наблюдали ученые из Японии. Они зафиксировали три всплеска гамма-излучения от разряда молнии, и последний, длившийся примерно минуту, показался им подозрительным — это и был сигнал аннигиляции электрон-позитронных пар.
Наконец, античастицы образуются в ускорителях, причем чаще всего как побочный продукт других экспериментов. Сейчас в научном мире наблюдение античастиц в коллайдерах уже ни у кого не вызывает ажиотаж. Загадки связаны не с тем, что античастицы есть, а с тем, почему их так мало во Вселенной, если учесть, что в ускорителях они образуются в равном с частицами соотношении?
Антиматерия и материя
Предположительно, на ранних этапах существования Вселенной симметрия между частицами и античастицами была нарушена. Преобладание частиц оценивается как 1 частица на 1 млрд пар частица-античастица. Почти все античастицы аннигилировали при встрече с частицами, поэтому мы наблюдаем их такое ничтожно малое количество.
Возможно, нарушение симметрии в ранней Вселенной как-то связано с различиями свойств таких короткоживущих частиц как К-мезоны и различиями свойств материи и антиматерии за счет существования трех поколений кварков. Возможно, это как-то связано и с очарованными мезонами — это короткоживущие частицы, которые могут переключаться между двумя состояниями: частицы и античастицы. В июне 2021 года это выяснили ученые из Оксфорда.
Как бы то ни было, весь видимый мир в теории состоит из частиц. По крайней мере, доступный нам мир — это материя. Причем из всего огромного сонма частиц, весь мир состоит всего из трех: две — это нуклоны: протон и нейтрон (нуклонами называются потому что они составляют ядро атома) и во внешней оболочке атома — электроны. Этот феномен — перекос в сторону частиц — получил название Барионная асимметрия Вселенной. Барионы — это тяжелые частицы, к которым относятся также протоны и нейтроны. Кроме того, к барионам относятся и другие тяжелые частицы, состоящие из кварков. И у каждого бариона есть антибарион, который состоит из соответствующих антикварков. Но все эти частицы обладают крайне малым сроком жизни, так что их следует оставить в стороне.
Барионная асимметрия — вопрос исключительно космологии и физики частиц. Если бы барионов и антибарионов было поровну и не было бы никакого различия свойств между материей и антиматерией, то как показал академик Андрей Сахаров в 1967 году, вся Вселенная превратилась бы в излучение — очевидно, этого не произошло. Но может быть материя и антиматерия не были «смешаны» в ранней Вселенной однородно и просто разлетелись в разные стороны — в нашем уголке преобладает материя, а где-то есть области, где антизвезды составляют антигалактики?
Теоретически это возможно, но очень маловероятно, потому что плотность ранней Вселенной была слишком велика, чтобы большие сгустки могли просто так разлететься в разные стороны предварительно не проконтактировав.
И все же антизвезды ищут. Для их обнаружения нужно зарегистрировать ядра антигелия, поскольку только антигелий может гарантировать, что образовался не под воздействием космических лучей — антипротоны и антидейтероны (ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия, состоит из антипротона и антинейтрона) такого гарантировать не могут. А вот ядро антигелия «собраться» случайно практически не может, так что если его зарегистрируют, значит оно прилетело к нам как продукт термоядерных реакций антизвезды.
В 2021 году была опубликована статья, авторы которой создали каталог из 14 кандидатов в антизвезды, проанализировав данные космического телескопа Fermi. Телескоп зарегистрировал именно ядра антигелия.
Дмитрий Казаков, доктор физико-математических наук, Объединенный институт ядерных исследований, Дубна:
«Проблема антисимметрии Вселенной по отношению материи и антиматерии действительно серьезна и давно уже обсуждается в физике высоких энергий, но ясного понимания пока нет. Это связано со свойствами взаимодействия элементарных частиц и, возможно, с новыми частицами.
При изучении спектра космических лучей как раз регистрируют позитроны и антипротоны, их гораздо меньше на общем фоне и их можно регистрировать по сигналу аннигиляции. Так, например, пытаются зарегистрировать сигнал от темной материи. Но специально античастицы не изучают, в этом нет специального интереса. Мы знаем, что все частицы имеют античастицы и у них те же самые свойства. Тут нет загадки кроме того как во Вселенной образовался перекос в сторону частиц».
Антиматерия и темная материя
Важно не путать антиматерию и темную материю. Несмотря на похожий флер таинственности вокруг обоих явлений и в определенном смысле аналогичные эпитеты, добавляющиеся к слову «материя» в названии каждого из них, это совершенно разные явления.
Темная материя получила свое название в силу того, что не вступает в электромагнитные взаимодействия, то есть не испускает свет. Но и не перекрывает его как в случае газо-пылевых туманностей. Темная материя регистрируется как присутствующая масса, которая оказывает гравитационное воздействие и влияет на движение звезд в нашей и других галактиках. То есть звезды вращаются вокруг центра галактики не так, как должны были бы исходя из видимой массы. Иными словами — либо законы Ньютона не верны в отношении макрообъектов, либо присутствует скрытая масса, которую ученые пока не в силах зарегистрировать.
Темной материи теоретически отводят около 82–85% всего вещества во Вселенной (энергия веществом не является, так что другое загадочное явление — темную энергию — мы исключаем), Оставшиеся 15–18% — это доля знакомого нам обычного вещества, то есть материи. Доля антиматерии в этой совокупности ничтожно мала — она оценивается как 10-10 (то есть одна десятимиллиардная) по отношению к материи.
Изучение антиматерии
В очень свободной и интуитивной форме антивещество предсказал Артур Шустер, он же и ввел этот термин в 1898 году. После открытия электрона Джозефом Томсоном годом ранее, Шустер посчитал, что у электрона обязательно должна быть парная частица. В своих письмах в журнал Nature он пытался убедить ученую публику в своей правоте. Но у него не было доказательств, только голая интуиция и небезупречная во многих отношениях логика, поэтому идеи Шустера никто не рассматривал всерьез, а его самого считали чудаком.
Открытие антиматерии
Более точно существование антивещества было предсказано английским физиком теоретиком швейцарского происхождения Полем Дираком — в 1928 году он вывел уравнение для описания электрона, за что получил в 1933 году Нобелевскую премию по физике (разделил ее с Эрвином Шредингером с официальной формулировкой «За открытие новых продуктивных форм атомной энергии»). Уравнение Дирака может быть решено и для частицы с отрицательным значением энергии, а значит и отрицательной массой. С математической точки зрения это возможно, но создавало бы массу проблем с соблюдением физических законов.
Значит, должна быть частица с массой электрона, но противоположным электрическим зарядом. Эта частица и была открыта в 1932 году Карлом Дэвидом Андерсоном, американским физиком-экспериментатором, за что он и был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году.
Как получают антиматерию
Нередко про антиматерию говорят как о «самом дорогом веществе в мире». Якобы 1 грамм антиматерии стоит $63,5 трлн. Но это утверждение вводит в заблуждение. Дело в том, что антиматерию не продают и не покупают, да и вся произведенная при экспериментах антиматерия едва ли составит одну миллионную долю грамма. И важно заметить, что получение античастиц и составление из них атомов антивещества — две разные задачи и вторая гораздо сложнее первой.
Вероятно, ажиотаж вокруг антивещества и его поразительных энергетических свойств вызван романом Дэна Брауна «Ангелы и демоны», сюжет которого развивается вокруг похищения контейнера с антиматерией, вероятного ее взрыва, который бы уничтожил Ватикан, и приключений, связанных с попытками остановить это фатальное событие. Но не стоит путать художественный вымысел с реальностью. Количество антиматерии, созданное экспериментальным путем, ничтожно мало — счет идет даже не на микро (одна миллионная) или нано- (одна миллиардная) граммы, а на атомы. Антиатомы, если их удалось собрать из античастиц, захватываются с помощью магнитных ловушек — ведь им нельзя вступать во взаимодействие с атомами материи. С ними проводят эксперименты, изучают их свойства. Но время жизни антиатомов весьма невелико по бытовым меркам — счет идет на секунды, в редких случаях — минуты.
Так откуда взялась вполне конкретная цена на антиматерию? Если это не чистая фантазия, то цену можно вычислить следующим образом, который, вероятно и был использован. Финансирование ученым выделяется на совершенно конкретные цели, например, на изучение свойств антиводорода. За полученные результаты (которые могут быть как положительными, так и отрицательными) руководитель исследования отчитывается перед организацией, которая предоставила деньги. То есть синтез антиводорода был не сиюминутной прихотью или случайностью — это была цель работы научной группы.
Теперь, если знать сумму гранта (которая не является секретом) и количество атомов антиводорода, которое получилось в результате эксперимента, то, зная массу молекулы водорода (одна молекула водорода состоит из двух атомов), можно посчитать, сколько будет стоить 1 грамм антиводорода.
Какие бывают античастицы
Но антиводород — не единственное антивещество, которое было экспериментально получено: также наблюдались антидейтерий (изотоп антиводорода в ядре которого есть антинейтрон), антитритий (имеет два антинейтрона), антигелий-3 и антигелий-4.
Поскольку цена рождается на стыке спроса и предложения, а в случае антиматерии нет ни того, ни другого, а есть только производство с целью научного изучения, то вести разговор о цене — профанация.
Применение антиматерии
Антиматерия в медицине
Метод исследования внутренних органов человека или животного под названием позитронно-эмиссионная томография или ПЭТ основан на испускании античастиц электронов — позитронов.
В организм пациента вводится специальное вещество, которое называется радиофармпрепарат. В нем содержится радионуклид, то есть вещество, ядро атома которого нестабильно (от лат. nucleus — ядро), обычно для этого применяются более легкие изотопы четырех элементов — углерода, азота, кислорода и фтора. У этих изотопов на один нейтрон меньше, чем у стабильного атома, и со временем — весьма непродолжительным по бытовым меркам — этот атом распадается с испусканием: протон превращается в нейтрон и испускает позитрон и электронное нейтрино. Оставим в стороне всех, кроме позитрона. Он довольно быстро «остывает» до низкоэнергетического состояния и встречается с электроном в организме пациента. Пара аннигилирует с испусканием двух гамма-квантов, которые летят в противоположных направлениях. Расположенные вокруг пациента детекторы регистрируют эти кванты, и поскольку те летят по одной прямой, оказывается очень нетрудно вычислить то место, откуда они отправились.
При ПЭТ-сканировании предпочитают использовать радиоактивный изотоп Фтор-18, потому что у него довольно продолжительный период полураспада (то есть время за которое половина атомов фтора-18 превратятся в кислород) — 109,8 минут и сравнительно низкая дозовая нагрузка на пациента: образующиеся при аннигиляции гамма-кванты отнюдь не безвредны.
Например, при диагностировании рака пациенту дают небольшое количество глюкозы (фтордезоксиглюкозы — FDG), в которой содержится радионуклид. Поскольку раковые клетки бесконтрольно делятся и нуждаются для этого в энергии, они поглощают глюкозу в больших количествах. Концентрирование глюкозы в раковых клетках приводит к повышенному испусканию позитронов в злокачественной опухоли. То есть делает возможной визуализацию ее с помощью ПЭТ-сканеров.
Позитронно-эмиссионная томография не безвредна — доза облучения при стандартном ПЭТ-сканировании с использованием FDG равна 14 миллизиверт (мЗв). Для сравнения, это суммарное облучение более 4500 часов полета в пассажирском лайнере на стандартной высоте или же 70% безопасной годовой дозы облучения по российским стандартам (или 28% безопасной годовой дозы по стандартам МАГАТЭ). Но аннигиляция позитрон-электронной пары не может нанести увечья или убить.
Антиматерия в энергетике
Использование энергии аннигиляции в военных целях или для энергетики выглядит очень привлекательно, но только при беглом взгляде. Причина все та же — производство антивещества из античастиц — дело не только очень затратное, но и с очень кратким «сроком годности». Для того чтобы вырабатывать энергию для космических полетов или освещения городов, антивещество должно быть не только произведено, но и каким-то образом сохранено и доставлено туда, где оно могло бы быть целенаправлено использованным. Но сейчас не ведутся исследования о возможности промышленного производства, хранения и использования антиматерии.
Дмитрий Казаков:
«Антиатомы по своим свойствам неотличимы от атомов: тот же вес, тот же спектр излучения, те же химические свойства. Получить античастицы нетрудно, мы получаем антиэлектроны или антипротоны для ускорителей, мы рождаем античастицы на коллайдерах, они прилетают к нам из космоса. Но их очень мало по сравнению с обычными частицами и они аннигилируют при встрече с обычными частицами. Получить связанные состояния в виде антиатомов трудно, поскольку нужно одновременно создать антипротон, антинейтрон и антиэлектрон. В ЦЕРНе создали несколько атомов антигелия, но именно несколько, а не несколько граммов как в романе Дэна Брауна. Их трудно создать, трудно и удержать, чтобы они не аннигилировали. Поэтому речи о том, чтобы накопить антиматерию и использовать ее в качестве источника энергии или оружия не идет».
Фантасты же давно о таком мечтают: благодаря Джону Кэмпбеллу и Джеку Уильямсону антиматерия сделалась одним из обязательных атрибутов фантастики о космическом будущем человечества. Например, варп-двигатель, использующий аннигиляцию антивещества, позволял летать звездолету Enterprise из саги Star Trek.