Кривое зеркало мира: антиматерия

      Комментарии к записи Кривое зеркало мира: антиматерия отключены

Кривое зеркало мира: антиматерия

    Принцип электромагнитной ловушки

противоборство и Сосуществование вещества с антивеществом составляют великую тайну Вселенной, раскрыв которую удалось бы осознать историю зарождения всего сущего. Поставив на работу человеку немыслимые количества энергии, выделяемой при столкновении вещества с антивеществом, возможно было бы добиться результатов, превосходящих провидения самых разудалых фантастов. Нескольких килограммов антивещества хватило бы межзвездному кораблю на фотонной тяге, дабы пересечь Галактику.

Но антивещество нужно откуда-то забрать, а его в окружающем нас космическом пространстве куда меньше, чем его зеркального отражения — простого вещества. Учитывая, что в момент превращения энергии в массу появляется как частица, так и античастица, приходится попенять зеркалу природы: оно таинственным образом скрывает от нас огромную часть мира — целую Антивселенную.

Деньги природы

Известная формула Альберта Эйнштейна E = mc2 (где Е — это энергия, m — масса, а с — скорость света) растолковывает, что энергия и масса взаимосвязаны.

Представим себе, что энергия — это деньги природы, которыми она расплачивается за все происходящее. И это платежное средство существует в виде двух валют с немыслимым, но стабильным обменным курсом — возведенной в квадрат скоростью света (300 тыс. км/с). Так что, в случае если обменять по этому курсу на энергию 1 кг металла, воды либо хоть тополиного пуха, энергии высвободится практически столько же (25 млрд кВт/ч), какое количество за год производит самая замечательная русский АЭС — Балаковская.

В выстроенных учеными ускорителях возможно разогнать до огромных энергий (другими словами фактически до скорости света) отдельные частицы — протоны (ядра атома водорода). И в случае если частица с таковой энергией врезается в преграду, энергия может превратиться в массу — другую валюту природных денег.

Но природа не разрешает энергии преобразовываться в произвольный вид вещества. Она предоставляет лишь определенные формы, соответствующие совершенно верно определенному количеству энергии, и придает веществу заданные качества. Так, на монетном дворе из железного страницы (в нашем случае это энергия) зарабатывают деньги лишь определенного преимущества: рубли, двух либо пятирублевики.

Природа чеканит лишь определенные частицы — протоны, нейтроны, электроны — со стандартной массой, способностью и электрическим зарядом взаимодействовать с другими частицами. Но, штампуя монету, она приобретает еще и дырку в металле — «антимонету» (масса такая же, как у частиц, но заряд и другие характеристики противоположны).

Опыты говорят о том, что в то время, когда энергия преобразовывается в массу, появляется пара частиц: частица и ее зеркальное отражение — античастица. В то время, когда же они видятся, энергия высвобождается (они аннигилируют). В случае если возвратиться к образу денег, встреча частицы с античастицей похожа на вкладывание монеты обратно в дырку.

Оживает лист металла, другими словами энергия.

Материальное неравенство

Античастиц в отечественной части Вселенной меньше, чем частиц. Получается, что отрицательные электроны и положительные ядра чем-то лучше собственных гипотетических антисобратьев. А ведь, согласно мнению ученых, 15 млрд лет назад, на протяжении породившего Вселенную Громадного взрыва должно было появиться антивещества и одинаковое количество вещества.

Имеется два объяснения этого парадокса: или в следствии непонятных до тех пор пока физических процессов антивещество сходу провалилось сквозь землю, или оно существует в каких-то далеких уголках Вселенной. И в случае если второе объяснение справедливо, то мы с вами живем в той части, где существует лишь вещество. Но имеется возможность, что антивещество из второй части Вселенной может залетать в отечественный мир.

И, вероятнее, оно объявится в виде самых несложных антиядер (наподобие антигелия, антиуглерода и т. п.). В отличие от них более легкие античастицы (к примеру, антипротоны) и без того появляются при высокоэнергетических столкновениях простых частиц. Но искать антиядра на Земле безтолку: если они и долетают до границ воздуха, то тут же аннигилируют.

Так что на поиски антивещества нужно отправляться в космос.

Теоретически опыт достаточно несложен: частицы космических лучей, пролетая через детектор, оставляют в нем след. Детектор находится в замечательном магнитном поле, которое искривляет траектории заряженных частиц. Траектории положительно заряженных простых ядер должны отклоняться в одну сторону, а отрицательно заряженных антиядер — в другую.

В 60−70е годы несколько физиков под управлением нобелевского лауреата Луиса Альвареца отправляла магнит для поиска частиц антиматерии в небо на воздушных шарах. Было зарегистрировано более 40 тыс. частиц, но ни одна из них не имела отношения к антиматерии. А в 2002 году громадный воздушный шар BESS количеством в 1,1 млн куб. м, запущенный в небо Канады японскими и американскими физиками, висел в том месте приблизительно 22 часа на высоте около 23 км.

Закрепленное на нем оборудование весом 2400 кг складывалось из магнита и трекового детектора частиц, но и тогда найти ядра антивещества не удалось. Поиск антиядер при помощи шара продолжат в декабре 2003-го — январе 2004 года в Антарктике.

Следы среди звезд

Первый космический опыт по поиску антивещества был предпринят во второй половине 90-ых годов двадцатого века, на протяжении полета шаттла «Дискавери» к станции «Мир». Российско-американскую команду ученых управлял нобелевский лауреат американец Сэмюэль Тинг. Но пара дней поисков не стали причиной поимке ни одного отрицательного ядра.

Стало ясно, что ловить нужно значительно продолжительнее.

На 2005 год интернациональное сообщество физиков под управлением Тинга собирается организовать поиск ядер антивещества, установив детекторы на Интернациональной космической станции (МКС). В опыте опять участвуют и русские ученые: сердце опыта, неповторимый сверхпроводящий магнит трекового детектора, испытывают в Курчатовском центре, совокупность охлаждения разрабатывают в Университете ядерной физики МГУ, а Университет экспериментальной и теоретической физики будет заниматься математическим обеспечением опыта, обработкой и сбором данных.

На станцию будет доставлен магнитный спектрометр альфачастиц (АМС), что установят снаружи. Ожидается, что, проходя через разные детекторы АМС, частицы высоких энергий будут влиять на них, а обрабатывая данные, поступившую от каждого детектора, удастся выяснить природу частиц и осознать, откуда они пришли.

Ловушка для антиматерии

АМС складывается из разных детекторов, сверхпроводящего магнита, системы и электроники охлаждения.

Сверхпроводящий магнит заставляет заряженные частицы, движущиеся в свободном пространстве по прямой, поменять траекторию.

База магнита — две катушки из ниобиевотитановой проволоки, охлажденные до сверхнизкой температуры (1,8 К). Для поддержания температуры в течение трех лет употребляется 360 кг жидкого гелия, что, неспешно испаряясь, и будет охлаждать катушку. А для сохранения температуры гелия вся совокупность заключена в громадный и прочный вакуумный корпус, что кроме этого делает функцию каркаса.

Кстати, не считая главных катушек, АМС снабжен комплектом курсовых компенсирующих магнитов: без них под действием магнитного поля Почвы Интернациональная космическая станция будет поворачиваться подобно стрелке компаса.

Определяющий скорость частиц самых высоких энергий детектор переходного излучения — восьмиугольная «надстройка» АМС, складывающаяся из 20 слоев пластика, перемежающегося 20 слоями наполненных газовой смесью «трубок». Другие детекторы спектрометра, ни особый времяпролетный детектор, ни детектор черенковского излучения (о них обращение ниже), не смогут различить тип высокоэнергетических частиц.

При кинетической энергии более 200 ГэВ тяжело отличить протоны (с массой 1000 МэВ) от электронов (0,5 МэВ) либо мюонов (100 МэВ). А детектор переходного излучения способен определять лоренц-фактор частицы (пропорционален отношению энергии к массе E/m), что у электронов и протонов резко отличается.

Проходя через детектор переходного излучения, электроны с высокой энергией приводят к рентгеновскому излучению, а протоны нет. Наряду с этим излучение ионизирует смесь газов и в газонаполненных трубках появляется разряд.

Под детектором переходного излучения находится сердце спектрометра — кремниевый трековый детектор. Он смотрит за траекториями частиц в магнитном поле. Чем больше их импульс, тем прямее след.

Наряду с этим положительно заряженная частица будет отклоняться вправо, а отрицательно заряженная — влево.

Трековый детектор складывается из восьми громадных узких страниц кремния с нанесенными на них миллионами узких алюминиевых полос. Врезаясь в полосу, частица порождает электрический сигнал, и он дает знать с точностью до десяти микрон, где случилось столкновение. Соединив же точки столкновений в различных слоях, возможно отследить направление перемещения частицы.

Кривизна траектории частицы продемонстрирует ее знак и импульс заряда, сила сигнала — заряд частицы, а направление следа — откуда она показалась и где ожидать объявления вторых частиц в остальных детекторах.

Космический секундомер

Для правильного измерения скорости частиц употребляется особый времяпролетный детектор, что засекает время выхода и входа частицы. Он складывается из пластиковых сцинтилляторов (это органические соединения, каковые владеют свойством излучать свет при прохождении частиц), любой из которых просматривается фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) с обоих торцов. Проходя через сцинтиллятор, частица оставляет световой след, что замечается фотоумножителем.

Отличие между сигналами «входного» и «выходного» ФЭУ и дает время пролета.

Электрон с простой для космических лучей энергией (миллиарды электронвольт) движется со скоростью, близкой к скорости света, а протон либо ядро при таком же импульсе будет двигаться намного медленнее. Потому, что погрешность образовывает около 2%, детектор сможет отличить частицу, летящую со скоростью 96% от скорости света, от частицы, движущейся со скоростью 99% от скорости света.

Времяпролетный детектор делает и еще одну ответственную функцию. Потому, что он самый стремительный, он в один момент помогает и спусковым крючком для всех остальных детекторов, давая предупреждение о появлении частицы.

Ниже установлен детектор черенковского излучения, заполненный сверхлегким стеклом, в котором размещены маленькие фотодетекторы.

В стекле свет движется медленнее, чем в вакууме, и в то время, когда частицы входят в стекло, появляется световое подобие звукового удара (как при преодолении самолетом скорости звука), фиксируемое детекторами.

Детектор черенковского излучения разрешает с высокой точностью определять скорость частиц, что разрешает в комбинации с информацией о траектории совершенно верно указать массу (при необходимости различать легкие изотопы).

Еще одна часть АМС — электромагнитный калориметр — громадной свинцовый кирпич, талантливый задержать кроме того самые высокоэнергетические частицы. Ясно, что это не просто кирпич, а скорее слоеный пирог из пластикового сцинтиллятора и свинца. Слои свинца задерживают частицы, а прозрачные слои сцинтиллятора являются детектором: как и во времяпролетном детекторе, фотоумножители улавливают испускаемый свет.

Ионизирующая частица высокой энергии, проходя через калориметр, формирует много вторичных частиц, каковые, взаимодействуя с веществом калориметра, со своей стороны создают вторичные частицы. Образуется ливневой дождь частиц в направлении перемещения первичной частицы. Измеряя световой выход сцинтилляторов, возможно выяснить тип и энергию частицы.

За секунду через АМС пролетает в различных направлениях около десяти тысяч частиц. Не все из них стоят внимания: ученых интересуют частицы, пролетающие сверху вниз через пара детекторов (около 2000 частиц в секунду). Дабы не отвлекаться по мелочам, АМС окружен со всех сторон (не считая торцов), как барьером, особым сцинтилляционным счетчиком антисовпадений, имеющим право veto (так называемым ветосчетчиком).

В следствии анализируются лишь те частицы, каковые прошли через все детекторы и не прошли через ветосчетчик.

АМС управляется сотнями компьютеров, начиная от небольших, несущих ответственность за газовую совокупность, и заканчивая главным, собирающим все сведения о частицах.

Части спектрометра имеют пара совокупностей терморассеивания. И самая сложная из них — железные прутья с высокой теплопроводностью, охлаждаемые особой совокупностью на углекислом газе, — защищает трековый детектор, находящийся в самом центре (он выделяет практически 200 Вт).

Помимо этого, АМС имеет алюминиевый «внешний скелет». В космосе он не так уж нужен, но при запуске шаттла ему приходится выдерживать громадные нагрузки.

Рукотворная антиматерия

На Земле схожие опыты, посвященные изучениям поведения элементарных частиц, удачно проводятся уже пара десятков лет. В Европейском центре ядерных изучений (CERN) приблизительно в одном из десяти миллионов столкновений частиц высокой энергии с веществом рождается пара «протон — антипротон». Антипротоны отбирают, изолируют от простого вещества (дабы они не аннигилировали) и накапливают для предстоящего применения.

Пара лет назад в CERN получила первая «фабрика антивещества».

В 2000 году в том месте начались три опыта, в которых ученые применяют антипротоны для атомов антивещества — антиводорода (антипротон, около которого крутится позитрон) и антигелия (ядра из двух антипротонов и двух антинейтронов с двумя позитронами на орбитах). Эти атомы удалось не только взять, но и изучить.

К концу прошлого года в CERN удалось создать около 50 тыс. атомов холодного антиводорода, энергии которых хватит, к примеру, дабы зажечь одноваттную электрическую лампочку на 0,01 секунды. Действительно, для их получения было затрачено энергии на большое количество порядков больше.

Из истории открытия антиматерии

Во второй половине 20-ых годов двадцатого века юный физик Поль Дирак вывел формулу, обрисовывающую перемещение частиц со скоростями, родными к скорости света. Главным выводом было теоретическое подтверждение существования двух частиц — электрона с хорошей и электрона с отрицательной энергией. Потому, что отрицательной энергии не существует, Дирак высказал предположение, что у каждой частицы имеется отражение — античастица, владеющая противоположным зарядом.

Нобелевская лекция Дирака, в которой ученый сказал о существовании складывающихся из антивещества Антивселенных, положила начало истории поиска антиматерии.

Первой найденной античастицей стал позитрон (античастица электрона), открытый американским физиком Карлом Андерсоном в первой половине 30-ых годов двадцатого века. В 1955 году в Соединенных Штатах на ускорителе в Калифорнии был обнаружен антипротон, а в первой половине 60-ых годов двадцатого века — антинейтрон. В 1965 году в Европейском центре ядерных изучений (CERN) удалось синтезировать ядро антидейтерия, складывающееся из антинейтрона и антипротона.

В последующие годы в разных лабораториях мира, а также в Российской Федерации (в Дубне и в Серпухове), были взяты и более тяжелые антиядра: антитритий (два антинейтрона плюс один антипротон), изотопы антигелия, антиберилия и т. д. Но это были только одиночные ядра.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№12, октябрь 2003).

Кривое Зеркало Не парься.Юмор.


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: