Антиматерията битува в научната фантастика все по-смело. В Шестото клеймо на Дан Браун Ватикана беше под заплаха от бомба, изградена от антиматерия. Във филма на Джеймс Грей “Сред Звездите”, космическият кораб на Томи Лий Джоунс се захранва от антиматерия. Космическата легенда Ентърпрайз от Стар Трек използва анихилирането на антиматерия, за да си осигури енергия, задвижваща го със скорости над светлинната.
Но антиматерията е и част от реалния живот. Частиците антиматерия са почти идентични с техните материални аналози, с изключение на техният противоположен заряд и спин.
И докато бомбите от антиматерия и космическите кораби, задвижвани от нея са твърде далеч от възможностите ни, все пак има факти относно антиматерията, които да гъделичкат мисълта ни.
1. Антиматерията би трябвало да унищожи цялата материя във Вселената след Големия взрив.
Според теоретичните знания, които имаме, големият взрив е създал материята и антиматерията в равни количества. Когато материята и антиматерията се срещнат, те се унищожават взаимно, като от взаимодействието им остава само енергия. Значи – нищо не би трябвало да съществува.
Но ние съществуваме. И доколкото можем да разчитаме на научните изследвания, това е защото на всеки 10 милиарда двойки частици – материя-антиматерия е имало по една допълнителна частица материя. Но нямаме обяснение за тази асиметрия.
2. Антиматерията е по-близо до нас, отколкото предполагате
Малки количества антиматерия достига Земята под формата на космически лъчи. Тези частици антиматерия, които достигат нашата атмосфера са наистина минимални – от една до към 100 частици на кв. метър. (повече по върховете, и по-малко по долините). Също така, антиматерия се наблюдава и над гръмотевични бури.[1]
Но някои други източници на антиматерия се намират още по-близо до нас. Например, бананите произвеждат антиматерия[2], освобождавайки един позитрон (еквивалента на електрон) на всеки 75 минути. Бананите съдържат малко количество от Калий 40 – естествено срещащ се изотоп на калия. При процеса си на разпад, калий 40 понякога излъчва един позитрон.
Ние самите също съдържаме калий 40, което означава, че и ние самите произвеждаме антиматерия. Антиматерията се унищожава при контакт с материя, затова и съществуването на тези антиматериални частици е твърде краткотрайно.
3. Човечеството е създало съвсем малко количество антиматерия.
Анихилирането на антиматерията може да освободи огромно количество енергия. Един грам от нея може да предизвика експлозия с размерите на ядрена бомба. Човечеството обаче, поне досега е произвело съвсем незначително количество от нея.
Всички антипротони, създадени в ускорителя на частици на FermiLab – Tevatron са общо 15 нанограма. Тези, които са произведени в ЦЕРН са около 1 нанограм. Ускорителят DESY в Германия е произвел около 2 нанограма позитрони.
Ако цялата антиматерия, която е произведена досега от човечеството бъде унищожена наведнъж, отделената енергия трудно би затоплила чаша чай.
Проблемът при антиматерията се състоои в цената на производство и нейното съхранение. Изработката на един грам антиматерия изисква около 25 квинтильона (18 нули….) киловат часа енергия, и цената му е сходна в долари.
4. Капан за антиматерия
За да изучим антиматерията, трябва да я предпазим от унищожение при контакт с материята. Разбира се, начин за това съществува.
Заредените частици антиматерия като позитрони и антипротони могат да бъдат държани в устройства, наречени капани на Пенинг[3]. В тези капани частиците се държат ограничени от магннитни и електрически полета. Капаните на Пеннинг приличат на малки ускорители, в които частиците обикалят, насочвани от магнитните и електрически полета.
Капаните на Пенинг обаче не работят при неутрални частици, като например атома на антиводорода. Понеже той няма заряд, няма как частиците да бъдат задържани от електрическо поле. Вместо това, те се съхраняват в капани наречени loffe[4], изобретени от Дейвид Притчард. Тези капани създават област в пространството, в която магнитното поле се увеличава във всички посоки. Частицата заема областта с най-слабото магнитно поле.
Магнитното поле на Земята също може да бъде своебразен капан за антиматерия. Антипротони са открити в радиационните пояси около Земята, известни като пояси на Ван Алън.
5. Антиматерията може би може да пада.
Частиците на материята и антиматерията имат еднаква маса, но се различават по техния електрически заряд и спин. Стандартният модел на елементарните частици прогнозира, че гравитацията трябва да има еднакъв ефект върху материята и антиматерията, но това все още не е установено. Научни експерименти като AEGIS, ALPHA и GBAR имат точно тази задача. Наблюдаването на ефекта на гравитацията върху антиматерията не е лесна задача в стил наблюдаване на падането на ябълка от дърво. Задачата в тези експерименти е частиците антиматерия да бъдат задържани в капан, или поне да бъдат забавени чрез охлаждане до температури, близки но абсолютната нула. И тъй като гравитацията е най-слабата от основните сили (ще я наречем сила за удобство), в тези експерименти трябва да се използват неутрални частици антиматерия.
6. Антиматерията се изследва в забавители за частици
Чували сме за ускорителите на частици, но също така съществуват и забавители за частици. В ЦЕРН се намира устройство, наречено Антипротонен забавител[5]. Той представлява пръстен, който може да улавя и забавя антипротоните, за да могат да бъдат проучени техните свойства и характер.
В кръговите ускорители на частици като този в ЦЕРН, частиците получават порция енергия при всяко завъртане. Забавителите работят обратно – при всяка обиколка частиците получават тласък в обратна посока, за да забавят скоростта си.
7. Неутриното може да е античастица само на себе си.
Частиците материя и антиматерия обикновено носят противоположни заряди и това ги прави лесни за разграничаване. Неутриното, което е частица, която почти няма маса и рядко взаимодейства с материята, няма заряд. Счита се, че неутриното може би е част от хипотетичен клас частици, наречени майорана (наречени на името на Еторе Майорана, който е теоретизирал съществуването им), които са античастици сами на себе си.
Някои радиоктавни ядра се разпадат, освобождавайки едновременно два неутрона и две неутрино. Ако неутрино частиците са си и собствени античастици, те биха се унищожили взаимно и ще имаме само електрони.
Предполага се, че майорана неутрино могат да бъдат тежки или леки. Леките съществуват и днес, а тежките биха съществували само в мига след Големия взрив. Тези тежки неутрино биха се разпаднали несиметрично, което би довело до малкия излишък материя, който позволява на нашата Вселена да съществува.
8. Антиматерията се използва в медицината
Позитронно-емисионна томография използва позитрони за създаване на изображения с висока разделителна способност на човешкото тяло. Радиоактивните изотопи, излъчващи позитрони (като калиевия позитрон в бананите), се прикрепват към химически вещества като глюкоза, които се усвояват естествено в тялото. Те се инжектират в кръвообращението, където естествено се разграждат, освобождавайки позитрони. Те срещат електрони в човешкото тяло и се унищожават. Това произвежда гама лъчи, които се използват за създаване на изображение.
Антиматерията е и потенциален кандидат за терапия на онкологични заболявания[6]. Лекарите вече са открили, че могат да насочат към тумори лъчи от частици, които ще освободят енергията си едва след като преминат безопасно здравата тъкан. Използването на антипротони добавя допълнителна енергия. Установено е, че тази техника е ефективна при атакуване на ракови клетки при хамстери, но опити върху хора все още не са правени.
9. Антиматерията, заради която би трябвало да не съществуваме, може би все още дебне някъде в космоса.
Един от начините за решаване на проблема с антисиметрията на материя и антиматерия е да се търси антиматерия из космоса, останала от Големия взрив.
Миналата седмица, астронавтите от Международната космическа станция ремонтираха уреда, наречен алфа-магнитен спектометър[7]. Това е детектор на частици, съдържащ в себе си магнитни полета, които изкривяват траекторията на космическите частици, като отделят материята от антиматерията.
Сблъсъците на космически лъчи обичайно произвеждат позитрони и антипротони. Но вероятността от създаване на анти-хелиев атом е изключително ниска, поради огромното количество енергия, което би било необходимо. Това означава, че ако успеем да наблюдаваме дори едно ядро от анти-хелий, то това би било ярко доказателство за съществуване на голямо количество антиматерия накъде из космоса.
10. Всъщност, наистина искаме да произведем космически кораби с антиматерия
Само шепа антиматерия може да осигури колосално количество енергия. Това дава повод на фантастите за футуристични превозни средства в техните произведения.
Хипотетично, това е напълно възможно. Основното
затруднение е синтезирането на достатъчно антиматерия. Към момента нямаме
технология за масово производство или събиране на антиматерия от космоса, в
обемите, които са нужни за тези цели. Въпреки това са правени проучвания в Университетите
в Кент и Вашингтон за задвижването и съхранението на антиматерията[8] Един
ден, ако успеем да добием достатъчно антиматерия, тези проучвания биха ни
казали как да задвижим космическите си кораби с нея.
[1] https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/news/fermi-thunderstorms.html – Антиматерия над гръмотевични бури.
[2] https://www.symmetrymagazine.org/2009/07/23/antimatter-from-bananas – Антиматерия от банани.
[3] http://alpha.web.cern.ch/penningtrap – Капани на Пеннинг.
[4] http://alpha.web.cern.ch/magnets – Капани loffe
[5] https://home.cern/science/accelerators/antiproton-decelerator – Забавител на частици
[6] https://home.cern/science/experiments/ace – Антиматерията в борба с рака
[7] https://ams.nasa.gov/ – Алфа магнитен спектометър
[8] https://www.technologyreview.com/s/427923/antimatter-propulsion-engine-redesigned-using-cerns-particle-physics-simulation-toolkit/ – Двигател с антиматерия
