В современной физике антивещество определяется как материя , состоящая из античастиц (или «партнеров») соответствующих частиц в «обычной» материи, и ее можно рассматривать как материю с обратным зарядом, четностью и временем, известную как обращение CPT . Антиматерия возникает в естественных процессах, таких как столкновения космических лучей и некоторые виды радиоактивного распада , но лишь небольшая часть из них успешно соединилась в экспериментах с образованием антиатомов. Небольшое количество античастиц можно генерировать на ускорителях частиц ; однако общее искусственное производство составило всего несколько нанограммов . [1] Никакое макроскопическое количество антиматерии никогда не было собрано из-за чрезвычайной стоимости и сложности производства и обращения. Тем не менее, антивещество является важным компонентом широко доступных приложений, связанных с бета-распадом , таких как позитронно-эмиссионная томография , лучевая терапия и промышленная визуализация.
Теоретически частица и ее античастица (например, протон и антипротон ) имеют одинаковую массу , но противоположный электрический заряд и другие различия в квантовых числах .
Столкновение любой частицы и ее партнера-античастицы приводит к их взаимной аннигиляции , вызывая появление различных пропорций интенсивных фотонов ( гамма-лучей ), нейтрино , а иногда и менее массивных пар частица-античастица. Большая часть полной энергии аннигиляции возникает в виде ионизирующего излучения . Если присутствует окружающее вещество, энергетическое содержание этого излучения будет поглощено и преобразовано в другие формы энергии, такие как тепло или свет. Количество выделяемой энергии обычно пропорционально общей массе столкнувшегося вещества и антивещества, в соответствии с известным уравнением эквивалентности массы и энергии E = mc 2 . [2]
Античастицы связываются друг с другом, образуя антиматерию, точно так же, как обычные частицы связываются, образуя обычную материю. Например, позитрон (античастица электрона ) и антипротон (античастица протона) могут образовывать атом антиводорода . Ядра антигелия были созданы искусственно, хотя и с трудом, и являются наиболее сложными антиядрами, наблюдавшимися до сих пор . [3] Физические принципы указывают на то, что возможны сложные атомные ядра антивещества, а также антиатомы, соответствующие известным химическим элементам.
Имеются убедительные доказательства того, что наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из обычной материи, а не из равной смеси материи и антиматерии. [4] Эта асимметрия материи и антиматерии в видимой Вселенной является одной из величайших нерешённых проблем физики . [5] Процесс, посредством которого возникло это неравенство между частицами материи и антиматерии, называется бариогенезом .
Частицы антивещества несут тот же заряд, что и частицы материи, но противоположного знака. То есть антипротон заряжен отрицательно, а антиэлектрон ( позитрон ) заряжен положительно. Нейтроны не несут суммарного заряда, но составляющие его кварки имеют. Протоны и нейтроны имеют барионное число +1, а антипротоны и антинейтроны имеют барионное число –1. Точно так же лептонное число электронов равно +1, а у позитронов – –1. Когда частица и соответствующая ей античастица сталкиваются, они обе преобразуются в энергию. [6] [7] [8]
Французский термин contraterrene привел к инициализму «CT» и научно-фантастическому термину « seetee » , [9] который используется в таких романах, как Seetee Ship . [10]
Идея негативной материи появляется в прошлых теориях материи, от которых сейчас отказались. Используя некогда популярную вихревую теорию гравитации , возможность существования материи с отрицательной гравитацией обсуждалась Уильямом Хиксом в 1880-х годах. Между 1880-ми и 1890-ми годами Карл Пирсон предположил существование «брызгов» [11] и стоков потока эфира . Брызги представляли собой нормальную материю, а раковины — отрицательную материю. Теория Пирсона требовала четвертого измерения, из которого и в который мог течь эфир. [12]
Термин «антиматерия» впервые был использован Артуром Шустером в двух довольно причудливых письмах в журнал Nature в 1898 году [13] , в которых он ввёл этот термин. Он выдвинул гипотезу об антиатомах, а также о целых солнечных системах из антивещества и обсудил возможность аннигиляции материи и антивещества друг друга. Идеи Шустера не были серьезным теоретическим предложением, а всего лишь предположением, и, как и предыдущие идеи, отличались от современной концепции антивещества тем, что обладали отрицательной гравитацией . [14]
Современная теория антивещества началась в 1928 году со статьи Поля Дирака [15] . Дирак понял, что его релятивистская версия волнового уравнения Шредингера для электронов предсказала возможность существования антиэлектронов . Хотя Дирак заложил основу существования этих «антиэлектронов», он поначалу не смог уловить следствия, содержащиеся в его собственном уравнении. Он охотно отдал должное за это открытие Дж. Роберту Оппенгеймеру , чья основополагающая статья «О теории электронов и протонов» (14 февраля 1930 г.) опиралась на уравнение Дирака и приводила доводы в пользу существования положительно заряженного электрона (позитрона). который как аналог электрона должен иметь ту же массу, что и сам электрон. Это означало, что это не мог быть протон, как предполагал Дирак. Дирак далее постулировал существование антиматерии в статье 1931 года, в которой позитрон назывался «антиэлектроном». [16] [17] Они были открыты Карлом Д. Андерсоном в 1932 году и названы позитронами от «положительного электрона». Хотя сам Дирак не использовал термин «антиматерия», его использование естественным образом вытекает из антиэлектронов, антипротонов и т. д. [18] Полная периодическая таблица антивещества была предложена Шарлем Жане в 1929 году . [19]
Интерпретация Фейнмана -Штюкельберга утверждает, что антивещество и античастицы ведут себя точно так же, как обычные частицы, но путешествуют назад во времени. [20] Эта концепция сегодня используется в современной физике элементарных частиц, в диаграммах Фейнмана . [21]
Один из способов обозначить античастицу — добавить черту над символом частицы. Например, протон и антипротон обозначаются как
п
и
п
, соответственно. То же правило применимо, если рассматривать частицу по ее составляющим компонентам. Протон состоит из ты ты д кварки , поэтому антипротон должен образоваться изты ты д антикварки . Другое соглашение состоит в том, чтобы различать частицы по положительному и отрицательному электрическому заряду . Таким образом, электрон и позитрон обозначаются просто как
е−
и
е+
соответственно. Однако во избежание путаницы эти две конвенции никогда не смешивают.
Нет никакой разницы в гравитационном поведении материи и антиматерии. Другими словами, при падении антиматерия падает вниз, а не вверх. Это было подтверждено тонким, очень холодным газом из тысяч атомов антиводорода , которые были заключены в вертикальную шахту, окруженную сверхпроводящими электромагнитными катушками. Они могут создать магнитную бутылку , предотвращающую контакт антиматерии с материей и ее аннигиляцию. Затем исследователи постепенно ослабили магнитные поля и обнаружили антиатомы с помощью двух датчиков, когда они ускользали и аннигилировали. Большая часть антиатомов вышла из нижнего отверстия и только четверть — из верхнего. [22]
Существуют убедительные теоретические основания полагать, что, помимо того факта, что античастицы имеют разные знаки всех зарядов (например, электрических и барионных зарядов), материя и антиматерия обладают совершенно одинаковыми свойствами. [23] [24] Это означает, что частица и соответствующая ей античастица должны иметь одинаковую массу и время жизни распада (если они нестабильны). Это также означает, что, например, звезда, состоящая из антивещества («антизвезда»), будет сиять так же, как обычная звезда. [25] Эта идея была экспериментально проверена в 2016 году в эксперименте АЛЬФА , в котором измерялся переход между двумя состояниями с самой низкой энергией антиводорода . Результаты, идентичные результатам для водорода, подтвердили справедливость квантовой механики для антивещества. [26] [27]
Большая часть материи, наблюдаемой с Земли, похоже, состоит из материи, а не из антиматерии. Если бы существовали области пространства с преобладанием антиматерии, можно было бы обнаружить гамма-лучи, образующиеся в реакциях аннигиляции вдоль границы между областями материи и антиматерии. [28]
Античастицы создаются повсюду во Вселенной , где происходят столкновения частиц высоких энергий. Космические лучи высокой энергии, поражающие атмосферу Земли (или любую другую материю в Солнечной системе ), производят ничтожное количество античастиц в образующихся струях частиц , которые немедленно аннигилируют при контакте с близлежащей материей. Они также могут производиться в таких регионах, как центр Млечного Пути и других галактик, где происходят очень энергичные небесные события (главным образом, взаимодействие релятивистских струй с межзвездной средой ). Присутствие образовавшейся антиматерии можно обнаружить по двум гамма-лучам, которые возникают каждый раз, когда позитроны аннигилируют с близлежащей материей. Частота и длина волны гамма-лучей указывают на то, что каждое из них несет энергию 511 кэВ (то есть массу покоя электрона, умноженную на c 2 ).
Наблюдения спутника INTEGRAL Европейского космического агентства могут объяснить происхождение гигантского облака антивещества, окружающего Галактический центр. Наблюдения показывают, что облако асимметрично и соответствует структуре рентгеновских двойных систем (двойных звездных систем, содержащих черные дыры или нейтронные звезды), в основном на одной стороне Галактического центра. Хотя механизм не до конца понятен, он, вероятно, включает в себя образование электрон-позитронных пар, поскольку обычное вещество получает кинетическую энергию при падении на остаток звезды . [29] [30]
Антиматерия может существовать в относительно больших количествах в далеких галактиках из-за космической инфляции в первобытные времена Вселенной. Ожидается, что галактики из антивещества, если они существуют, будут иметь тот же химический состав, спектры поглощения и излучения , что и галактики из обычной материи, а их астрономические объекты будут идентичны с точки зрения наблюдений, что затрудняет их различение. [31] НАСА пытается определить, существуют ли такие галактики, ища рентгеновские и гамма-лучи, свидетельствующие о событиях аннигиляции в сталкивающихся сверхскоплениях . [32]
В октябре 2017 года ученые, работающие над экспериментом BASE в ЦЕРН , сообщили об измерении магнитного момента антипротона с точностью 1,5 частей на миллиард. [33] [34] Это согласуется с наиболее точными измерениями магнитного момента протона (также выполненными BASE в 2014 году), что подтверждает гипотезу CPT-симметрии . Это измерение представляет собой первый случай, когда свойство антивещества известно более точно, чем эквивалентное свойство материи.
Квантовая интерферометрия антиматерии была впервые продемонстрирована в 2018 году в Лаборатории позитронов (L-NESS) Рафаэля Феррагута в Комо ( Италия ) группой под руководством Марко Джаммарки. [35]
Позитроны естественным образом образуются при β + -распадах встречающихся в природе радиоактивных изотопов (например, калия-40 ) и при взаимодействии гамма-квантов (испускаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино — это еще один вид античастиц, созданных в результате естественной радиоактивности (β - распад). Многие различные виды античастиц также производятся космическими лучами (и содержатся в них) . В январе 2011 года исследования Американского астрономического общества обнаружили антивещество (позитроны), возникающее над грозовыми облаками; Позитроны производятся в земных вспышках гамма-излучения, создаваемых электронами, ускоренными сильными электрическими полями в облаках. [36] [37] С помощью модуля ПАМЕЛА также было обнаружено существование антипротонов в поясах Ван Аллена вокруг Земли . [38] [39]
Античастицы также образуются в любой среде с достаточно высокой температурой (средняя энергия частиц превышает порог образования пар ). Предполагается, что в период бариогенеза, когда Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, материя и антиматерия постоянно создавались и уничтожались. Наличие оставшейся материи и отсутствие обнаруживаемой оставшейся антиматерии [40] называется барионной асимметрией . Точный механизм, вызывающий эту асимметрию во время бариогенеза, остается нерешенной проблемой. Одним из необходимых условий этой асимметрии является нарушение CP-симметрии , экспериментально наблюдаемое в слабом взаимодействии .
Недавние наблюдения показывают, что черные дыры и нейтронные звезды производят огромное количество позитронно-электронной плазмы через струи. [41] [42]
Спутниковые эксперименты обнаружили доказательства присутствия позитронов и нескольких антипротонов в первичных космических лучах, составляющих менее 1% частиц в первичных космических лучах. Эта антиматерия не могла быть полностью создана в результате Большого взрыва, вместо этого считается, что она возникла в результате циклических процессов при высоких энергиях. Например, электрон-позитронные пары могут образовываться в пульсарах , когда цикл вращения намагниченной нейтронной звезды отрывает электрон-позитронные пары от поверхности звезды. Там антиматерия образует ветер, который обрушивается на выбросы прародителей сверхновых. Это выветривание происходит, когда «холодный, намагниченный релятивистский ветер, запускаемый звездой, сталкивается с нерелятивистски расширяющимся выбросом, при ударе образуется система ударных волн: внешняя распространяется в выбросе, а обратная ударная волна распространяется обратно к звезде». ." [43] Первый выброс вещества во внешней ударной волне и второй — производство антивещества в обратной ударной волне — это этапы цикла космической погоды.
Предварительные результаты действующего в настоящее время альфа-магнитного спектрометра ( AMS-02 ) на борту Международной космической станции показывают, что позитроны в космических лучах прибывают без направленности и с энергиями в диапазоне от 10 ГэВ до 250 ГэВ. В сентябре 2014 года новые результаты с почти вдвое большим объемом данных были представлены на докладе в ЦЕРН и опубликованы в журнале Physical Review Letters. [44] [45] Сообщалось о новом измерении доли позитронов до 500 ГэВ, которое показало, что доля позитронов достигает пика максимум примерно в 16% от общего количества электрон-позитронных событий, около энергии 275 ± 32 ГэВ. При более высоких энергиях, до 500 ГэВ, соотношение позитронов и электронов снова начинает падать. Абсолютный поток позитронов также начинает падать до 500 ГэВ, но достигает максимума при энергиях, намного превышающих энергии электронов, которые достигают максимума около 10 ГэВ. [46] Предполагается, что эти результаты интерпретации связаны с рождением позитронов в событиях аннигиляции массивных частиц темной материи . [47]
Антипротоны космических лучей также имеют гораздо более высокую энергию, чем их аналоги из обычной материи (протоны). Они прибывают на Землю с характерным максимумом энергии 2 ГэВ, что указывает на то, что их образование происходит в принципиально ином процессе, чем протоны космических лучей, которые в среднем имеют лишь одну шестую энергии. [48]
В космических лучах продолжаются поиски более крупных ядер антивещества, таких как ядра антигелия (то есть анти-альфа-частицы). Обнаружение природного антигелия может означать существование крупных структур антивещества, таких как антизвезда. Прототип AMS-02 , получивший обозначение AMS-01 , был отправлен в космос на борту космического корабля " Дискавери" на STS-91 в июне 1998 года. Не обнаружив никакого антигелия вообще, AMS -01 установил верхний предел 1,1×10 — 6 для отношения потоков антигелия к гелию . [49] В декабре 2016 года AMS-02 сообщил, что обнаружил несколько сигналов, соответствующих ядрам антигелия, среди нескольких миллиардов ядер гелия. Результат еще предстоит проверить, и в настоящее время команда пытается исключить заражение. [50]
В ноябре 2008 г. сообщалось [51], что позитроны были получены Ливерморской национальной лабораторией Лоуренса в большем количестве, чем при любом предыдущем синтетическом процессе. Лазер прогонял электроны через ядра золотой мишени , в результате чего входящие электроны испускали кванты энергии , которые распадались как на материю , так и на антиматерию. Позитроны обнаруживались с большей скоростью и в большей плотности, чем когда-либо ранее обнаруженные в лаборатории. В предыдущих экспериментах было получено меньшее количество позитронов с использованием лазеров и мишеней толщиной с бумагу; новые модели показали, что короткие вспышки сверхмощных лазеров и золото толщиной в миллиметр являются гораздо более эффективным источником. [52]
Существование антипротона было экспериментально подтверждено в 1955 году физиками Калифорнийского университета в Беркли Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом , за что они были удостоены Нобелевской премии по физике 1959 года . [53] Антипротон состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка ( тытыд). Все измеренные свойства антипротона соответствуют соответствующим свойствам протона, за исключением того, что антипротон имеет противоположный электрический заряд и магнитный момент по сравнению с протоном. Вскоре после этого, в 1956 году, антинейтрон был открыт в результате протон-протонных столкновений в Беватроне ( Национальная лаборатория Лоуренса Беркли ) Брюсом Корком и его коллегами. [54]
Помимо антибарионов созданы антиядра, состоящие из многократно связанных антипротонов и антинейтронов. Обычно они производятся при энергиях, слишком высоких для образования атомов антивещества (со связанными позитронами вместо электронов). В 1965 году группа исследователей под руководством Антонино Зичичи сообщила о производстве ядер антидейтерия на протонном синхротроне в ЦЕРНе . [55] Примерно в то же время о наблюдениях ядер антидейтерия сообщила группа американских физиков на синхротроне переменного градиента в Брукхейвенской национальной лаборатории . [56]
В 1995 году ЦЕРН объявил, что он успешно создал девять горячих атомов антиводорода, реализовав концепцию SLAC / Fermilab во время эксперимента PS210 . Эксперимент проводился с использованием низкоэнергетического антипротонного кольца (LEAR) под руководством Уолтера Олерта и Марио Макри. [57] Фермилаб вскоре подтвердила выводы ЦЕРН, произведя на своих предприятиях около 100 атомов антиводорода. Атомы антиводорода, созданные в ходе PS210 и последующих экспериментов (как в ЦЕРН, так и в Фермилабе), были чрезвычайно энергичными и не очень подходили для изучения. Чтобы решить это препятствие и лучше понять антиводород, в конце 1990-х годов были созданы два коллаборации, а именно ATHENA и ATRAP .
В 1999 году ЦЕРН активировал Antiproton Decelerator — устройство, способное замедлять антипротоны изот 3,5 ГэВ до5,3 МэВ – все еще слишком «горячо», чтобы производить эффективный для исследования антиводород, но это огромный шаг вперед. В конце 2002 года проект ATHENA объявил, что создал первый в мире «холодный» антиводород. [58] Вскоре после этого проект ATRAP опубликовал аналогичные результаты. [59] Антипротоны, использованные в этих экспериментах, охлаждались путем их замедления с помощью антипротонного замедлителя, пропускания через тонкий лист фольги и, наконец, захвата в ловушку Пеннинга-Мальмберга . [60] В целом процесс охлаждения работоспособен, но крайне неэффективен; примерно 25 миллионов антипротонов покидают антипротонный замедлитель и примерно 25 000 попадают в ловушку Пеннинга-Мальмберга, что составляет около1/1000или 0,1% от первоначальной суммы.
Антипротоны в первоначальной ловушке все еще горячие. Для дальнейшего охлаждения их смешивают с электронной плазмой. Электроны в этой плазме охлаждаются посредством циклотронного излучения, а затем симпатически охлаждают антипротоны посредством кулоновских столкновений. В конце концов, электроны удаляются под действием кратковременных электрических полей, в результате чего антипротоны остаются с энергией менее100 мэВ . [61] Пока антипротоны охлаждаются в первой ловушке, небольшое облако позитронов захватывается из радиоактивного натрия в позитронном аккумуляторе типа Сурко. [62] Это облако затем вновь захватывается во вторую ловушку вблизи антипротонов. Манипуляции с электродами-ловушками затем направляют антипротоны в позитронную плазму, где некоторые из них соединяются с антипротонами, образуя антиводород. На этот нейтральный антиводород не влияют электрические и магнитные поля, используемые для захвата заряженных позитронов и антипротонов, и в течение нескольких микросекунд антиводород попадает на стенки ловушки, где аннигилирует. Таким способом было создано несколько сотен миллионов атомов антиводорода.
В 2005 году ATHENA распалась, и некоторые из бывших участников (вместе с другими) сформировали Коллаборацию ALPHA , которая также базируется в ЦЕРНе. Конечная цель этой работы — проверить симметрию CPT путем сравнения атомных спектров водорода и антиводорода (см. Спектральный ряд водорода ). [63]
Большинство востребованных высокоточных испытаний свойств антиводорода можно было выполнить только в том случае, если антиводород был захвачен, то есть удерживался на месте в течение относительно длительного времени. Хотя атомы антиводорода электрически нейтральны, спины составляющих их частиц создают магнитный момент . Эти магнитные моменты могут взаимодействовать с неоднородным магнитным полем; некоторые атомы антиводорода могут быть притянуты к магнитному минимуму. Такой минимум может быть создан комбинацией зеркального и мультипольного полей. [64] Антиводород можно захватить в такую ловушку с магнитным минимумом (минимум-B); В ноябре 2010 года коллаборация АЛЬФА объявила, что им удалось поймать таким образом 38 атомов антиводорода примерно за шестую долю секунды. [65] [66] Это был первый случай, когда нейтральная антиматерия была поймана в ловушку.
26 апреля 2011 года АЛЬФА объявила, что им удалось захватить 309 атомов антиводорода, некоторые из которых находились на протяжении 1000 секунд (около 17 минут). Это было дольше, чем нейтральная антиматерия когда-либо ранее задерживалась. [67] АЛЬФА использовала эти захваченные атомы, чтобы начать исследование спектральных свойств антиводорода. [68]
В 2016 году был построен новый антипротонный замедлитель и охладитель ЕЛЕНА (Extra Low Energy Antiproton decelerator). Он забирает антипротоны из антипротонного замедлителя и охлаждает их до 90 кэВ, что достаточно «холодно» для изучения. Эта машина работает, используя высокую энергию и ускоряя частицы внутри камеры. В секунду можно захватывать более ста антипротонов, что является огромным улучшением, но для создания нанограмма антиматерии все равно потребуется несколько тысяч лет .
Самым большим ограничивающим фактором в крупномасштабном производстве антиматерии является доступность антипротонов. В последних данных, опубликованных ЦЕРН, говорится, что при полной эксплуатации их установки способны производить десять миллионов антипротонов в минуту. [69] Если предположить 100%-ное превращение антипротонов в антиводород, то для производства 1 грамма или 1 моля антиводорода потребуется 100 миллиардов лет (приблизительно6,02 × 10 23 атома антиводорода). Однако ЦЕРН производит только 1% антиматерии, которую производит Фермилаб, и ни одна из них не предназначена для производства антиматерии. По словам Джеральда Джексона, используя уже используемые сегодня технологии, мы способны производить и улавливать 20 граммов частиц антивещества в год при ежегодных затратах в 670 миллионов долларов на установку. [ нужна цитата ]
Ядра антигелия-3 (3
Он
) были впервые обнаружены в 1970-х годах в экспериментах по столкновению протонов с ядром в Институте физики высоких энергий группой Ю. Прокошкина (Подмосковное Протвино, СССР) [70] и позднее созданы в экспериментах по столкновению ядра с ядром. [71] Ядро-ядерные столкновения производят антиядра в результате слияния антипротонов и антинейтронов, образующихся в этих реакциях. В 2011 году детектор STAR сообщил о наблюдении искусственно созданных ядер антигелия-4 (анти-альфа-частиц) (4
Он
) от таких столкновений. [72]
По состоянию на 2021 год Альфа -магнитный спектрометр на Международной космической станции зарегистрировал восемь событий, которые, по-видимому, указывают на обнаружение антигелия-3. [73] [74]
Антиматерию нельзя хранить в контейнере из обычной материи, потому что антиматерия реагирует с любой материей, к которой прикасается, уничтожая себя и такое же количество контейнера. Антиматерия в виде заряженных частиц может удерживаться с помощью комбинации электрического и магнитного полей в устройстве, называемом ловушкой Пеннинга . Однако это устройство не может содержать антиматерию, состоящую из незаряженных частиц, для чего используются атомные ловушки . В частности, такая ловушка может использовать дипольный момент ( электрический или магнитный ) захваченных частиц. В высоком вакууме частицы материи или антиматерии могут быть пойманы и охлаждены слегка нерезонансным лазерным излучением с использованием магнитооптической ловушки или магнитной ловушки . Мелкие частицы также можно суспендировать с помощью оптического пинцета , используя высокосфокусированный лазерный луч. [75]
В 2011 году ученым ЦЕРН удалось сохранить антиводород примерно 17 минут. [76] Рекорд по хранению античастиц на данный момент принадлежит эксперименту TRAP в ЦЕРНе: антипротоны хранились в ловушке Пеннинга 405 дней. [77] В 2018 году было сделано предложение разработать достаточно продвинутую технологию сдерживания, чтобы удержать миллиард антипротонов в портативном устройстве, которое можно будет отправить в другую лабораторию для дальнейших экспериментов. [78]
Ученые утверждают, что антиматерия — самый дорогой материал в производстве. [79] В 2006 году Джеральд Смит подсчитал, что за 250 миллионов долларов можно произвести 10 миллиграммов позитронов [80] (что эквивалентно 25 миллиардам долларов за грамм); в 1999 году НАСА назвало цифру в 62,5 триллиона долларов за грамм антиводорода. [79] Это связано с тем, что производство затруднено (в реакциях в ускорителях частиц образуется лишь очень мало антипротонов), а также потому, что существует более высокий спрос на другие виды использования ускорителей частиц . По данным ЦЕРН, производство около 1 миллиардной грамма (количество, используемое до сих пор для столкновений частиц и античастиц) стоило несколько сотен миллионов швейцарских франков . [81] Для сравнения, стоимость Манхэттенского проекта по созданию первого атомного оружия оценивалась в 23 миллиарда долларов с учетом инфляции в 2007 году. [82]
Несколько исследований, финансируемых Институтом передовых концепций НАСА, изучают возможность использования магнитных совков для сбора антивещества, которое естественным образом встречается в поясе Ван Аллена на Земле и, в конечном итоге, в поясах газовых гигантов, таких как Юпитер , в идеале на более низкая стоимость за грамм. [83]
Реакции между веществом и антивеществом находят практическое применение в медицинской визуализации, например, в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). При положительном бета-распаде нуклид теряет избыточный положительный заряд, испуская позитрон (в этом же случае протон становится нейтроном, а также испускается нейтрино ). Нуклиды с избыточным положительным зарядом легко получаются в циклотроне и широко используются в медицинских целях. В ходе лабораторных экспериментов также было показано, что антипротоны могут лечить некоторые виды рака с помощью аналогичного метода, который в настоящее время используется для ионной (протонной) терапии. [84]
Изолированная и хранящаяся антиматерия может быть использована в качестве топлива для межпланетных или межзвездных путешествий [85] как часть катализируемого антиматерией ядерного импульсного двигателя или другой ракеты на антиматерии . Поскольку плотность энергии антивещества выше, чем у обычного топлива, космический корабль, работающий на антивеществе, будет иметь более высокую удельную тягу, чем обычный космический корабль.
Если бы столкновения вещества и антивещества приводили только к испусканию фотонов , вся масса покоя частиц преобразулась бы в кинетическую энергию . Энергия единицы массы (9 × 10 16 Дж/кг ) примерно на 10 порядков превышает химическую энергию [86] и примерно на 3 порядка превышает потенциальную ядерную энергию , которую можно освободить сегодня с помощью ядерного деления (около200 МэВ на реакцию деления [87] или8 × 10 13 Дж/кг ), и примерно на 2 порядка превышают наилучшие возможные результаты, ожидаемые от термоядерного синтеза (около6,3 × 10 14 Дж/кг для протон-протонной цепочки ). Реакция1 кг антивещества с1 кг вещества произвел бы1,8 × 10 17 Дж (180 петаджоулей ) энергии (по формуле эквивалентности массы и энергии , E = mc 2 ), или грубый эквивалент 43 мегатонн тротила – немного меньше, чем мощность 27 000 кг Царь-бомбы , крупнейшей термоядерное оружие когда-либо взорвалось.
Не вся эта энергия может быть использована какой-либо реальной двигательной технологией из-за природы продуктов аннигиляции. Хотя электрон-позитронные реакции приводят к образованию фотонов гамма-излучения, их трудно направить и использовать для тяги. В реакциях между протонами и антипротонами их энергия преобразуется в основном в релятивистские нейтральные и заряженные пионы . Нейтральные пионы распадаются почти сразу (со временем жизни 85 аттосекунд ) на фотоны высокой энергии, но заряженные пионы распадаются медленнее (со временем жизни 26 наносекунд) и могут отклоняться магнитным путем для создания тяги .
Заряженные пионы в конечном итоге распадаются на комбинацию нейтрино (несущих около 22% энергии заряженных пионов) и нестабильных заряженных мюонов (несущих около 78% энергии заряженных пионов), при этом мюоны затем распадаются на комбинацию электронов и позитронов. и нейтрино (ср. распад мюона ; нейтрино в результате этого распада несут около 2/3 энергии мюонов, а это означает, что из исходных заряженных пионов общая доля их энергии, преобразованной в нейтрино тем или иным путем, будет примерно 0,22 + (2/3)⋅0,78 = 0,74 ). [88]
Антивещество рассматривалось как спусковой механизм ядерного оружия. [89] Основным препятствием является сложность производства антивещества в достаточно больших количествах, и нет никаких доказательств того, что это когда-либо будет осуществимо. [90] Тем не менее, ВВС США финансировали исследования физики антивещества во время Холодной войны и начали рассматривать возможность его использования в оружии не только в качестве спускового крючка, но и в качестве взрывчатого вещества. [91]
Сохранение материи означает сохранение барионного числа
A
и лептонного числа
L
, причем
A
и
L
являются алгебраическими числами. Положительные
A
и
L
связаны с частицами материи, отрицательные
A
и
L
связаны с частицами антивещества. Все известные взаимодействия сохраняют материю.
Частицы антиматерии характеризуются отрицательным барионным числом
A
и
/или отрицательным лептонным числом
L.
Материализация и аннигиляция подчиняются сохранению
A
и
L
(связанному со всеми известными взаимодействиями).
Антиматерия — самое дорогое вещество на Земле
«Приблизительная оценка производства 10 миллиграммов позитронов, необходимых для миссии человека на Марс, составляет около 250 миллионов долларов с использованием технологии, которая в настоящее время находится в стадии разработки», — сказал Смит.