Антиматерија

Антиматерија — материјал составен од античестички, кои имаат иста маса како субатомските честички на обична материја, но со спротивни полнежи, како и другите честични својства како што се лептонскиот број и барионскиот број и квантниот спин. Судирите меѓу честичките и античестичките доведуваат до анхилација на двете честички, што пак доведува до зголемување на варијабилните пропорции на интензивните фотони (гама-зраци), неутрина, и помалку масивните честични-античестични парови. Вкупната последица од анхилацијата е ослободувањето на енергија достапна за работа, пропорционално на вкупната маса на материјата и антиматеријата, во согласност со равенката на еднаквоста на масата и енергијата , .Smidgen of Antimatter Surrounds Earth

Античестичките се врзуваат едни со други за да формираат антиматерија, исто како обични честички кои се поврзуваат за да формираат нормална материја. На пример, позитрон (античестичка на електронот) и антипротон (античестичката на протонот) може да формираат антиводороден атом. Физичките принципи укажуваат дека сложените атоми на антиматеријата, односно атомски јадра се можни, како и антиматерија што одговара на познатите хемиски елементи. Преку изучувањата на космичките зраци се индентификувани зраци со два позитрони и антипротони, за кои се претпоставува дека се добиени од страна на судирите меѓу честичките на обичната материја. Сателитското пребарување на космичките зраци за антидеутериумски и антихелиумски честички не дало некаков разултат.

Постојат значителен број на шпекулации за тоа зошто видливиот универзум е составен речиси целосно од обична материја, односно не постои мешавина на материја и антиматерија. Оваа барионска асиметрија на материјата и антиматеријата во видливиот универзум е еден од најголемите нерешени проблеми во физиката.David Tenenbaum, David, One step closer: UW-Madison scientists help explain scarcity of anti-matter, University of Wisconsin—Madison News, December 26, 2012 Процесот со кој оваа нееднаквост помеѓу честичките и античестичките е развиена се нарекува бариогенеза.

Антиматеријата во облик на антиатом е една од најтешките антиматериии за производство. Антиматеријата во облик на посебни античестички, сепак, најчесто е произведена од страна на забрзувачите на честички и во некои видови на радиоактивно распаѓање. Јадрата на антихелиум (двата хелиум-3 и хелиум-4) вештачки се добиваат со тешкотии. Овие се најкомплексните антијадра, кои досега се збележани.

Историја на замислата

Идејата за негативна материја се користела во минатите теории за материјата кои сега се застарени. Користењето на една од популарните вртложната теорија за гравитацијата, идејата за постоење за материја со негативната гравитација била разработувана од страна на Вилијам Хикс во 1880 година. Во период од 1880-та и 1890 година, Карл Пирсон предложил постоење на „изблици“ и тонење на протокот на етерот. При изблиците станува збор за обичната материја, а при тонењето за негативна материјата. Пирсоновата теорија имала потреба од четврта димензија за етерот да тече од и во таа димензија.

Поимот антиматерија првпат бил употребен од страна на Артур Шустер во две писма со интересни идеи во списанието Nature во 1898 година,. Тој претпоставил постоење на антиатоми, како и постоење на сончеви системи составени од антиматерија, и била разработувана идеја за меѓусебното уништување на материјата и антиматеријата. Шустеровите идеи не биле сериозни теориски предлози, само шпекулации, и како и претходните идеи, биле различни од современата замисла за антиматеријата со тоа што поседува негативна гравитација.

Современата теорија за антиматеријата зпочнува во 1928 година, со трудот на Пол Дирак. Дирак согледал дека со неговата релативистичка верзија на Шредингеровата бранова равенка за електрони ја предвидел можноста за постоење на антиелектрони. Тие биле откриени од страна на Карл Дејвид Андерсон во 1932 година и биле наречени позитрони ( кованица од „позитивниот електрон“). Иако Дирак самиот не го користел поимот антиматерија, употребата следувала од именувањата како што се антиелктрони, антипротони, итн. Целосниот периоден систем на антиматеријата бил предвиден од страна на Чарлс Џенет во 1929 година.

Фајнман-Штукелберговото толкување посочува дека антиматеријата и античестичките се обични честички кои патуваат назад во времето.Canetti, L., Drewes, M., and Shaposhnikov, M. (2012). Matter and antimatter in the universe. New J. Phys. 14 (9), 095012.

Обележување Еден начин за да се означи античестичката е со додавање на црта над честичниот симбол. На пример, протонот и антипротонот се обележани како и , соодветно. Истото правило се појавува ако треба честичка да се опише преку нејзините составни компоненти. Протонот е составен од кваркови, додека пак антипротонот мора да биде оформен од антикваркови. Друг начин на запишување е да се направи разлика на честичките според нивнитот електричен набој. Така, електронот и позитронот се обележани едноставно како и соодветно. Сепак, за да не дојде до забуна, двета начини никогаш не се мешаат.

Потекло и асиметрија

Речиси целата материја видлива од Земјата, е материја отколку антиматерија. Ако антиматериските-доминантни области на вселената постојат, гама-зраците произведени при анхилацијата по должина на границата меѓу областите на материјата и антиматеријата, ќе ги прикажат овие антиматериски области.

Античестичките се создаваат насекаде во вселената каде се судираат високоенергетските честички. Високата енергија на космичките зраци влијае врз Земјината атмосфера (или на некоја друга материја во Сончевиот Систем) произведуваат мали количини на античестички во резултатните млазовите од честички, кои веднаш се поништуваат при контактот со најблиската материја. Тие можат на сличен начин да бидат создадени во области како што се галактичкото средиште на Млечниот Пат и други галаксии, каде што енергетските небесни настани се случуваат (главно, заемодејството на релативистичките млазови со меѓуѕвездената средина). Присуството на добиената антиматерија е забележано преку двата гама-зраци добиени кога позитроните се поништуваат со блиската материја. Честотата и брановата должина на гама-зраците укажуваат на тоа дека секој фотон поседува 511 keV енергија(т.е., масата во мирување на електронот се множи со c2).

Скорешните набљудувања од страна на Европскиот вселенски сателит INTEGRAL може да го објасни потеклото на џиновскиот облак на антиматерија кој го обиколкува галактичкото средиште. Набљудувањата покажуваат дека облакот е асиметричен и се совпаѓа со линиите на рендгенските двојни ѕвезди (двојните ѕвездени системи кои содржат црни дупки или неутронски ѕвезди), најчесто на едната страна на галактичкото средиште. Додека механизмот не е целосно согледан, ова би наликувало на создавањето на електрон-позитронски парови, на начин како што обичната материја се здобива со кинетичка енергија додека паѓа во компактната ѕвезда.

Антиматеријата може да постои во релативно големи количини во далечните галаксии поради космичкото наголемување во пра-времето на универзумот. Антиматериските галаксии, ако постојат, се очекува да имаат ист хемиски состав и апсорпционите и емисионите спектри како галаксиите од обична материја, и астрономските тела би биле набљудувани на сличен начин, со што се отежнува нивното разликување. НАСА се обидува да утврди дали постојат такви галаксии со барање на X-зраци и гама-зраци кои упатуваат на анхилациски настани во заемноделувачки суперјата.

Природно создавање

Позитроните се добиваат природно при β+ распаѓањето на природните радиоактивни изотопи (како на пример, калиум-40) и при заемодејствата на гама-квантите (испуштени од страна на радиоактивните јадра) во материјата. Антинеутрината се друг вид на античестички создадени од природното радиоактивно (β− распаѓање). Многу различни видови на античестички се добиваат преку космичките зраци. Во јануари 2011 година, истражувањето на Американското астрономско друштво забележале постоење на антиматерија, чие потекло е од грмотевиците во облаци; позитроните се произведени при заблескувањето на гама-зраците создадени од електроните кои се забрзани од силните електрични полиња во облаците. Пронајдени се антипротони во Ван Аленовиот појас околу Земјата од детекторот PAMELA .

Античестичките исто така се добиваат во секоја област со доволно висока температура (што значи дека енергијата на честичките е поголема од прагот на создавањето на парови ). Во периодот на бариогенезата, кога универзумот бил крајно жежок и густ, материјата и антиматеријата биле непрекинато создавани и уништувани. Присуството на материјата, како и отсуството на антиматерија, наречена и барионска асиметрија, која се должи на CP-нарушувањето: нарушувањето на CP-симетријата во однос на материја-антиматерија. Точниот механизам на нарушувањето за време на бариогенезата останува мистерија.

Набљудувањето во космичките зраци

Сателитските набљудувања пронашле докази за позитрони и антипротони во главните космички зраци, во износ помалку од 1% од вкупниот број на честички во главните космички зраци. Оваа антиматерија не можела да се создаде при Големата експлозија, па затоа се смета дека причина се цикличните процеси на високите енергии. На пример, електронско-позитронските парови можат да бидат создадени во пулсарите, кога магнетизираниот неутронски ѕвезден вртежен циклус создава елктронско-позитронски парови на ѕвездената површина. Во овој процесантиматеријата создава ветер, кој се урива со исфрлената материја од првичната супернова експлозија. Појавата се одвива како „ладен, магнетизиран релативистички ветер лансиран од ѕвездата која го погодува не-релативистичкото проширување на исфрлената материја,при што се создава ударен бран на површината: надворешниот се раширува во исфрлената материја, додека обратниот ударен бран се шири назад кон ѕвездата."Serpico, Pasquale D. "Astrophysical models for the origin of the positron "excess"." Astroparticle Physics 39 (2012): 2-11. Првичното исфрлање на материјата во надворешниот ударен бран и подоцнежното создавање на антиматеријата во обратниот ударен бран се чекори од циклусот на космичкото време. Првичните резултати од моменталната работа на Алфа-магнетниот спектрометар (АМС-02) под водство на Меѓународната вселенска станица покажува дека позитроните во космичките зраци пристигаат без насочување, и со енергијата која изнесува од 10 GeV до 250 GeV. Во септември 2014 година, новите резултати со скоро двапати повеќе податоци биле презентирани на семинар во ЦЕРН и објавени во Physical Review Letters. Било објавено дека новите мерења на позитронскта разделување достигнуваат енергии и до 500 GeV, покажувајќи дека позитронската фракција достигнува врв при максимум од околу 16% на целосните елктронски+позитронски настани, со енергија околу 275 ± 32 GeV. При повисоки енергии, до 500 GeV, односот на позитрони-елкетрони започнува повторно да опаѓа. Апсолутниот тек на позитроните исто така почнува да паѓа пред 500 GeV, но врвовите во енергиите се далеку повисоки од електронските енергии, чии врови се околу 10 GeV. Овие резултати за толкување биле предложени како резултат на создавањето на позитрони при поништувањето на масивните честички на темната материја.

Антипротонските космички зраци исто така имаат високи енергии за разлика од материските протони. Тие пристигнале на Земјата со карактеристична енергија чиј масимум изнесува 2 GeV, што укажува на нивното создавање во значајно различен процес од оној на протонските космички зраци, кои во просек имаат само една-шестина од енергијата.

Не постојат докази за сложено антиматериско атомско јадро, како антихелиумско јадро (т.е., анти-алфа-честички), во космичките зраци. Активно се трага по нив. Прототип на АМС-02 именуван како АМС-01, бил лансиран во вселената со помош на на STS-91 во јуни 1998 година. Но мисијата воопшто не забележала антихелиум, АМС-01 воспоставил горна граница на соодносот на антихелиум-хелиум од 1,1×10−6 во магнетниот тек.

Вештачко создавање

Позитрони