Антиматерия для чего используют
Антиматерия для чего используют
Рис. 21.1. Схема использования портативной ловушки антипротонов для получения позитронного эмиттера[†].
Для проведенияодного сеанса ПЭТ необходимо приблизительно 15 мКи изотопа. За час работы циклотрона при токе 1 мА можно получить около 200 мКи 15 O. Приблизительно за это же время ускорителе в Фермилабе можно было произвести и поместить в ловушку около 10 12 антипротонов. С помощью такого количества антипротонов можно получить столько же 15 O как и на циклотроне. Время жизни антипротонов в современных ловушках дни − недели. Так что для производства процедуры ПЭТ необходимость в циклотроне пропадает и существенно расширяется география таких исследований.
Радиотерапия
Наибольшеераспространение в радиотерапии получило облучение гамма-квантами. Однако пучок гамма-квантов разрушает клетки на всем своем пути как до опухоли, так и после нее. У заряженных частиц (протонов и тяжелых ионов) основные потери энергии происходят в конце их пробега в веществе, в области брэгговского пика. Это позволяет, регулируя энергию, добиваться того, чтобы разрушались в основном клетки в области опухоли. С годами использование заряженных частиц в радиотерапии растет. Дополнительные преимущества в радиотерапии может дать использование антипротонов. Тормозная способность антипротонов почти такая же как у протонов. Вплоть до брэгговского пика удельные потери энергии и радиобиологическое действие протонов и антипротонов практически одинаковые (рис. 21.2).
Различия начинаются в области брэгговского пика. По сравнению с протонами антипротоны испытывают аннигиляцию,
Использование антиматерии в космонавтике
При аннигиляции антипротонов с протонами образуются заряженные и нейтральные пионы:
π ± → μ ± + νμ (
μ).
μ ± → e ± + νe(e) + μ(νμ),
а образующиеся электроны и позитроны аннигилируют
Энергетическая плотность аннигиляции на порядки превышает таковую других процессов.
Плотность энергии различных видов топлива
8.6 мкг/год. Однако для полетов за пределы Солнечной системы требуется килограммы антипротонов. Межзвездные путешествия с использованием двигателей на антивеществе в ближней перспективе исключены. В ближней перспективе успех сулят гибридные схемы, где антипротоны служат катализатором ядерных реакций. Такие гибридные схемы дают надежду осуществлять полеты в пределах Солнечной системы за разумное время и средства.
При аннигиляции антипротона с нуклоном тяжелого ядра A >> 1 картина несколько отличается. Часть энергии аннигиляции передается тяжелому ядру пионами (рис. 21.4). Ядро делится на сильно ионизованные фрагменты. В итоге, за счет энергии деления, выделяется бóльшая энергия, чем при «чистой» аннигиляции. Более того, более эффективно используются пионы до их распада на длиннопробежные мюоны и нейтрино.
Рис. 21.4. Антипротон аннигилирует с протоном или нейтроном на поверхности тяжелого ядра. Часть образующихся пионов попадают внутрь ядра и взаимодействуют с плотной ядерной материей. В результате ядро фрагментируется, образуются сильно ионизованные короткопробежные осколки. Часть пионов, не попадающих в ядро, а также продуктов их распада имеют длинные пробеги и вылетают из делящегося топлива.
Одним из проектов, использующих гибридную схему – ACMF (Antimatter Catalyzed Micro Fission/Fusion) (микро деление/слияние катализируемое антиматерией). ICAN-II (Ion Compressed Antimatter Nuclear)[**].
В проекте предполагается использовать гранулы, которые содержат уран ( 238 U), а также смесь дейтерия-трития. Гранулы бомбардируются ионными пучками, и в момент наибольшего сжатия – сгустком антипротонов. В результате вызванного антипротонами деления ядер урана образуются нейтроны, около 16 на одно деление, по сравнению с 2–3 при обычном делении. Выделяющаяся при делении энергия будет вызывать реакцию синтеза в дейтериево-тритиевой смеси и быстрое расширение плазмы, которое можно использовать для создания реактивной тяги. Согласно оценкам, таким образом можно будет получить удельный импульс[††] до 17000 секунд. Существенно, что, используя эту схему, можно обойтись небольшим количеством антивещества (около 140 нанограммов антипротонов для полета к ближайшим планетам). Кроме того, для этого необходимо около 360 т
D-T-U гранул. Полет к Марсу и обратно занял бы всего 120 дней.
Рис. 21.5. Проект межпланетного корабля ICAN-II
Другой проект, использующий гибридную схему – AIM (Antimatter Initiated Microfusion) микрослияние, инициированное антиматерией[‡‡].
Плазма антипротонов сжимается в потенциальной яме, созданной электрическими и магнитными полями. Затем в реакционную камеру вводится маленькая (42 нанограмма) гранула смеси дейтерия и 3 He с небольшим количеством 238 U. Аннигиляции антипротонов с 238 U вызывает быстрое деление, в результате которого полностью ионизируется D- 3 He. В потенциальной яме плазма сжимается и происходит реакция термоядерного синтеза. Затем система возвращается в первоначальное состояние и процесс повторяется.
Проект (AIM Star)[§§] предполагает длительный беспилотный полет. Например, долететь до облака Орта (10000 а.е.[***]). Для этого в течение 22 лет он будет разгоняться до 0.003 скорости света. Затем двигатель отсоединяется, и полет продолжает научный модуль. Расчетное время всего полета 50 лет. Для корабля с химическим двигателем для этого понадобились бы тысячелетия. Для полета AIM Star к облаку Оорта потребуется 28 микрограмм антипротонов. Удельный импульс двигателя AIM Star 61000 секунд.
Антиматерия: что это, где находится, история изучения, теоретическое обоснование
Антиматерия — вещество, состоящее из античастиц, аналогичных протонам, нейтронам и электронам, но с противоположным знаком. Ядра сложены из антипротонов и антинейтронов, оболочки — из позитронов. В природе самостоятельно не образуется.
Свойства антиматерии зеркальны тем, которыми обладает обычное вещество, вследствие несохранения четности в слабых взаимодействиях.
Существование антиматерии теоретически обосновал английский физик-теоретик Поль Дирак. Но экспериментального подтверждения не было, пока Карл Андерсон, сотрудник лаборатории Роберта Милликена, не заметил необычные треки в туманной камере и опубликовал статью о странном явлении. Ученый мир ее проигнорировал, но Андерсон не сдался и продолжил эксперименты. Он доказал реальность позитрона Дирака, за что и получил в 1936 году Нобелевскую премию.
Где находится антиматерия во Вселенной
Согласно квантовой теории, выросшей из уравнений Дирака, при столкновении атомов вещества и антиматерии они аннигилируют, то есть взаимоуничтожаются с выделением фотона. Вероятность образования частиц с противоположными зарядами одинакова. Тем не менее ни в нашей галактике Млечный путь, ни во Вселенной вообще не наблюдается скоплений антиматерии. Она замечена только в виде позитронов в космических лучах. Причина этой асимметрии — нерешенная пока что проблема современной физики. Возможно, в пространстве и существуют области, целиком состоящие из антивещества, но это не доказано.
Получение антиматерии
В 1965 году американский физик Леон Ледерман впервые наблюдал образование ядер антидейтерия. В 1970–1974 годах на ускорителе в Серпухове получили ядра антитрития и антигелия. Наконец, в 2001 году в ЦЕРНе синтезировали полноценный атом антиводорода из антипротона и позитрона. Десять лет ушло на то, чтобы «поймать» 38 частиц антивещества на 172 миллисекунды в ловушку из статического магнитного и переменного электромагнитного полей.
В 2011 году еще 309 антипротонов удержали на 1000 секунд. Есть вероятность, что антиматерия обладает и антигравитацией, но для проверки этой теории необходима значительно большая масса. В 2015–2016 годах экспериментально доказаны полная идентичность структур и неразличимость спектров вещества и антиматерии.
Сколько стоит антиматерия
Энергия аннигиляции
Практическое применение антиматерии
В аппаратах для позитронно-эмиссионной компьютерной топографии (ПЭТ КТ) используются изотопы, закрепленные на молекулах глюкозы и способные испускать позитроны. Они вводятся в кровь, распадаются, аннигилируют со встречными электронами, генерируя слабое гамма-излучение. На его основе формируется компьютерное изображение с хорошо заметными новообразованиями.
В рамках ЦЕРН развивается проект лечения онкологических заболеваний антипротонами. Технология уже доказала эффективность на грызунах, но до испытаний на людях дело еще не дошло.
Антиматерия в медиапространстве
Не осталась в стороне и киноиндустрия. Фильм «Антиматерия» 2016 года повествует о сотруднице Стэнфордского университета, работавшей над проблемой перемещения в пространстве сквозь «червоточины». Эксперимент удается, девушка попадает в антимир и ищет путь назад.
Любители рока ценят творчество российской группы «Антиматерия». С 2007 года она исполняет музыку в смешанном стиле из пост-панка, дарквэйва и электроник-рока.
Уникальный источник энергии: что такое антиматерия и на что она способна
Писатели-фантасты часто рассказывают об аннигиляции антиматерии как об одном из самых мощных и практически бесконечных источников энергии: ведь для мощного взрыва нужно совсем небольшое количество антивещества. Рассказываем, что это такое и почему ученые до сих пор не используют этот уникальный источник энергии?
Что такое антиматерия?
Объекты Вселенной — галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы — кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами «оригиналов», а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название «антиматерия».
Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.
Антиматерия — материя, состоящая из античастиц — «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковыми спином и массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия: электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Некоторые частицы, например фотон, не имеют античастиц или, что то же самое, являются античастицами по отношению к самим себе.
Как сегодня считается, античастицы реагируют на фундаментальные силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаково, поэтому структура антивещества должна быть такой же, как структура «нормального» вещества.
А что значит приставка «анти»?
Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии — к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).
Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719(98) мегаэлектронвольт, спин ½. Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона — минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно.
Некоторые частицы, например бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.
Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом «рождение пар». Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители.
Где «добывают» и хранят антиматерию?
Антиматерию добывают в Большом адронном коллайдере, собирая облака антипротонов после столкновения пучка протонов с металлической мишенью и аккуратного замедления разлетающихся частиц, чтобы их можно было использовать в последующих экспериментах.
Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.
Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.
Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.
Почему антивещество так сложно получить?
Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при «соприкосновении» аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно — правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считаных минут.
Вопрос хранения антиматерии — настоящая головная боль для физиков, ведь антипротоны и позитроны мгновенно аннигилируют при встрече с любыми частицами обычного вещества. Для их удержания ученым пришлось придумывать хитрые приспособления, способные предотвращать катастрофу. Заряженные античастицы хранятся в так называемой ловушке Пеннинга, которая напоминает миниатюрный ускоритель. Ее мощное магнитное и электрическое поле не дает позитронам и антипротонам столкнуться со стенками прибора. Однако подобное устройство не работает с нейтральными объектами, вроде атома антиводорода. Для этого случая была разработана ловушка Иоффе. Удержание антиатомов в ней происходит за счет магнитного поля.
На что способна антиматерия?
Всего горстка антиматерии может произвести огромное количество энергии. Это делает ее популярным топливом для футуристических транспортных средств в научной фантастике. Вообще, ракетный двигатель на антивеществе гипотетически возможен; главное ограничение — это накопление достаточного количества антивещества, чтобы использовать его.
Кстати, энергии 1 миллиграмма антивещества хватит для полета на Марс.
В настоящее время нет доступных технологий для массового производства или сбора антивещества в объеме, необходимом для этого приложения. Однако небольшое количество исследователей провели исследования по моделированию движения и хранения. К ним относятся Ронан Кин и Вэй-Мин Чжан, которые работали в Западной резервной академии и Кентском государственном университете, соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создать или собрать большое количество антивещества, их исследования могут помочь воплотить в реальность межзвездные путешествия с использованием антивещества.
Почему мы до сих пор не используем этот источник энергии?
Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватрон в Фермилабе, составляют всего 15 нанограмм. Те, которые производятся в ЦЕРНе, составляют около 1 нанограмма. На сегодняшний день в DESY в Германии произведено примерно 2 нанограмма позитронов.
Если бы все антивещество, когда-либо производимое людьми, было уничтожено сразу, произведенной энергии не хватило бы даже для кипячения чашки чая.
Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Для производства 1 грамма антивещества потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более миллиона миллиардов долларов.
Вертолет Ingenuity успешно взлетел на Марсе
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
В НАСА рассказали, как они доставят образцы Марса на Землю
Уникальный источник энергии: что такое антиматерия и на что она способна
Писатели-фантасты часто рассказывают об аннигиляции антиматерии как об одном из самых мощных и практически бесконечных источников энергии: ведь для мощного взрыва нужно совсем небольшое количество антивещества. Рассказываем, что это такое и почему ученые до сих пор не используют этот уникальный источник энергии.
Читайте «Хайтек» в
Что такое антиматерия?
Объекты Вселенной — галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди — состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы — кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами «оригиналов», а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название «антиматерия».
Судя по имеющимся на сегодня данным, не существует антигалактик, антизвезд или других крупных объектов из антивещества. И это весьма странно: согласно теории Большого взрыва, в момент зарождения нашей Вселенной появилось одинаковое количество вещества и антивещества, и куда делось последнее – непонятно. В настоящее время есть два объяснения этого феномена: либо антивещество исчезло сразу после взрыва, либо оно существует в каких-то отдаленных частях мироздания, и мы его просто его еще не обнаружили. Подобная асимметрия – одна из самых важных неразгаданных задач современной физики.
Антиматерия — материя, состоящая из античастиц — «зеркальных отражений» ряда элементарных частиц, которые обладают одинаковыми спином и массой, но отличаются друг от друга знаками всех других характеристик взаимодействия: электрического и цветового заряда, барионного и лептонного квантовых чисел. Некоторые частицы, например, фотон, не имеют античастиц или, что то же самое, являются античастицами по отношению к самим себе.
Как сегодня считается, античастицы реагируют на фундаментальные силы, определяющие структуру материи (сильное взаимодействие, образующее ядра, и электромагнитное, образующее атомы и молекулы), совершенно одинаково, поэтому структура антивещества должна быть такой же, как структура «нормального» вещества.
А что значит приставка «анти»?
Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии — к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).
Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719(98) мегаэлектронвольт, спин ½. Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона — минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно.
Некоторые частицы, например, бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.
Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом «рождение пар». Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители.
Где «добывают» и хранят антиматерию?
Антиматерию добывают в Большом адронном коллайдере, собирая облака антипротонов после столкновения пучка протонов с металлической мишенью и аккуратного замедления разлетающихся частиц, чтобы их можно было использовать в последующих экспериментах.
Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.
Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.
Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.
Почему антивещество так сложно получить?
Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при «соприкосновении» аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно — правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считанных минут.
Вопрос хранения антиматерии — настоящая головная боль для физиков, ведь антипротоны и позитроны мгновенно аннигилируют при встрече с любыми частицами обычного вещества. Для их удержания ученым пришлось придумывать хитрые приспособления, способные предотвращать катастрофу. Заряженные античастицы хранятся в так называемой ловушке Пеннинга, которая напоминает миниатюрный ускоритель. Ее мощное магнитное и электрическое поле не дает позитронам и антипротонам столкнуться со стенками прибора. Однако подобное устройство не работает с нейтральными объектами вроде атома антиводорода. Для этого случая была разработана ловушка Иоффе. Удержание антиатомов в ней происходит за счет магнитного поля.
На что способна антиматерия?
Всего горстка антиматерии может произвести огромное количество энергии. Это делает ее популярным топливом для футуристических транспортных средств в научной фантастике. Вообще ракетный двигатель на антивеществе гипотетически возможен; главное ограничение — это накопление достаточного количества антивещества, чтобы использовать его.
Кстати, энергии 1 миллиграмма антивещества хватит для полета на Марс.
В настоящее время нет доступных технологий для массового производства или сбора антивещества в объеме, необходимом для этого приложения. Однако небольшое количество ученых провели исследования по моделированию движения и хранения. К ним относятся Ронан Кин и Вэй-Мин Чжан, которые работали в Западной резервной академии и Кентском государственном университете соответственно, а также Марк Вебер и его коллеги из Вашингтонского государственного университета. Когда-нибудь, если мы сможем найти способ создать или собрать большое количество антивещества, их исследования могут помочь воплотить в реальность межзвездные путешествия с использованием антивещества.
Почему мы до сих пор не используем этот источник энергии?
Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватрон в Фермилабе, составляют всего 15 нанограмм. Те, которые производятся в ЦЕРНе, составляют около 1 нанограмма. На сегодняшний день в DESY в Германии произведено примерно 2 нанограмма позитронов.
Если бы все антивещество, когда-либо производимое людьми, было уничтожено сразу, произведенной энергии не хватило бы даже для кипячения чашки чая.
Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Для производства 1 грамма антивещества потребуется примерно 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и более миллиона миллиардов долларов.
Спин — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого.