Undersökning av antipartiklar: Antimateria, antimateria ... Vad är det?

Idén om förekomsten av antimateria kom till uttryck i den klassiska fysikens tid, i slutet av XIX-talet

Väte och antihydrogen är helt identiska i struktur - de består av hadron och lepton. I det första fallet bildar en positivt laddad proton, bestående av tre kvarkar (två övre och en nedre), och en negativt laddad elektron en väteatom som är bekant för oss. Antihydrogen består av ett negativt laddat antiproton, som i sin tur är uppbyggt av tre motsvarande antikvaror och en positivt laddad positron (elektron antipartikel)

Förstörelsen av elektron och positron för låga energier genererar åtminstone två (detta beror på bevarande av fart) av foton. Denna process kan schematiskt beskrivas med hjälp av det så kallade Feynman-diagrammet. Om en viss energitröskel överskrids kan förintelse inträffa med födelsen av "virtuella" fotoner, som igen snabbt sönderfaller i par elektroner och positroner

Datormodell för förintelse av materia och antimateria. De röda linjerna är fotoner som sprids i motsatta riktningar under förintelsen av positroner, och de gula är de partiklar som bildas under förintelsen av antiprotoner. Spåren kommer från en punkt - detta är bevis på att antiprotoner och positroner bildar antihydrogenatomer (ATHENA-experiment vid CERN)

PANDAs tidsprojektionskammare för FAIR International Center i Darmstadt

Upptäckten av antipartiklar anses med rätta vara den största prestationen i 1900-talets fysik. Det var den första som bevisade ämnets instabilitet på den djupaste, mest grundläggande nivån. Innan detta var alla säkra på att substansen i vår värld består av elementära partiklar som aldrig försvinner och inte är födda igen. Denna enkla bild är en saga historia, då det bevisades för nästan 80 år sedan att en elektron och dess positivt laddade dubbla försvinner när de möts, vilket ger upphov till kvanta av elektromagnetisk strålning. Senare visade det sig att mikrotornpartiklar i allmänhet tenderar att förvandlas till varandra och på många sätt. Upptäckten av antipartiklar lägger grunden för en grundläggande omvandling av de grundläggande begreppen materiens natur.

Idén om förekomsten av antimateria uttrycktes först 1898 - engelsmannen Arthur Schuster publicerade en mycket vag artikel i tidskriften Nature, antagligen inspirerad av den senaste upptäckten av elektronen. "Om det finns negativ elektricitet", frågade Schuster, "varför inte finns negativt laddat guld, samma gula, med samma smältpunkt och samma spektrum?" Och då, för första gången i världens vetenskapliga litteratur, visas orden Antiatom och antimateria. Schuster föreslog att anti-atomer lockas till varandra av gravitationskrafter, men avvisas från vanlig materia.

Antielektroner observerades först i experimentet, igen, tills deras officiella upptäckt. Detta gjordes av Leningrad-fysikern Dmitry Skobeltsin, som på 1920-talet studerade spridningen av gammastrålar med elektroner i en Wilson-kammare placerad i ett magnetfält. Han märkte att några av spåren, som verkar vara av elektroniskt ursprung, inte böjer sig i rätt riktning. Poängen är naturligtvis att en gammakvantum, när den interagerar med ett ämne, kan ge upphov till en elektron och en positron, som snurrar i motsatta riktningar i ett magnetfält. Skobeltsin visste naturligtvis inte detta och kunde inte förklara den konstiga effekten, men 1928 rapporterade han det på en internationell konferens i Cambridge. Genom ett underhållande tillfällighet valdes ett år tidigare en ung teoretisk fysiker Paul Dirac till rådet i Cambridge College of St. John, vars studier så småningom förklarade dessa avvikelser.

Dirac-ekvation

1926 formulerade den österrikiska Erwin Schrödinger en ekvation som beskrev beteendet hos icke-relativistiska partiklar som följer kvantmekanik, en differentiell ekvation vars lösningar bestämmer tillståndet för en partikel. Schrödinger-ekvationen beskrev en partikel som inte har sin egen vinkelmoment - snurret (med andra ord, uppför sig inte som en snurrande topp). År 1926 var det redan känt att elektroner har en vridning, som kan ha två olika betydelser: grovt sett orienteras en elektrontopp i rymden i endast två motsatta riktningar (ett år senare erhölls ett liknande bevis för protoner). Sedan generaliserade den schweiziska teoretikern Wolfgang Pauli Schrödinger-ekvationen för en elektron så att den tillåter att hänsyn tas till spinn. Således upptäcktes först snurret experimentellt och sedan påfördes konstgjorda Schrödinger-ekvationen.

I Einsteins relativistiska mekanik ser formeln för energin från en fri partikel mer komplicerad än i Newtonian. Det är inte svårt att översätta Einstein-formeln till en kvantekvation; detta gjordes av Schrödinger och hans tre samtida. Men lösningar på denna ekvation visar att sannolikheten för en partikel vid en viss punkt kan vara negativ, vilket inte har fysisk betydelse. Andra problem uppstår på grund av det faktum att den nya ekvationens matematiska struktur (den kallas Klein-Gordon-ekvationen) avviker från relativitetsteorin (på ett formellt språk är den inte relativistiskt invariant).

Det var på denna uppgift 1927 som Dirac funderade över. För att bevara invariansen inkluderade han i ekvationen inte rutorna för energi- och momentumoperatörerna, utan deras första grad. För att skriva ner ekvationen i denna form var det nödvändigt att initialt införa mer komplexa 4x4-matriser än Paulis. Denna ekvation avslöjade fyra lika lösningar, och i två fall är elektronenergin positiv, och i två är den negativ.

Och sedan fanns det en snag. Det första lösningsparet tolkades enkelt - det är en vanlig elektron i var och en av de möjliga spinntillstånden. Om du lägger till ett elektromagnetiskt fält till Dirac-ekvationen kommer det lätt att visa sig att elektronen har rätt magnetiskt ögonblick. Det var en gigantisk framgång med Dirac-teorin, som, utan några ytterligare antaganden, gav elektroniken både vridning och magnetiskt ögonblick. Till att börja med kunde dock ingen bestämma vad de skulle göra med resten av besluten. I både Newtonian och Einstein mekanik är energin från en fri partikel aldrig negativ och partiklar med en energi på mindre än noll orsakade förvirring. Dessutom var det inte klart varför vanliga elektroner inte går in i de tillstånd som förutses av Dirac-teorin med uppenbarligen lägre energi, medan elektroner i atoms skal inte missar denna möjlighet.

Sök efter mening

Två år senare fann Dirac en mycket vacker tolkning av paradoxala lösningar. I enlighet med Pauli-principen kan två elektroner (som alla partiklar med en hel heltal snurr) inte samtidigt vara i samma kvanttillstånd. Enligt Dirac är alla stater med negativ energi normalt fyllda, och övergången till dessa tillstånd från zonen för positiva energier är förbjuden enligt Pauli-principen. Därför är Dirac-havet av elektroner med negativ energi i princip inte observerbart, men bara så länge det inte finns några lediga lediga platser i det. En sådan vakans kan skapas om en elektron slås ut från en negativ energinivå till en positiv (till exempel en tillräckligt kraftfull kvantitet av elektromagnetisk strålning). Eftersom elektronhavet kommer att förlora en enhet med negativ laddning kommer vakansen som har dykt upp (Dirac kallade det ett hål) att uppträda i ett elektriskt fält som en partikel med en positiv laddning. Med samma logik leder en elektron som faller från ett normalt tillstånd i ett sådant hål till att både elektron och hål försvinner, åtföljt av utsläpp av en foton.

Och hur manifesterar sig Dirac-hål i den verkliga världen? Först identifierade Dirac dem med protoner, som skrevs i Nature 1930. Det var åtminstone konstigt - en proton är 2 000 gånger tyngre än en elektron. Den framtida akademikeren och nobelpristagaren Igor Tamm och den framtida fadern till atombomben Robert Oppenheimer väckte en allvarligare invändning och noterade att då varje väteatom står inför ett hot om utrotning, men detta händer inte i naturen. Dirac övergav snart denna hypotes och i september 1931 gjorde han en artikel där han förutspådde att hål, om de kunde upptäckas, skulle visa sig vara helt nya partiklar som är okända för experimentell fysik. Han föreslog att kalla dem anti-elektron.

Dirac-modellen gick ner i historien efter skapandet av kvantelektrodynamik och kvantfältteori, som tillskriver samma verklighet till partiklar och antipartiklar. Från kvantelektrodynamik följer det också att mötet med en fri elektron med en anti-elektron innebär födelse av åtminstone ett par kvanta, så i denna del är modellen helt enkelt fel. Som ofta händer visade sig att Dirac-ekvationen var mycket smartare än den tolkning som skapades.

Upptäckt av antielektron

Som redan nämnts observerade Dmitry Skobeltsin faktiskt positronerna. 1930 kom en doktorand vid California Institute of Technology Chung-Yao Chao över dem som studerade passagen av gammastrålar genom blyfolie. I detta experiment dök upp elektron-positronpar, varefter de nyfödda positronerna förintade med elektronerna i atomskalarna och genererade sekundär gammastrålning, som Chao upptäckte. Många fysiker tvivlade dock på resultaten, och detta arbete fick inte erkännande.

Chao leddes av president Caltech, nobelpristagaren Robert Milliken, som under dessa dagar var engagerad i kosmiska strålar (han föreslog denna term). Millikan ansåg dem vara ett flöde av gammastrålar och förväntade sig därför att de skulle dela upp atomer i elektroner och protoner (neutronen upptäcktes senare, 1932). Milliken föreslog att man testade denna hypotes till Karl Anderson, en annan av hans doktorander och även en vän till Chao. Han, liksom Skobeltsin, beslutade att använda Wilson-kameran, ansluten till en mycket kraftfull elektromagnet. Anderson fick också spår av laddade partiklar, som uppenbarligen inte skilde sig från spåren av elektroner, men var böjda i motsatt riktning. Först tillskrev han dem till elektroner, som inte rör sig från topp till botten, utan från botten till topp. För kontroll placerade han en 6 mm tjock blyplatta i mitten av kammaren. Det visade sig att över plattan var momentet för partiklar med spår av elektronisk typ mer än två gånger högre än dessa indikatorer i kammarens nedre del - det följde att alla partiklar rör sig från topp till botten. Samma teknik visade att partiklar med en anomal vridning inte kan vara protoner - de skulle fastna i en blyskärm.

Till slut kom Anderson till slutsatsen att nästan alla anomala spår tillhör någon slags ljuspartiklar med en positiv laddning. Millikan trodde dock inte detta, och Anderson ville utan chefen godkänna att det skulle publiceras i den vetenskapliga pressen. Därför begränsade han sig till ett kort brev till den populära tidskriften Science News Letter och bifogade ett fotografi av det anomala spåret. Redaktören, som gick med på Andersons tolkning, föreslog att den nya partikeln skulle vara en positron. Denna bild publicerades i december 1931.

Kom ihåg att Dirac avslöjade hypotesen om förekomsten av en anti-elektron tillbaka i september. Men både Anderson och Millikan visste nästan ingenting om hans teori och förstod knappast dess väsen. Därför höll det inte på Anderson att identifiera positronen med Dirac-anti-elektron. Under en lång tid försökte han övertyga Millikan om sin egen oskyldighet, men efter att ha inte uppnått framgång publicerade han i september 1932 en anteckning i tidskriften Science om hans observationer. I detta arbete talar vi emellertid inte om en elektron-tvilling, utan bara om en positivt laddad partikel av ett okänt slag, vars massa är mycket mindre än protonens massa.

Nästa steg för att identifiera antielektronen togs på platsen för dess förutsägelse - i Cambridge. Den engelska fysikern Patrick Blackett och hans italienska kollega Giuseppe Okkialini studerade kosmiska strålar i det berömda Cavendish-laboratoriet, ledat av den stora Rutherford. Okkialini föreslog att utrusta Wilsons kamera med en elektronisk krets (uppfann av hans landsmästare Bruno Rossi), som skulle sätta på kameran vid samtidig användning av Geiger-räknare, varav en installerades ovanför kameran och den andra under den. Hösten 1932 fick partners ungefär 700 bilder av spår som kunde tillskrivas laddade partiklar av kosmiskt ursprung. Bland dem fanns V-formade spårpar genererade av divergerande elektroner och positroner i ett magnetfält.

Blackett visste om det antielektron som Dirac förutspådde, men tog inte hans teori på allvar. Dirac själv gjorde inte heller upp sin hypotetiska partikel i Blacketts fotografier. Som ett resultat tolkade Blackett och Occialini korrekt sina fotografier först senare, när de blev bekanta med Anderson-publikationen i september. De presenterade sina resultat i en artikel med en blygsam rubrik, "Foton av spår av genomträngande strålning", som nådde redaktörerna för Proceedings of the Royal Society den 7 februari 1933. Vid denna tid, Anderson fick reda på konkurrenter från Cavendish och presenterade ganska adekvat sina resultat i en fyra sidor artikel, "Positive Electron, " som anlände i tidskriften Physical Review den 28 februari. Eftersom Andersons prioritering fastställdes av tidigare publikationer, fick han ensam Nobelpriset för upptäckten av positronen (1936, tillsammans med pionjären för kosmiska strålar, Victor Hess). Blackett hedrades med denna utmärkelsen 12 år senare (med ordalydelsen ”För att förbättra Wilsons observationsmetoder och upptäckter inom området kärnfysik och kosmisk strålning”), men Occhialini fick priset - det tros det av politiska skäl.

Snart gick positronforskningen framåt med språng. Parisfysikern Jean Thibault observerade elektron-positronpar av markbundet ursprung, genererat genom hämning av gammastrålar i bly från en radioaktiv källa. Han bevisade att i båda partiklarna sammanfaller laddningsförhållandet till massan i absolut värde sammanfaller med mycket hög noggrannhet. 1934 upptäckte Frederic Joliot och Irene Curie att positroner också uppstår under radioaktivt förfall. Så, i mitten av 30-talet av det tjugonde århundradet, förekom förekomsten av antielektroner förutsagda av Dirac till ett etablerat faktum.

antinucleons

Mekanismen för att generera positroner med kosmiska strålar har etablerats under lång tid. I grund och botten består primär kosmisk strålning av protoner med en energi på mer än 1 GeV, som i kollisioner med atomkärnor i den övre atmosfären genererar pioner och andra instabila partiklar. Pioner ger upphov till nya förfall, under vilka gammastrålar dyker upp, som vid bromsning i ett ämne producerar elektron-positronpar.

Tillräckligt snabba protoner i kollisioner med atomkärnor kan direkt alstra antiprotoner och antineutroner. I mitten av det tjugonde århundradet tvivlade fysiker inte längre på möjligheten till sådana omvandlingar och letade efter deras spår i sekundära kosmiska strålar. Resultaten av vissa observationer kan tyckas tolkas som förintelsen av antiprotoner, men utan fullständig säkerhet. Därför föreslog amerikanska fysiker ett projekt för konstruktion av en 6 GeV-protonaccelerator, på vilken det enligt teorin var möjligt att få båda typerna av antinukeloner. Denna maskin, kallad Bevatron, lanserades vid Lawrence Berkeley Laboratory 1954. Ett år senare fick Owen Chamberlain, Emilio Segre och deras kollegor antiprotoner och sköt en proton mot ett kopparmål. Ett år senare registrerade en annan grupp fysiker antineutroner vid samma anläggning. 1965 syntetiserade CERN och Brookhaven National Laboratory antideuteriumkärnor sammansatta av en antiproton och en antineutron. Och i början av 1970-talet kom ett meddelande från Sovjetunionen att vid 70-GeV-protonacceleratorn vid Institute of High Energy Physics kärnorna i anthelium-3 (två antiprotoner och en antineutron) och antitritium (antiproton och två antineutroner) syntetiserades; 2002 erhölls flera lätta antiheliumkärnor vid CERN. Hittills har saker inte gått framåt, så syntesen av minst en anti-guldkärna är en fråga för en inte alltför avlägsen framtid.

Man-made antimatter

Kärnor är kärnor, men verkliga antimaterier kräver fulla atomer. Den enklaste av dem är antihydrogenatom, antiproton plus positron. Sådana atomer skapades först vid CERN 1995 - 40 år efter upptäckten av antiprotonen. Вполне возможно, что это были первые атомы антиводорода за время существования нашей Вселенной после Большого взрыва — в природных условиях вероятность их рождения практически нулевая, а существование внеземных технологических цивилизаций все еще под вопросом.

Этот эксперимент был осуществлен под руководством немецкого физика Вальтера Олерта. В ЦЕРН тогда действовало накопительное кольцо LEAR, в котором хранились низкоэнергетические (всего-то 5, 9 МэВ) антипротоны (оно проработало с 1984 по 1996 год). В эксперименте группы Олерта антипротоны направляли на струю ксенона. После столкновения антипротонов с ядрами этого газа возникали электронно-позитронные пары, и некоторые позитроны крайне редко (с частотой 10−17%!) объединялись с антипротонами в атомы антиводорода, движущиеся почти что со скоростью света. Незаряженные антиатомы больше не могли вращаться внутри кольца и вылетали по направлению к двум детекторам. В первом приборе каждый антиатом ионизировался, и освобожденный позитрон аннигилировал с электроном, порождая пару гамма-квантов. Антипротон уходил во второй детектор, который до исчезновения этой частицы успевал определить ее заряд и скорость. Сопоставление данных с обоих детекторов показало, что в эксперименте было синтезировано не меньше 9 атомов антиводорода. Вскоре релятивистские атомы антиводорода были созданы и в Фермилабе.

С лета 2000 года в ЦЕРН действует новое кольцо AD (Antiproton Decelerator). В него поступают антипротоны с кинетической энергией 3, 5 ГэВ, которые замедляются до энергии в 100 МэВ и затем используются в разнообразных экспериментах. Антивеществом там занялись группы ATHENA и ATRAP, которые в 2002 году стали разово получать десятки тысяч атомов антиводорода. Эти атомы возникают в особых электромагнитных бутылках (так называемых ловушках Пеннинга), где смешиваются поступающие из AD антипротоны и рождающиеся при распаде натрия-22 позитроны. Правда, жизнь нейтральных антиатомов в такой ловушке измеряется всего лишь микросекундами (зато позитроны и антипротоны могут храниться там месяцами!). В настоящее время отрабатываются технологии более длительного хранения антиводорода.

В беседе с «ПМ» руководитель группы ATRAP (проект ATHENA уже завершен), профессор Гарвардского университета Джеральд Габриэлс подчеркнул, что, в отличие от LEAR, установка AD позволяет синтезировать относительно медленные (как говорят физики, холодные) атомы антиводорода, с которыми намного проще работать. Сейчас ученые пытаются еще сильнее охладить антиатомы и перевести их позитроны на уровни с меньшей энергией. Если это получится, то появится возможность дольше удерживать антиатомы в силовых ловушках и определять их физические свойства (к примеру, спектральные характеристики). Эти показатели можно будет сопоставить со свойствами обычного водорода и понять наконец, чем антивещество отличается от вещества. Работы еще непочатый край.

Artikeln publicerades i tidskriften Popular Mechanics (nr 1, januari 2010).

Rekommenderas

Vem uppfann cement?
2019
Mänskliknande aktivitet i mini-hjärnor i laboratoriet
2019
LSD låter dig inte vara rädd
2019