Физики научились получать в лаборатории большое количество антивещества
Перед запуском Большого адронного коллайдера многие опасались, что при его работе образуется антиматерия, которая уничтожит материю обычную. Вскоре после старта коллайдер сломался, и пока он на ремонте, Земля в безопасности. Но некоторые ученые не оставляют попытки получить антиматерию у себя в лаборатории и даже добиваются некоторых успехов. Например, в ноябре 2008 года физики из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса заявили о том, что им удалось разработать технологию получения большого количества антивещества.
Почти так же, но наоборот
Все началось в 1928 году, когда британский физик Поль Дирак в результате теоретических рассуждений пришел к выводу, что у электрона - элементарной частицы с отрицательным электростатическим зарядом - должен быть положительно заряженный брат-близнец. В 1932 году существование положительно заряженного электрона было подтверждено экспериментально. Первая открытая частица антивещества получила название позитрон (реже употребляют термин антиэлектрон).
В 1955 году был открыт антипод протона - антипротон, и в конце концов физикам стало ясно, что каждой частице "обычного" вещества соответствует частица антивещества. Элементарные составляющие материи и антиматерии имеют практически одинаковые характеристики за исключением заряда. Нейтральные частицы и античастицы (например, нейтрон и антинейтрон), очевидно, нельзя отличить друг от друга по знаку заряда, однако они все же являются разными частицами. Нейтральные частицы состоят из кварков, а нейтральные античастицы - из антикварков.
Многие опасаются, что создание антивещества может угрожать безопасности планеты. Чтобы понять, обоснованы ли эти страхи, можно подсчитать, сколько антиматерии необходимо для создания бомбы, аналогичной той, которая разрушила Хиросиму. Ее мощность составляла 20 килотонн в тротиловом эквиваленте. При взрыве бомбы выделилось 20х4,2х10^12 килоджоулей энергии. При взаимодействии одного грамма вещества с одним граммом антивещества выделяется 1,8х10^14 Джоулей. В тротиловом эквиваленте это составляет 42,8 килотонн. То есть, для создания бомбы, разрушившей Хиросиму, необходимо всего полграмма антиматерии. С той скоростью, с которой ученые сейчас получают антивещество, для синтеза этого количества необходимо около двух миллиардов лет.
Еще один способ понять, имеем ли мы дело с частицами вещества или антивещества - это привести их в соприкосновение. Если они принадлежат к одному типу материи, то ничего особенного не произойдет. А вот если некоторые из частиц являются частицами, а другие - античастицами, то при контакте все они исчезнут с выделением большого количества энергии. Точнее, не большого, а ровно такого, какое предсказывает уравнение Эйнштейна E=mc^2.
Эта особенность антивещества сильно затрудняет его получение и хранение. Тем не менее, в 1995 году специалистам из Европейского центра ядерных исследований (CERN) удалось создать антиводород. Атомы "обычного" водорода состоят из одного протона и одного электрона. Это самые простые из существующих атомов. Атом антиводорода состоит из отрицательно заряженного антипротона, вокруг которого вращается положительно заряженный позитрон. Сталкивая антипротоны с атомами ксенона в течение трех недель, физикам удалось получить девять атомов антиводорода, каждый из которых просуществовал около сорока миллиардных долей секунды, после чего аннигилировал (разрушился), столкнувшись с "обычными" атомами.
В 2002 году две группы ученых получили тысячи атомов антиводорода, "стравливая" позитроны и антипротоны, удерживаемые магнитными ловушками. Еще позже физики научились производить миллионы антиатомов. Каким бы огромным ни было число миллион, миллион атомов антиводорода - это очень-очень мало. Скажем, чтобы надуть обычный воздушный шарик антиводородом, необходимо десять миллионов триллионов таких антиатомов (один с 19 нулями).
Физики из Ливерморской национальной лаборатории под руководством Хуэй Чен (Hui Chen) разработали технологию получения сотен миллиардов античастиц. Правда, они создавали позитроны, а не целые атомы, но все равно увеличение числа получаемых античастиц на несколько порядков (а именно это утверждают авторы исследования) - это пусть маленький, но все же шаг вперед. Источником позитронов служили золотые пластины, на которые воздействовали лазерным лучом.
Коротокоимпульсный лазер высокой интенсивности испарял атомы золота и ионизировал их. В образовавшемся облаке плазмы ускоренные электроны сталкивались с ядрами золота. При этом образовывалось множество частиц, в том числе, позитроны.
Методы выбивания античастиц из металлических мишеней существуют давно. Новизна данной технологии заключается в использовании золотых пластин толщиной около миллиметра и применении короткоимпульсного лазера. Обычно ученые используют металлические мишени толщиной с лист бумаги, однако более толстые пластины, по словам исследователей, которые сначала смоделировали будущий эксперимент на компьютере, "дают" больше позитронов. Короткоимпульсный мощный лазер позволяет сконцентрировать энергию не только в пространстве, но и во времени.
Чен и коллеги фиксировали образование позитронов с помощью обычного детектора электронов, настроенного на регистрацию частиц с другим знаком заряда. Согласно оценкам ученых, всего во время их эксперимента "родилось" более ста миллиардов позитронов. Если результаты физиков подтвердятся, то новая технология действительно позволяет получать намного больше античастиц, чем предыдущие аналоги.
Все пропало
Зачем физики тратят столько усилий для получения этой непонятной антиматерии? Как это ни странно, но одной из причин является ее отсутствие в окружающем нас мире. Антивещества почти нет не только на Земле или в Солнечной системе, но также и на далеких звездах. Этот факт не дает покоя физикам, так как согласно существующим теориям, во время Большого Взрыва должно было образоваться примерно поровну частиц материи и антиматерии.
Однако это означает, что читатель сейчас не может смотреть в монитор, так как ни читателя, ни монитора не должно существовать. Все антивещество должно было бы прореагировать со всем веществом, при этом выделилось бы огромное количество энергии, но число образовавшихся частиц было бы недостаточным для создания галактик, звезд, планет и людей.
Означает ли присутствие читателя перед монитором, что во время Большого Взрыва образовывалось преимущественно вещество, а не антивещество? Вероятно, нет. В настоящее время ученые придерживаются мнения, что в окружающей нас Вселенной материи значительно больше, чем антиматерии по причине того, что законы физики для них не совсем одинаковы. При высоких энергиях частицы как вещества, так и антивещества "любят" превращаться друг в друга. Кварки могут превращаться в позитроны, а антикварки в электроны и наоборот (на самом деле, все несколько сложнее, и, например, электроны или позитроны не прямо образуются из кварков, а испускаются при взаимодействии кварков или антикварков). Неравноценность физических законов для материи и антиматерии проявляется в том, что в молодой Вселенной преимущественно происходили процессы превращения позитронов в кварки, а не электронов в антикварки. Однако для окончательного принятия этой теории не хватает экспериментальных доказательств, и именно поэтому физики стремятся получить антиматерию в своих лабораториях.
Помимо желания узнать, как развивались события вскоре после Большого Взрыва и куда подевалась вся антиматерия, исследователям просто интересно сталкивать между собой частицы и античастицы. Дело в том, что при их аннигиляции не только выделяется энергия, но также происходит образование некоторых новых частиц (так как масса и энергия неразрывно связаны между собой через уже упоминавшееся уравнение Эйнштейна). Физики очень любят изучать новые частицы, и их любопытству мы обязаны строительством ускорителей, в которых частицы сталкиваются друг с другом на огромной скорости. Будем надеяться, что кризис не помешает ремонту самого большого из них, и у физиков вновь появится их любимая игрушка.