Antimatter har länge varit föremål för science fiction. I boken och filmen Angels and Demons försöker professor Langdon rädda Vatikanen från en antimatterbombe. Star Trek-rymdskeppet Enterprise använder en förintande antimattermotor för att köra snabbare än ljusets hastighet. Men antimateria är också ett objekt för vår verklighet. Antimateriapartiklar är praktiskt taget identiska med deras materialpartner, förutom att de har motsatt laddning och snurr. När antimateria möter materien, förstörs de omedelbart till energi, och detta är inte längre fiktion.
Även om antimateribomber och fartyg baserade på samma bränsle ännu inte är möjliga i praktiken, finns det många fakta om antimateria som kommer att överraska dig eller låta dig uppdatera ditt minne om det du redan visste.
1. Antimatter skulle förstöra all materia i universum efter Big Bang
Enligt teorin födde Big Bang materia och antimateria i lika stora mängder. När de möts finns det ömsesidig förintelse, förintelse och bara ren energi återstår. Baserat på detta borde vi inte existera.
Men vi existerar. Och såvitt fysiker vet det beror detta på att för varje miljard materia-antimateriella par fanns en extra partikel av materia. Fysiker försöker sitt bästa för att förklara denna asymmetri.
Kampanjvideo:
2. Antimatter är närmare dig än du tror
Små mängder antimaterre regnar ständigt ner på jorden i form av kosmiska strålar, energipartiklar från rymden. Dessa partiklar av antimateria når vår atmosfär i nivåer från en till över hundra per kvadratmeter. Forskare har också bevis på att antimateria genereras under åskväder.
Det finns andra källor till antimateria som är närmare oss. Bananer, till exempel, producerar antimateria genom att släppa ut en positron - antimateriaekvivalenten för en elektron - ungefär en gång per 75 minut. Detta beror på att bananer innehåller små mängder kalium-40, en naturligt förekommande isotop av kalium. När kalium-40 sönderfall föds ibland en positron.
Våra kroppar innehåller också kalium-40, vilket innebär att du också släpper ut positroner. Antimaterier förintas omedelbart vid kontakt med materien, så dessa partiklar av antimateria håller inte så länge.
3. Människor lyckades skapa väldigt lite antimateria
Förintelsen av antimateria och materia har potential att frigöra enorma mängder energi. Ett gram antimateria kan ge en explosion på storleken av en kärnbombe. Men människor har inte producerat mycket antimateria, så det finns ingenting att frukta.
Alla antiprotoner skapade vid Tevatron-partikelacceleratorn på Fermi Laboratories kommer knappt att väga 15 nanogram. CERN har hittills bara producerat cirka 1 nanogram. På DESY i Tyskland - inte mer än 2 nanogram positrons.
Om all antimateria som skapas av människor förintas omedelbart kommer energin inte ens att räcka för att koka en kopp te.
Problemet ligger i effektiviteten och kostnaden för att producera och lagra antimateria. Skapandet av 1 gram antimateria kräver cirka 25 miljoner kilowattimmar energi och kostar över en miljon miljarder dollar. Det är inte förvånande att antimateria ibland listas som ett av de tio dyraste ämnena i vår värld.
4. Det finns en sådan sak som en antimatterfälla
För att studera antimateria måste du förhindra att den förstörs med materien. Forskare har hittat flera sätt att göra detta.
Laddade antimateriella partiklar som positroner och antiprotoner kan lagras i så kallade Penning-fällor. De är som små partikelacceleratorer. Inuti dem rör sig partiklarna i en spiral medan magnetiska och elektriska fält hindrar dem från att kollidera med fällorna.
Penningfällor fungerar dock inte för neutrala partiklar som antihydrogen. Eftersom de inte har någon laddning kan dessa partiklar inte begränsas till elektriska fält. De fångas i Ioffes fällor, som fungerar genom att skapa ett rymdområde där magnetfältet blir större i alla riktningar. Partiklar av antimateria fastnar i området med det svagaste magnetfältet.
Jordens magnetfält kan fungera som fällor för antimateria. Antiprotoner hittades i vissa zoner runt jorden - Van Allen-strålningsbälten.
5. Antimateria kan falla (i bokstavlig mening)
Materialpartiklar och antimateria har samma massa, men skiljer sig åt i egenskaper som elektrisk laddning och snurr. Standardmodellen förutspår att tyngdkraften ska agera lika på materie och antimateria, men detta återstår att se med säkerhet. Experiment som AEGIS, ALPHA och GBAR arbetar med detta.
Att observera gravitationseffekten på exemplet med antimateria är inte lika lätt som att titta på ett äpple som faller från ett träd. Dessa experiment kräver fångst av antimateria eller bromsar det genom att kyla till temperaturer precis över absolut noll. Och eftersom tyngdkraften är den svagaste av de grundläggande krafterna, måste fysiker använda neutrala antimateriella partiklar i dessa experiment för att förhindra interaktion med den kraftigare kraften i elektricitet.
6. Antimateria studeras i partikelmoderatorer
Har du hört talas om partikelacceleratorer och har du hört talas om partikelavbromsare? På CERN finns det en maskin som heter Antiproton Decelerator, där antiprotons fångas och bromsas för att studera deras egenskaper och beteende.
I ringpartikelacceleratorer som Large Hadron Collider får partiklar en energisk boost varje gång de fullbordar en cirkel. Retarders arbetar på motsatt sätt: istället för att påskynda partiklar, skjuts de i motsatt riktning.
7. Neutrino kan vara deras egna antipartiklar
En partikel av materia och dess antimaterialpartner har motsatta laddningar, vilket gör det enkelt att skilja mellan dem. Neutrino, nästan masslösa partiklar som sällan interagerar med materia, har ingen laddning. Forskare tror att de kan vara Majorana-partiklar, en hypotetisk klass av partiklar som är deras egna antipartiklar.
Projekt som Majorana Demonstrator och EXO-200 syftar till att bestämma om neutrinoer verkligen är Majorana-partiklar genom att observera beteendet hos det som kallas neutrinolös dubbel beta-förfall.
Vissa radioaktiva kärnor sönderfaller samtidigt och avger två elektroner och två neutrino. Om neutrinoer var deras egna antipartiklar, skulle de förstöra efter dubbel förfall, och forskare skulle bara behöva observera elektroner.
Sökandet efter Majorana-neutrinoer kan hjälpa till att förklara varför asymmetri av materia-antimateria finns. Fysiker föreslår att Majorana-neutrino kan vara antingen tunga eller lätta. Lungorna finns i vår tid, och de tunga existerade omedelbart efter Big Bang. Tunga Majorana-neutrino förföll asymmetriskt, vilket ledde till uppkomsten av en liten mängd materia som fyllde vårt universum.
8. Antimatter används i medicin
PET, PET (Positron Emission Topography) använder positroner för att producera kroppsbilder med hög upplösning. Positronemitterande radioaktiva isotoper (som de vi hittade i bananer) fäster vid kemikalier som glukos i kroppen. De injiceras i blodomloppet där de förfaller naturligt och avger positroner. Dessa möter i sin tur kroppens elektroner och förintas. Förintelse producerar gammastrålar som används för att konstruera en bild.
Forskare från ACE-projektet vid CERN studerar antimateria som en potentiell kandidat för cancerbehandling. Läkarna har redan räknat med att de kan rikta partikelstrålar på tumörer, och emitterar sin energi först efter att de säkert passerar genom frisk vävnad. Att använda antiprotons kommer att lägga till en extra spräng av energi. Denna teknik har visat sig vara effektiv vid behandling av hamstrar, men har ännu inte testats på människor.
9. Antimatter kan lura i rymden
Ett av sätten som forskare försöker lösa problemet med asymmetri av materia-antimateria är genom att leta efter antimaterier kvar från Big Bang.
Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) är en partikeldetektor som finns på den internationella rymdstationen och letar efter sådana partiklar. AMS innehåller magnetfält som böjer banan för kosmiska partiklar och skiljer materia från antimateria. Dess detektorer måste upptäcka och identifiera sådana partiklar som de passerar.
Kosmiska strålkollisioner producerar vanligtvis positroner och antiprotoner, men chansen att skapa en antiheliumatom förblir extremt liten på grund av den enorma mängden energi som denna process kräver. Detta innebär att observationen av minst en kärna av antihelium skulle vara ett kraftfullt bevis på förekomsten av gigantiska mängder antimateria någon annanstans i universum.
10. Människor lär sig faktiskt att utrusta antimateriellt bränsle för rymdskepp är
Mycket lite antimateria kan generera enorma mängder energi, vilket gör det till ett populärt bränsle för futuristiska science fiction-fartyg.
Antimateriell raketframdrivning är hypotetiskt möjlig; den huvudsakliga begränsningen är att samla in tillräckligt antimateria för att detta ska ske.
Det finns ännu ingen teknik för massproduktion eller insamling av antimateria i de mängder som krävs för en sådan applikation. Men forskare arbetar med att imitera sådan rörelse och lagring av denna mycket antimateria. En dag, om vi kan hitta ett sätt att producera stora mängder antimateria, kan deras forskning hjälpa interstellära resor att bli verklighet.
Baserat på material från symmetrymagazine.org
ILYA KHEL