Hogyan repülhetünk Marsra egy hónap alatt? Ehhez jó lendületet kell adnia az űrhajónak. Sajnos, az ember számára elérhető legjobb üzemanyag - nukleáris - 3000 másodperc specifikus impulzust ad, és a repülés több hónapig tart. Van valami energikusabb kéznél? Elméletileg van: termonukleáris fúzió; több százezer másodperc impulzust ad, és az antianyag használata millió másodperc impulzust ad.
Az antianyagmagok antinukleonokból épülnek fel, a külső héj pedig pozitronokból áll. Az erőteljes kölcsönhatás invarianciája miatt a töltéskonjugációval szemben (C-invariancia) az antinukleuszok tömeg- és energiaspektruma megegyezik a megfelelő nukleonokból álló magokéval, és az antianyag és az anyag atomjának azonos szerkezetű és kémiai tulajdonságokkal kell rendelkeznie, egyetlen HO-val, egy tárgy ütközésével Az anyagból álló anyag, amelynek antianyag tárgya az összetételükben levő részecskék és részecskék megsemmisítéséhez vezet.
A lassú elektronok és a pozitronok elpusztítása gamma kvantumok kialakulásához vezet, míg a lassú nukleonok és antinukleonok megsemmisítése több pi-mezon kialakulásához vezet. A későbbi mezonok bomlásának eredményeként kemény gamma-sugárzás keletkezik, amelynek gamma-kvantumainak energiája meghaladja a 70 MeV-t.
Az antielektronokat (pozitronokat) P. Dirac jósolta meg, majd P. Anderson „zuhanyokban” kísérletileg fedezte fel, akik még akkor sem tudtak Dirac előrejelzéséről. Ezt a felfedezést 1936-ban Nobel-fizikai díjjal jutalmazták. Az Antiprotonot 1955-ben fedezték fel a Berkeley-ben, a Bevatronban, amely szintén Nobel-díjat kapott. 1960-ban egy antineutront fedeztek fel ott. A Serpukhov-gyorsító üzembe helyezésével fizikusainknak is sikerült néhány szempontból előrejutniuk - 1969-ben felfedezték az antiheliummagokat. De az antianyag atomjait nem sikerült megszerezni. És őszintén szólva, a gyorsítók teljes létezése során az antirészecskék jelentéktelen mennyiséget kaptak - az összes olyan antiproton, amely egy év alatt a CERN-en szintetizálódik, elegendő egy lámpa működéséhez néhány másodpercig.
Az ATRAP projekt (CERN) keretében kilenc antitest - antihidrogén atom szintéziséről az első üzenet 1995-ben jelent meg. Körülbelül 40 ns-ig létezve ezek az egyetlen atomok elpusztultak, engedve az előírt mennyiségű sugárzást (amelyet rögzítettek). A célok egyértelműek voltak és igazolják az erőfeszítéseket, a feladatokat meghatározták, és 1997-ben Genf közelében, a nemzetközi pénzügyi támogatásnak köszönhetően, a CERN elindította a deszelektor építését (ne fordítsuk le az „inhibitor” disszonáns ekvivalensével), amely lehetővé tette az antiprotonok („hűvös”) visszaszorítását tízmilliószor az 1995-ös telepítéshez képest. Ez az Antiproton Moderátornak (AD) nevezett eszköz 2002. februárjában indult üzembe.
A beállítás - miután az antiprotonok elhagyták a lassító gyűrűt - négy fő részből áll: egy csapda az antiprotonok csapdázására, egy pozitron tároló gyűrű, egy keverő csapda és egy antihidrogéndetektor. Az antiproton fluxust először mikrohullámú sugárzás lassítja, majd hőcseréje eredményeként lehűti alacsony energiájú elektronok fluxussal, ezután csapdába esik - keverőbe, ahol 15 K hőmérsékleten van. A pozitron tároló eszköz egymás után lelassul, elfogja és felhalmozza a pozitronokat egy radioaktív forrásból; ezeknek körülbelül fele esik keverőcsapdába, ahol szinkrotron sugárzással tovább lehűtik őket. Mindez szükséges az antihidrogénatomok képződésének valószínű növekedéséhez.
Az Antiproton moderátoron kemény verseny kezdődött két tudóscsoport, az ATHENA kísérletekben résztvevők (39 tudós a világ különböző országaiból) és az ATRAP között.
A Nature 2002, 419. kötet, 439. o., Uo. 456. o.), Amelyet 2002. október 3-án publikáltak, az ATHENA kísérlet állítása szerint 50 000 antianyag-atom - antihidrogén - előállítása sikerült. Az antianyag-atomok jelenlétét megsemmisítésükkor rögzítették, ezt bizonyítja az elektron-pozitron megsemmisítés során képződött két kemény kvantum nyomvonalak egyik pontján történő metszéspontja, valamint az antiproton és a proton megsemmisítéséből származó pionok nyomai. Megkaptuk az antianyag első "portréját" (fénykép az elején) - egy ilyen számítógépes képet szintetizáltunk. Mivel csak azokat a atomokat, amelyek "kicsúsztak" a csapdából, megsemmisítették (és megbízhatóan megszámláltak közül csak 130 volt), a bejelentett 50 000 antihidrogénatom csak a "portré" láthatatlan hátterét hozza létre.
Promóciós videó:
A probléma az, hogy az antihidrogén elpusztulást a pozitron és az antiproton megsemmisítés általános, erőteljesebb hátterében vették nyilvántartásba. Ez természetesen egészséges szkepticizmust váltott ki a szomszédos versengő ATRAP projekt munkatársai között. Ezek viszont ugyanabban a létesítményben szintetizálták az antihidrogént, és komplex mágneses csapdák segítségével képesek voltak antihidrogén atomok regisztrálására háttérkép nélkül. A kísérlet során képződött antihidrogénatomok elektromos semlegessé váltak, és a pozitronokkal és antiprotonokkal ellentétben szabadon elhagyhatták azt a régiót, ahol a töltött részecskék vannak korlátozva. Ott volt, háttér nélkül, és nyilvántartásba vették őket.
A becslések szerint körülbelül 170 000 antihidrogénatom képződött a csapdában, amint a kutatók a Physical Review Letters-ben közzétett cikkben számoltak be.
És ez már sikert jelent. Most már elegendő lehet a kapott antihidrogén mennyisége tulajdonságainak tanulmányozásához. Például antihidrogénatomok esetében javasolt az 1s-2s elektronikus átmenet gyakoriságának mérése (az alapállapotból az első gerjesztett állapotba) nagy felbontású lézer-spektroszkópiás módszerekkel. (A hidrogénben ez az átmenet gyakorisága 1,8 · 10–14 pontossággal ismert - nem hiába, hogy a hidrogénmaszkot frekvencia-szabványnak tekintik.) Az elmélet szerint ezeknek meg kell egyezniük a szokásos hidrogénnel. Ha például az abszorpciós spektrum kiderül, hogy eltérő, akkor módosítania kell a modern fizika alapjait.
De az antianyag iránti érdeklődés - az antianyag semmiképpen sem pusztán elméleti. Egy antianyag-motor például az alábbiak szerint működhet. Először két trillió antiprotont tartalmazó két felhő jön létre, amelyeket egy elektromágneses csapda megakadályoz az anyag érintésétől. Ezután egy 42 nanogrammos tüzelőanyag-részecskét fecskendeznek közöttük. Urán-238 kapszula, amely deutérium és hélium-3, vagy deutérium és trícium keverékét tartalmazza.
Az antiprotonok azonnal megsemmisülnek az uránmagokkal, és fragmensekre bomlanak. Ezek a fragmensek a kapott gamma-kvantákkal együtt annyira melegítik a kapszula belsejét, hogy ott kezdődik egy termikus nukleáris reakció. Hatalmas energiájú termékeit még gyorsabban felgyorsítja a mágneses mező, és kiszabadul a motor fúvókáján, és az űrhajó hallhatatlan tolóerőt biztosít.
Ami a Marsba történő repülést illeti egy hónapon belül, az amerikai fizikusok egy másik technológia használatát javasolják - az atomok hasadását, amelyet az antiprotonok katalizálnak. Ezután a teljes repüléshez 140 nanogramm antiprotont kell igénybe venni, nem számítva a radioaktív üzemanyagot.
A kaliforniai Stanford Kutatóközpontban, ahol egy lineáris részecskegyorsítót szereltek fel, új mérések tették lehetővé a tudósok számára a haladást annak a kérdésnek a megválaszolásában, hogy miért uralkodik az anyag az univerzumban az antianyag felett.
A kísérlet eredményei megerősítik az ellentétes entitások egyensúlyhiányának kialakulására vonatkozó korábbi feltételezéseket. A tudósok azonban azt állítják, hogy az elvégzett vizsgálatok több kérdést vettek fel, mint válaszokat: a gyorsítóval végzett kísérletek nem adnak teljes magyarázatot arra, hogy miért van annyi anyag az űrben - csillagokkal és bolygókkal tele galaxisok milliárdjai.
A gyorsítóval dolgozó tudósok egy béta szinuszának ismert paramétert (0,74 plusz vagy mínusz 0,07) mértek. Ez a mutató az anyag és az antianyag közötti aszimmetria mértékét tükrözi.
A Nagyrobbanás eredményeként ugyanolyan mennyiségű anyagot és antianyagot kellett kialakítani, amelyek azután megsemmisültek, és csak energiát hagytak. Azonban az általunk megfigyelt világegyetem vitathatatlan bizonyítékot jelent az anyag győzelmére az antianyag felett.
Hogy megértsék, hogyan történhet ez, a fizikusok a töltési egyenlőség megsértésének nevezett hatást vizsgálták. Ennek a hatásnak a megfigyelésére a tudósok megvizsgálták a B-mezonokat és az anti-B-mezonokat, amelyek nagyon rövid élettartamú részecskék voltak - másodperc trillióda-ban.
Ezen abszolút ellentétes részecskék viselkedésében mutatkozó különbségek megmutatják az anyag és az antianyag közötti különbségeket, és részben megmagyarázzák, hogy miért uralkodik az egyik a másiknál. A kísérlethez szükséges több millió B-és anti-B-mezon kialakult az elektronok és a pozitronok sugarainak gyorsítójának ütközésén keresztül. Az első eredmények, amelyeket 2001-ben kaptunk, egyértelműen megmutatják a B-mezonok díjszintjének megsértését.
"Ez egy fontos felfedezés volt, de még mindig sok adatot kell összegyűjteni a két béta szinuszának a kvantumfizika alapvető állandójának validálására" - mondta Stewart Smith, a Princetoni Egyetem. "Az új eredményeket három év intenzív kutatás és 88 millió esemény elemzése után jelentették be."
Az új mérések összhangban állnak az úgynevezett "standard modelldel", amely leírja az elemi részecskéket és azok kölcsönhatásait. A díjak egyenlőségének önmagában történő megerősített mértékű megsértése önmagában nem elegendő az anyag és az antianyag egyensúlytalanságának magyarázatához az univerzumban.
"Úgy tűnik, hogy a díjak egyenlőtlenségein kívül valami más is történt, ami az anyag túlsúlyát csillagokká, bolygókké és élő szervezetekké változtatta" - kommentálta Hassan Jawahery, a Marylandi Egyetem alkalmazottja. "A jövőben valószínűleg megértjük ezek a rejtett folyamatok és megválaszolják azt a kérdést, hogy mi hozta az univerzumot jelenlegi állapotába, és ez lesz a legizgalmasabb felfedezés."