Антивещество

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.

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

При взаимодействии вещества и антивещества происходит их аннигиляция, при этом образуются высокоэнергичные фотоны или пары частиц-античастиц (порядка 50 % энергии при аннигиляции пары нуклон-антинуклон выделяется в форме нейтрино[источник не указан 2462 дня], 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. В результате последующих распадов π-мезоны превращаются в γ-кванты.

При взаимодействии 1 кг антивещества и 1 кг вещества выделится приблизительно 1,8⋅1017джоулей 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.

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 группа российских и зарубежных 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.

В 2016 году учёным коллаборации ALPHA впервые удалось измерить оптический спектр атома антиматерии, отличий в спектре антиводорода от спектра водорода не обнаружено.

Проводятся эксперименты по обнаружению антивещества во Вселенной.

В чем сходство и различие вещества и антивещества

Антивещество – вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами – электронами с положительным электрическим зарядом. В противоположность этому, в “обычном” веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами.

Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. койнос – обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин «антивещество» не совсем правилен, поскольку антивещество – тоже по сути вещество. Просто другое, можно сказать – разновидность вещества. Во всем остальном, оно обладает те ми же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество.

Вещество и антивещество во вселенной – противоположности куда большие, чем огонь и вода.

Говоря о веществе и антивеществе, логично начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной частице соответствует античастица; обе имеют почти одинаковые характеристики, за исключением того, что у них противоположный электрический заряд. Если частица нейтральна, то античастица также нейтральна, но они могут различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица и античастица тождественны друг другу.

Так, электрону – отрицательно заряженной частице – соответствует позитрон, а античастицей протона с положительным зарядом является отрицательно заряженный антипротон. Позитрон был открыт в 1932, а антипротон – в 1955; это были первые из открытых античастиц. Существование античастиц было предсказано в 1928 на основе квантовой механики английским физиком П.Дираком.

Антиматерия в условиях космоса

Первооткрыватель позитрона Поль Дирак считал, что во Вселенной существуют целые области, полностью состоящие из антивещества. Об этом он говорил в своей нобелевской лекции. Но пока ученым не удалось обнаружить ничего подобного.

Конечно, в космосе присутствуют античастицы. Они появляются на свет благодаря многим высокоэнергетическим процессам: взрывам сверхновых звезд или горению термоядерного топлива, возникают в облаках плазмы вокруг черных дыр или нейтронных звезд, рождаются при столкновениях высокоэнергетических частиц в межзвездном пространстве. Более того, небольшое количество античастиц постоянно «проливается» дождем на нашу планету. Распад некоторых радионуклидов также сопровождается образованием позитронов. Но все вышеперечисленное – это только античастицы, но не антивещество. До сих пор исследователям не удалось отыскать в космосе даже антигелий, что уж говорить о более тяжелых элементах. Провалом завершились и поиски специфического гамма-излучения, которое сопровождает процесс аннигиляции при столкновении вещества и антивещества.

Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.

Существует гипотеза, что на ранних этапах жизни нашей Вселенной количество вещества и антивещества почти совпадало: на каждые миллиард антипротонов и позитронов приходилось ровно столько же их «визави», плюс один «лишний» протон и электрон. Со временем основная часть материи и антиматерии исчезла в процессе аннигиляции, а из избытка возникло все, что нас сегодня окружает. Правда, не совсем понятно, откуда и почему появились «лишние» частицы.

Рукотворное антивещество

Ядра ядрами, но для настоящего антивещества требуются полноценные атомы. Простейший из них — атом антиводорода, антипротон плюс позитрон. Такие атомы были впервые созданы в ЦЕРН в 1995 году — через 40 лет после открытия антипротона. Вполне возможно, что это были первые атомы антиводорода за время существования нашей Вселенной после Большого взрыва — в природных условиях вероятность их рождения практически нулевая, а существование внеземных технологических цивилизаций все еще под вопросом.

Этот эксперимент был осуществлен под руководством немецкого физика Вальтера Олерта. В ЦЕРН тогда действовало накопительное кольцо LEAR, в котором хранились низкоэнергетические (всего-то 5,9 МэВ) антипротоны (оно проработало с 1984 по 1996 год). В эксперименте группы Олерта антипротоны направляли на струю ксенона. После столкновения антипротонов с ядрами этого газа возникали электронно-позитронные пары, и некоторые позитроны крайне редко (с частотой 10−17%!) объединялись с антипротонами в атомы антиводорода, движущиеся почти что со скоростью света. Незаряженные антиатомы больше не могли вращаться внутри кольца и вылетали по направлению к двум детекторам. В первом приборе каждый антиатом ионизировался, и освобожденный позитрон аннигилировал с электроном, порождая пару гамма-квантов. Антипротон уходил во второй детектор, который до исчезновения этой частицы успевал определить ее заряд и скорость. Сопоставление данных с обоих детекторов показало, что в эксперименте было синтезировано не меньше 9 атомов антиводорода. Вскоре релятивистские атомы антиводорода были созданы и в Фермилабе.

С лета 2000 года в ЦЕРН действует новое кольцо AD (Antiproton Decelerator). В него поступают антипротоны с кинетической энергией 3,5 ГэВ, которые замедляются до энергии в 100 МэВ и затем используются в разнообразных экспериментах. Антивеществом там занялись группы ATHENA и ATRAP, которые в 2002 году стали разово получать десятки тысяч атомов антиводорода. Эти атомы возникают в особых электромагнитных бутылках (так называемых ловушках Пеннинга), где смешиваются поступающие из AD антипротоны и рождающиеся при распаде натрия-22 позитроны. Правда, жизнь нейтральных антиатомов в такой ловушке измеряется всего лишь микросекундами (зато позитроны и антипротоны могут храниться там месяцами!). В настоящее время отрабатываются технологии более длительного хранения антиводорода.

В беседе с «ПМ» руководитель группы ATRAP (проект ATHENA уже завершен), профессор Гарвардского университета Джеральд Габриэлс подчеркнул, что, в отличие от LEAR, установка AD позволяет синтезировать относительно медленные (как говорят физики, холодные) атомы антиводорода, с которыми намного проще работать. Сейчас ученые пытаются еще сильнее охладить антиатомы и перевести их позитроны на уровни с меньшей энергией. Если это получится, то появится возможность дольше удерживать антиатомы в силовых ловушках и определять их физические свойства (к примеру, спектральные характеристики). Эти показатели можно будет сопоставить со свойствами обычного водорода и понять наконец, чем антивещество отличается от вещества. Работы еще непочатый край.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика»
(№1, Январь 2010).

Применение антиматерии

Хотя исследование антиматерии достаточно абстрактная область, античастицы используются для конкретных задач.

• Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), ставшая важным инструментом для изучения функционирования организма. Позитрон – самая легко добываемая античастица, которая помогает диагностировать онкологические заболевания. Пациенту дают аналог глюкозы с радиоактивной примесью: это вещество накапливается в активно растущих (раковых) клетках. В опухоли будет происходить электрон-позитронная аннигиляция, откуда будут вылетать фотоны. Специальное сканирующее устройство уловит их и обнаружит точное расположение опухоли в организме.
• Позитроны используются также в материаловедении: с их помощью можно изучать поверхности полупроводников для их применения в электронике, определять «усталость» материалов и находить в них микродефекты.

Вокруг потенциала антиматерии много предположений:

• Антиматерию рассматривали в качестве одного из составляющих ядерного оружия. Реакция 1 кг антиматерии и 1 кг вещества = 180 петаджоулей (немного меньше отдачи крупнейшего термоядерного оружия весом 26500 кг, когда-либо взорванного).
• Антиматерию можно будет использовать в качестве топлива для космических путешествий (учёные считают, что одного грамма будет достаточно для пилотируемой миссии на Марс).

Что такое темная материя

Хотя темная материя не была обнаружена, были обнаружены очень веские доказательства, подтверждающие существование темной материи. Некоторые наблюдения подтверждают, что там должно быть огромное количество вещества, чем то, что мы наблюдаем во вселенной. В качестве вспомогательного примера существования темной материи можно взять спиральные галактики. Скорость вращения спиральной галактики зависит от ее массы. Чем выше масса, тем выше скорость. Как отметили ученые, скорости вращения большинства спиральных галактик, включая Млечный путь, слишком высоки, чем ожидаемые скорости. Просто масса этих галактик должна быть слишком высокой, чем та масса, которую мы наблюдаем. Эта невидимая, ненаблюдаемая или отсутствующая масса теоретически считается темной материей.

Согласно теориям, темная материя взаимодействует только через гравитационные и слабые взаимодействия. Итак, его гравитационное влияние заметно. Но темную материю невозможно увидеть, и ее трудно обнаружить, поскольку она не взаимодействует с помощью электромагнитных и сильных взаимодействий.

Использование антиматерии

Где может быть использована антиматерия? В первую очередь антиматерия – это отличное топливо. Всего одна капля антивещества способна дать энергию, которой будет достаточно для энергообеспечения крупного города в течение суток. Кроме того, этот источник энергии является экологически чистым.

В области медицины основное использование антиматерии – это томография позитронного излучения. Гамма-лучи, которые возникают в результате аннигиляции вещества и антивещества, используются для обнаружения раковых опухолей в организме. Также используют антивещество в терапии против раковых заболеваний. В настоящее время ведутся исследования по использованию антипротонов для полного уничтожения раковых тканей.

Антиматерия используется в медицине

PET, ПЭТ (позитронно-эмиссионная топография) использует позитроны для получения изображений тела в высоком разрешении. Излучающие позитроны радиоактивные изотопы (вроде тех, что мы нашли в бананах) крепятся к химическим веществам вроде глюкозы, которая присутствует в теле. Они вводятся в кровоток, где распадаются естественным путем, испуская позитроны. Те, в свою очередь, встречаются с электронами тела и аннигилируют. Аннигиляция производит гамма-лучи, которые используются для построения изображения.

Ученые проекта ACE при CERN изучают антиматерию как потенциального кандидата для лечения рака. Врачи уже выяснили, что могут направлять на опухоли лучи частиц, испускающие свою энергию только после того, как безопасно пройдут через здоровую ткань. Использование антипротонов добавит дополнительный взрыв энергии. Эта техника была признана эффективной для лечения хомяков, только вот на людях пока не испытывалась.

Как открыли антиматерию

Конец 19 века и начало 20 века – время выдающихся гипотез, заложивших основы современной науки. Ярким доказательством является английский физик Артур Шустер, который в 1898 году пришёл к выводу о существовании антиматерии после открытия электрона как частицы Дж. Томсоном и Э. Вихертом.

В свою очередь Шустер предположил существование «двойника» электрона – частицы с той же массой, но с противоположными физическими характеристиками. То есть он предположил существование его зеркального отражения – антиэлектрона, который заряжен положительно. Встреча частицы и её двойника всегда фатальна: при взаимодействии частицы и парной её античастицы происходит взаимное уничтожение, их масса преобразуется в энергию – этот процесс называется аннигиляцией (переводится с латинского как «уничтожение»).

Примеры частиц и их двойников:

• Электрон несёт отрицательный электрический заряд = Позитрон его двойник с положительным зарядом
• Протон с положительным зарядом = Антипротон с отрицательным.

Из гипотезы Шустера вытекает: существует антивещество, в котором живут античастицы. Учёный строил своё предположение на одном соображении – природа должна была создать симметрию между отрицательным и положительным. Аргумент не самый научно убедительный, и антиматерией еще 30 лет не интересовались.

Гипотезы о существовании

Первые гипотезы о кометах из антивещества появились в 1940-х годах, когда физик Владимир Рожанский в своей статье Гипотеза о существовании антиматерии (англ. The Hypothesis of the Existence of Contraterrene Matter) указал на возможность того, что некоторые кометы и метеориты могут состоять из «противоположной земной» материи (то есть антиматерии). Как указал Рожанский, такие объекты (если они вообще существуют), происходят из-за пределов Солнечной системы. Он предположил что если бы в Солнечной системе двигались по орбитам объекты из антивещества, они бы были похожими на кометы, наблюдавшиеся в 1940 году: по мере того, как атомы антивещества реагировали бы с атомами обычного вещества, исходящими от других небесных тел и солнечного ветра, происходило бы образование летучих соединений и изменение химического состава в сторону увеличения количества элементов с более низкой атомной массой. Основываясь на этом, он выдвинул гипотезу, что некоторые объекты, которые считаются кометами, могут на деле состоять из антивещества. Основываясь на законе Стефана-Больцмана, он предположил, что такие объекты можно было бы обнаружить, исследуя их температуру. Состоящее из антивещества тело, подвергающееся обычной для Солнечной системы бомбардировке метеоритами (по данным 1940-х годов), и поглощающее половину энергии, создаваемой при аннигиляции вещества и антивещества, будет иметь температуру 120 K при показателях интенсивности бомбардировки, рассчитанных Уайли, или 1200 K при показателях, рассчитанных Нинингером. В 1970-х, когда наблюдалась комета Когоутека, Рожански вновь предложил гипотезу о существовании комет из антивещества в письме в журнал Physical Review Letters, и предложил провести наблюдения кометы в гамма-диапазоне для проверки этой гипотезы.

В настоящее время существование комет и метеоритов из антивещества признаётся маловероятным, поскольку все крупные тела Солнечной системы состоят из обычного вещества (иначе это было бы давно обнаружено по всплескам гамма-излучения при взаимодействии их с обычным веществом); кроме того, изучение космических лучей показывает, что они также состоят в основном из обычного вещества, вследствие чего имеются основания считать, что не существует подходящего источника для внесолнечных комет, метеоритов или иных крупных объектов, состоящих из антивещества. В целом учёными ставится под сомнение возможность существования большого количества антивещества во вселенной.

В то же время, в журналах появляются сообщения о том, что некоторые наблюдаемые астрономические объекты и явления можно было бы объяснить присутствием кометы или метеорита, состоящих из антивещества.

Физики – теоретики античастиц

Антивещество впервые было предсказано в 1928 году английским физиком Поль Дираком, которого английские ученые назвали “величайшим теоретиком Британии, как сэр Исаак Ньютон».

Дирак собрал специальное уравнение относительности Эйнштейна (в котором говорится, что свет имеет определенную скорость во Вселенной) и квантовую механику (которая описывает то, что происходит в атоме). Он вывел уравнение для электронов с отрицательным и с положительным зарядом. Дирак в конце концов сказал, что каждая частица во Вселенной будет иметь зеркальное отображение. Американский физик Карл Д. Андерсон обнаружил позитроны в 1932 г.

Дирак получил Нобелевскую премию по физике в 1933 году, а Андерсон получил премию в 1936 году.

Антивещество на космическом корабле

Когда частицы антивещества взаимодействуют с частицами вещества, они уничтожают друг друга и производят энергию.

Это дало повод инженерам предположить, что антивещество может быть колоссальной и эффективной энергией для космического корабля, чтобы исследовать Вселенную.

Однако, по состоянию на сейчас антиматерия стоит около $ 100 млрд, чтобы создать миллиграмм антивещества. Это тот минимум, который будет необходим для применения. Для того, чтобы эта энергия была коммерчески жизнеспособной, эта цена должна была бы упасть примерно в 10000 раз. Сейчас электроэнергии необходимо гораздо больше, чтобы создать антиматерию, чем получить обратно от реакции антивещества.

Но это не останавливает ученых от работ по совершенствованию технологии, чтобы сделать возможным применение антиматерии в космических аппаратах. Ученые утверждают, что вполне возможно, что антивещество можно было бы использовать через 50-70 лет в будущем.

Сейчас прорабатываются варианты как космический аппарат может работать на этом топливе.

Конструкция предусматривает гранулы дейтерия и трития (тяжелые изотопы водорода с одним или двумя нейтронами в ядрах, в отличие от общего водорода, который не имеет нейтронов). Антипротонный луч будет воздействовать на гранулы. После того, как антипротоны достигнут урана, они будут уничтожены с созданием продуктов деления, которые были бы искрой реакции термоядерного синтеза. Использование этой энергии может заставить космический аппарат двигаться.

Ракетные двигатели на антиматерии гипотетически возможны, но основное ограничение это сбор достаточного количества антивещества, чтобы это произошло. Самые дорогие вещества в мире сейчас – это антиматерия.

В настоящее время нет технологии для массового производства или сбора антиматерии в объеме, необходимой для всех приложений.

Из истории вопроса

Впервые допустил мысль о существовании материи «с другим знаком» британский ученый Артур Шустер еще в конце XIX века. Его публикация на эту тему была довольно туманной и не содержала никакой доказательной базы, скорее всего, на гипотезу ученого натолкнуло недавнее открытие электрона. Он же первым ввел в научный обиход термины «антивещество» и «антиатом».

Экспериментально антиэлектрон был получен еще до своего официального открытия. Это удалось сделать советскому физику Дмитрию Скобельцину в 20-е годы прошлого столетия. Он получил странный эффект при исследовании гамма-лучей в камере Вильсона, но объяснить его так и не смог. Теперь мы знаем, что феномен был вызван появлением частицы и античастицы – электрона и позитрона.

В 1930 году известный британский физик Поль Дирак, работая над релятивистским уравнением движения для электрона, предсказал существование новой частицы с той же массой, но противоположным зарядом. В то время ученые знали только одну положительную частицу – протон, однако она была в тысячи раз тяжелее электрона, поэтому интерпретировать данные, полученные Дираком, так и не смогли. Двумя годами позже американец Андерсон обнаружил «двойника» электрона при исследовании излучения из космоса. Он получил название позитрон.

К середине прошлого столетия физики успели неплохо изучить эту античастицу, было разработано несколько способов ее получения. В 50-е годы ученые открыли антипротон и антинейтрон, в 1965 году был получен антидейтрон, а в 1974 году советским исследователям удалось синтезировать антиядра гелия и трития.

В 60-е и 70-е годы античастицы в верхних слоях атмосферы искали с помощью воздушных шаров с научной аппаратурой. Этой группой руководил нобелевский лауреат Луис Альварец. Всего было «поймано» около 40 тыс. частиц, но ни одна из них к антиматерии не имела никакого отношения. В 2002 году аналогичными изысканиями занялись американские и японские физики. Они запустили огромный воздушный шар BESS (объем 1,1 млн м3) на высоту в 23 километра. Но и им за 22 часа эксперимента не удалось обнаружить даже простейших античастиц. Позже аналогичные опыты были проведены в Антарктиде.

В середине 90-х европейским ученым удалось получить атом антиводорода, состоящий из двух частиц: позитрона и антипротона. В последние годы удалось синтезировать значительно большее количество этого элемента, что позволило продвинуться в изучении его свойств.

Для «ловли» античастиц используются даже космические аппараты

В 2005 году чувствительный детектор антивещества был установлен на Международной космической станции (МКС).

История открытия антиматерии

Антиматерия была открыта в 1932 году североамериканским физиком Карлом Андерсеном, который изучал космические лучи и смог обнаружить позитрон (античастица электрона). Благодаря этому открытию он получил Нобелевскую премию в 1936 году. Впоследствии были экспериментально открыты антипротоны. Это произошло в 2006 году благодаря запуску спутника «Памела», миссией которого было изучение частиц, испускаемых Солнцем.

Впоследствии человечество научилось самостоятельно создавать антиматерию. В результате многих экспериментов было показано, что столкновение материи и антиматерии уничтожает обе субстанции и порождает гамма-лучи. Эти экспериментальные выводы были предсказаны еще Альбертом Эйнштейном.

Получение

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

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

В 2001 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах 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 (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (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.

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.

Стоимость

Антивещество известно как самая дорогая субстанция на Земле — по оценкам НАСА 2006 года, производство миллиграмма позитронов стоило примерно 25 миллионов долларов долларов США. По оценке 1999 года, один грамм антиводорода стоил бы 62,5 триллиона долларов. 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.

Античастицы

Центр атома называется ядро в котором находятся протоны (которые имеют положительный электрический заряд) и нейтроны (которые имеют нейтральный заряд). Электроны, которые обычно имеют отрицательный заряд, занимают орбиты вокруг ядра. Орбиты могут изменяться в зависимости от того, как “возбуждаются” электроны (то есть, сколько энергии у них есть).

В случае с антивеществом, электрический заряд восстанавливается по отношению к материи. Анти-электроны (так называемые позитроны) ведут себя подобно электронам, но имеют положительный заряд. Антипротоны, как следует из названия, представляют собой протоны с отрицательным зарядом.

Эти частицы антиматерии (которые называются «античастицы») были получены и изучены на огромных ускорителях элементарных частиц, таких как Большой адронный коллайдер управляемый Европейской организацией ядерных исследований.

В циркулярном ускорителе на встречных пучках как большой адронный коллайдер частицы получают удар энергии каждый раз, когда они завершают вращение.

Для изучения антивещества, необходимо предотвратить его аннулирование с материей. Ученые создали специальные ловушки. Частицы как позитроны и антипротоны загоняются в устройства, называемые ловушкой Пеннинга. Устройство похоже на крошечные ускорители. Внутри устройства находятся спирали создающие магнитные и электрические поля которые удерживают частицы от их столкновения со стенками ловушки.

Но ловушки Пеннинга не будут работать для нейтральных частиц, таких как антиводород, потому что у него нет заряда. Ученые придумали другие ловушки, которые работают путем создания области пространства, где магнитное поле излучается во всех направлениях.

Антивещество не подчинено антигравитации. Несмотря на то, что не было подтверждено экспериментально, существующая теория предсказывает, что антиматерия ведет себя так же, как при гравитации делает нормальная материя.

Столкновение вещества и антивещества: мир против антимира

При столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция, т.е. обе частицы исчезают, а из точки их столкновения испускаются два гамма-кванта. Если сталкивающиеся частицы движутся с небольшой скоростью, то энергия каждого гамма-кванта составляет 0,51 МэВ. Эта энергия есть «энергия покоя» электрона, или его масса покоя, выраженная в единицах энергии. Если же сталкивающиеся частицы движутся с большой скоростью, то энергия гамма-квантов будет больше за счет их кинетической энергии.

Аннигиляция происходит и при столкновении протона с антипротоном, но процесс в этом случае протекает гораздо сложнее. В качестве промежуточных продуктов взаимодействия рождается ряд короткоживущих частиц; однако спустя несколько микросекунд как окончательные продукты превращений остаются нейтрино, гамма-кванты и небольшое число электрон-позитронных пар. Эти пары в конечном итоге могут аннигилировать, создавая дополнительные гамма-кванты. Аннигиляция происходит и при столкновении антинейтрона с нейтроном или протоном.

Коль скоро существуют античастицы, возникает вопрос, не могут ли из античастиц образовываться антиядра. Ядра атомов обычного вещества состоят из протонов и нейтронов. Самым простым ядром является ядро изотопа обычного водорода 1H; оно представляет собой отдельный протон. Ядро дейтерия 2H состоит из одного протона и одного нейтрона; оно называется дейтроном.

Еще один пример простого ядра – ядро 3He, состоящее из двух протонов и одного нейтрона. Антидейтрон, состоящий из антипротона и антинейтрона, был получен в лаборатории в 1966; ядро анти-3He, состоящее из двух антипротонов и одного антинейтрона, было впервые получено в 1970.

Согласно современной физике элементарных частиц, при наличии соответствующих технических средств можно было бы получить антиядра всех обычных ядер. Если эти антиядра окружены надлежащим числом позитронов, то они образуют антиатомы. Антиатомы обладали бы почти в точности такими же свойствами, как и обычные атомы; они образовали бы молекулы, из них могли бы формироваться твердые тела, жидкости и газы, в том числе и органические вещества.

Например, два антипротона и одно ядро антикислорода вместе с восемью позитронами могли бы образовать молекулу антиводы, сходную с обычной водой H2O, каждая молекула которой состоит из двух протонов ядер водорода, одного ядра кислорода и восьми электронов. Современная теория элементарных частиц в состоянии предсказать, что антивода будет замерзать при 0° С, кипеть при 100° С и в остальном вести себя подобно обычной воде.

Продолжая такие рассуждения, можно прийти к выводу, что построенный из антивещества антимир был бы чрезвычайно сходен с окружающим нас обычным миром. Этот вывод служит отправной точкой теорий симметричной Вселенной, основанных на предположении, что во Вселенной равное количество обычного вещества и антивещества. Мы живем в той ее части, которая состоит из обычного вещества.

Наглядный пример сходств и различия вещества и антивещества: слева водород, справа антиводород. «Такой же, только другой».