Kā mēnesī lidot uz Marsu? Lai to izdarītu, jums jādod labs stimuls kosmosa kuģim. Diemžēl labākā cilvēkam pieejamā degviela - kodoldegviela dod īpašu impulsu 3000 sekundes, un lidojums ilgst daudzus mēnešus. Vai pie rokas nav kaut kas enerģiskāks? Teorētiski pastāv: kodolsintēze; tas nodrošina simtiem tūkstošu sekunžu impulsu, un antimateriāla lietošana sniegs miljonu sekunžu impulsu.
Antimatērijas kodoli ir veidoti no antinukleoniem, un ārējais apvalks sastāv no pozitroniem. Sakarā ar spēcīgās mijiedarbības invarianci attiecībā uz lādēšanas konjugāciju (C-invariance), antinukaliem ir tāds pats masas un enerģijas spektrs kā kodoliem, kas sastāv no atbilstošajiem nukleoniem, un antimateriāla un vielas atomiem jābūt identiskām struktūrām un ķīmiskajām īpašībām, ar vienu atsevišķu HO, objekta sadursmi, kas sastāv no matērijas, ar antimateriāla priekšmetu, noved pie to sastāvā esošo daļiņu un antidaļiņu iznīcināšanas.
Lēnu elektronu un pozitronu iznīcināšana noved pie gamma kvantu veidošanās, un lēno nukleonu un antinukleonu iznīcināšana noved pie vairāku pi-mezonu veidošanās. Turpmāko mezonu sabrukšanas rezultātā veidojas cietais gamma starojums ar gamma kvantu enerģiju vairāk nekā 70 MeV.
Pretelektronus (pozitronus) paredzēja P. Diraks, un pēc tam eksperimentāli tos atklāja “dušās” P. Andersons, kurš tolaik pat nezināja par Diraka pareģojumiem. Šis atklājums tika piešķirts Nobela prēmijā fizikā 1936. gadā. Antiprotons tika atklāts 1955. gadā Bevatronā Berklijā, kur arī tika piešķirta Nobela prēmija. 1960. gadā tur tika atklāts antineutrons. Pēc Serpukhova paātrinātāja nodošanas ekspluatācijā arī mūsu fiziķiem dažos veidos izdevās tikt uz priekšu - 1969. gadā tur tika atklāti antihēlija kodoli. Bet antimatērijas atomus nevarēja iegūt. Atklāti sakot, visā akseleratoru pastāvēšanas laikā antidaļiņas ir saņēmušas nenozīmīgu daudzumu - visiem CERN gadā sintezētajiem antiprotoniem pietiks, lai vairākas sekundes darbinātu vienu elektrisko spuldzi.
Pirmais vēstījums par deviņu antimatērijas - antihidrogēna atomu sintēzi ATRAP projekta (CERN) ietvaros parādījās 1995. gadā. Apmēram 40 ns pastāvējot, šie vienīgie atomi nomira, atbrīvojot noteikto starojuma daudzumu (kas tika reģistrēts). Mērķi bija skaidri un pamatoti centieni, uzdevumi tika noteikti, un 1997. gadā netālu no Ženēvas, pateicoties starptautiskai finansiālai palīdzībai, CERN sāka atdalītāja izveidi (netulkosim to ar “inhibitora” disonējošo ekvivalentu), kas ļāva palēnināt (“atdzist”) antiprotonus atpakaļ desmit miljonus reižu, salīdzinot ar 1995. gada instalāciju. Šī ierīce ar nosaukumu Antiproton Moderator (AD) sāka darbu 2002. gada februārī.
Pēc tam, kad antiprotoni atstāj palēnināšanās gredzenu, tas sastāv no četrām galvenajām daļām: slazds antiprotonu ieslodzīšanai, pozitronu uzkrāšanas gredzens, sajaukšanas slazds un antihidrogēna detektors. Antiprotonu plūsmu vispirms palēnina mikroviļņu starojums, pēc tam atdzesē siltuma apmaiņas rezultātā ar zemas enerģijas elektronu plūsmu, pēc tam tas nonāk slazdā - maisītājā, kur tas ir 15 K. temperatūrā. Pozitronu glabāšanas ierīce secīgi palēnina, uztver un uzkrāj pozitronus no radioaktīva avota; apmēram puse no tiem nonāk sajaukšanas slazdos, kur tos papildus atdzesē ar sinhrotrona starojumu. Tas viss ir nepieciešams, lai ievērojami palielinātu antiūdeņraža atomu veidošanās varbūtību.
Antiproton moderatorā sākās sīva konkurence starp divām zinātnieku grupām, ATHENA eksperimentu dalībniekiem (39 zinātnieki no dažādām pasaules valstīm) un ATRAP.
Žurnālā Nature 2002, 419. sējums, 439. lpp., Turpat 456. lpp.), Kas publicēts 2002. gada 3. oktobrī, ATHENA eksperiments apgalvoja, ka viņiem ir izdevies iegūt 50 000 antimatērijas atomu - antiūdeņradi. Antimatērijas atomu klātbūtne tika reģistrēta to iznīcināšanas laikā, par ko liecināja divu cieto kvantu pēdu krustojums vienā punktā, kas izveidojās elektronu-pozitronu iznīcināšanas laikā, un pionu pēdas, kas radušās, iznīcinot antiprotonu un protonu. Tika iegūts pirmais antimateriāla "portrets" (foto sākumā) - no šādiem punktiem sintezēts datora attēls. Tā kā tika iznīcināti tikai tie atomi, kas "izslīdēja" no slazdiem (un ticami saskaitīja tikai 130), deklarētie 50 000 antiūdeņraža atomu rada tikai neredzamu "portreta" fonu.
Reklāmas video:
Problēma ir tā, ka antiūdeņraža iznīcināšana tika reģistrēta uz vispārēju, spēcīgāku pozitronu un antiprotonu iznīcināšanas fona. Tas, protams, izraisīja veselīgu skepsi kolēģu starpā no blakus esošā konkurējošā projekta ATRAP. Viņi, savukārt, sintezējuši antiūdeņradi tajā pašā objektā, spēja reģistrēt antiūdeņraža atomus ar sarežģītu magnētisko slazdu palīdzību bez fona signāla. Eksperimentā izveidotie antiūdeņraža atomi kļuva elektriski neitrāli un atšķirībā no pozitroniem un antiprotoniem varēja brīvi iziet no apgabala, kurā tika ierobežotas lādētās daļiņas. Viņi bija reģistrēti tur, bez fona.
Tiek lēsts, ka slazdā izveidojās aptuveni 170 000 antiūdeņraža atomu, par ko pētnieki ziņoja rakstā, kas publicēts žurnālā Physical Review Letters.
Un tas jau ir panākums. Tagad saņemtais antiūdeņraža daudzums var būt pietiekams, lai izpētītu tā īpašības. Piemēram, antiūdeņraža atomiem tiek ierosināts izmērīt 1s-2s elektroniskās pārejas frekvenci (no pamata stāvokļa uz pirmo ierosināto stāvokli) ar augstas izšķirtspējas lāzera spektroskopijas metodēm. (Šīs pārejas frekvence ūdeņradī ir zināma ar precizitāti 1,8 · 10–14 - ne velti ūdeņraža masieris tiek uzskatīts par frekvences standartu.) Saskaņā ar teoriju tiem vajadzētu būt tādiem pašiem kā parastajam ūdeņradim. Ja, piemēram, absorbcijas spektrs izrādās atšķirīgs, tad jums būs jāveic pielāgojumi mūsdienu fizikas pamatos.
Bet interese par antimatēriju - antimatērija nekādā ziņā nav tīri teorētiska. Antimatērijas motors var darboties, piemēram, šādi. Vispirms tiek izveidoti divi vairāku triljonu antiprotonu mākoņi, kurus elektromagnētiskie slazdi neļauj pieskarties matērijai. Tad starp tām tiek iesmidzināta 42 nanogramu degvielas daļiņa. Tā ir urāna-238 kapsula, kas satur deitērija un hēlija-3 maisījumu vai deitēriju un tritiju.
Antiprotoni uzreiz iznīcina urāna kodolus un liek tiem sadalīties fragmentos. Šie fragmenti kopā ar iegūtajiem gamma kvantiem tik ļoti uzsilda kapsulas iekšpusi, ka tur sākas kodolreakcija. Tā izstrādājumus, kuriem ir milzīga enerģija, vēl vairāk paātrina magnētiskais lauks un tie izlido caur motora sprauslu, nodrošinot kosmosa kuģim nedzirdētu vilci.
Runājot par lidojumu uz Marsu vienā mēnesī, amerikāņu fiziķi iesaka tam izmantot citu tehnoloģiju - kodola skaldīšanu, ko katalizē antiprotoni. Tad visam lidojumam būs nepieciešami 140 nanogrammi antiprotonu, neskaitot radioaktīvo degvielu.
Jauni mērījumi, kas veikti Stenfordas pētniecības centrā (Kalifornijā), kur ir uzstādīts lineārais daļiņu paātrinātājs, ļāva zinātniekiem gūt panākumus, atbildot uz jautājumu, kāpēc matērija Visumā dominē pār antimatēriju.
Eksperimenta rezultāti apstiprina iepriekšējos pieņēmumus par šo pretējo entitāšu nelīdzsvarotības attīstību. Tomēr zinātnieki saka, ka veiktie pētījumi ir uzdevuši vairāk jautājumu nekā atbilžu: eksperimenti ar paātrinātāju nevar sniegt pilnīgu izskaidrojumu, kāpēc kosmosā ir tik daudz matērijas - miljardiem galaktiku, kas piepildītas ar zvaigznēm un planētām.
Zinātnieki, kas strādā ar akseleratoru, izmērīja parametru, kas pazīstams kā divu beta sinusu (0,74 plus vai mīnus 0,07). Šis rādītājs atspoguļo asimetrijas pakāpi starp matēriju un antimateriālu.
Lielā sprādziena rezultātā vajadzēja veidoties vienādam matērijas un antimateriāla daudzumam, kas pēc tam iznīcināja un nepalika nekas cits kā enerģija. Tomēr Visums, kuru mēs novērojam, ir neapstrīdami pierādījumi matērijas uzvarai pār antimateriālu.
Lai saprastu, kā tas varētu notikt, fiziķi apskatīja efektu, ko sauc par lādiņu vienlīdzības pārkāpumu. Lai novērotu šo efektu, zinātnieki izpētīja B-mezonus un anti-B-mezonus, daļiņas ar ļoti īsu dzīves ilgumu - triljoniem sekundes.
Šo absolūti pretējo daļiņu izturēšanās atšķirības parāda atšķirības starp matēriju un antimatēriju un daļēji izskaidro, kāpēc viena prevalē pār otru. Miljoniem B-mezonu un anti-B-mezonu, kas nepieciešami eksperimentam, tika izveidoti sadursmju rezultātā elektronu un pozitronu staru kūļa paātrinātājā. Pirmie rezultāti, kas iegūti 2001. gadā, skaidri parāda B-mezonu maksas vienlīdzības pārkāpumu.
"Tas bija svarīgs atklājums, taču joprojām ir jāapkopo daudz datu, lai apstiprinātu divu beta sinusu kā galveno konstantu kvantu fizikā," sacīja Stjuarts Smits no Prinstonas universitātes. "Jaunie rezultāti tika paziņoti pēc trīs gadu intensīvas 88 miljonu notikumu izpētes un analīzes."
Jaunie mērījumi atbilst tā dēvētajam "standarta modelim", kas apraksta elementārdaļiņas un to mijiedarbību. Apstiprināts lādiņu vienlīdzības pārkāpuma līmenis pats par sevi nav pietiekams, lai izskaidrotu matērijas un antimateriāla nelīdzsvarotību Visumā.
“Acīmredzot, papildus lādiņu nevienādībai, notika kaut kas cits, kas izraisīja, ka matērija pārsvarā pārvēršas par zvaigznēm, planētām un dzīviem organismiem,” komentēja Merilendas Universitātes darbinieks Hasans Jawaherijs. “Nākotnē mēs, iespējams, varēsim saprast šie slēptie procesi un atbild uz jautājumu par to, kas noveda Visumu pašreizējā stāvoklī, un tas būs visaizraujošākais atklājums."