Оглавление

Аннотация 2

Введение 2

1.Состав и свойство антиматерии и античастиц. 4

2.Открытие античастиц. 7

Используемая литература: 16

Аннотация

       Эта работа посвящена проблеме изучения антиматерии и античастиц. В реферате будет рассмотрено общее описание антиматерии и античастиц, также процесс образования античастиц и их развитие. Описан процесс антинигиляции. Представлены различные исследования ученых, их разработки и опыты связанные с открытием новых возможностей.

Введение

       Материя имеет и сложное структурное  строение. На основе достижений современной  науки мы можем указать некоторые  ее виды и структурные уровни. Известно, что до конца XIX в.естествознание не шло дальше молекул и атомов. С открытием радиоактивности электронов начался прорыв физики в более глубокие области материи. В настоящее время физикой открыто множество различных элементарных частиц.

       Но  все же классическая модель физики не может дать объяснение множеству феноменов Вселенной. Для разрешения этой проблемы была выдвинута гипотеза о существовании античастиц и состоящей из них антиматерии. Согласно теории, вещество и антивещество возникли в равных пропорциях сразу после Большого Взрыва. Однако существуют только косвенные признаки антиматерии: наблюдения за космосом не дали прямых указаний на ее присутствие.

       В течение многих лет исследователи  хотели создать значительное количество антивещества проверить так называемую Стандартную модель, которая описывает  элементарные частицы и их взаимодействия. Антивещество разрушается всякий раз, когда он сталкивается с материей, превращаясь в обоих всплесков  излучения. Сегодня, Вселенная состоит  из преимущественно одной формы  материи и ученые не уверены, почему это так.

       Физики  говорят, что массовое производство антиматерии, важный первый шаг на пути к точности исследования его свойств, которые могут помочь решить одну из величайших тайн Вселенной.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Состав  и свойство антиматерии  и античастиц.

       Антиматерия – форма материи, в котором большинство атрибутов (электрические заряды, магнитный момент элементарных частиц имеют обратные знаки.

 Почти  все элементарные частицы имеют  античастицы. Исключение составляют  истинно нейтральные частицы,  такие как кванты электромагнитного  поля – фотоны.

         По своим свойствам античастицы  не отличаются от частиц. Из  них можно образовать атомы  и молекулы. Однако, Вселенная, в  котором мы живем, содержит  гораздо больше частиц, чем античастиц. Ответ на вопрос, почему так  произошло, еще не найдена.

Античастицы могут быть созданы в ускорителях, например в CERN (Женева, Швейцария), лаборатории  Ферми (США), в Центре ядерных исследований (Дубна, Россия).

         Образование античастиц проходит  обычно благодаря процессу, обращенном аннигиляции – процесса рождения пар. Для этого необходима энергия, больше суммарную массу частицы и античастицы.

 Простейшие  из античастиц – античастицы  электронов – позитроны, возникают  сравнительно часто вследствие  различных ядерных реакций. Необходимая  для этого энергия сравнительно  невелика ввиду легкость лептонов – несколько больше 1 МэВ.

         Античастицы барионов требуют  для образования энергию более  1 ГэВ. 

 Впервые  атом антиводорода наблюдали в 1995 году в эксперименте SP20 на ускорителе LEAR в CERN, но тогда он существовал только в ускорителе течение очень малого времени (порядка 40 нс) и двигался со скоростью, близкой к скорости света. Всего было зарегистрировано 9 атомов антиводорода. Такая антиматерия не подходила для изучения свойств, поэтому ученые начали конструировать «ловушки», в которых ее можно накапливать и удерживать.

         Для этого нужно «охладить»  антипротоны, снизить их энергию  и скорость движения. CERN – единственный  центр в мире, имеет оборудование, специально предназначенное для  создания и исследования низкоэнергетических  антипротонов.

         Антипротоны в эксперименте ALPHA производятся  в условиях вакуума, однако  это не решает проблемы аннигиляции,  они остаются окруженные обычной  материей. Поэтому, чтобы продлить  время жизни антивещества, ученые  «сконструировали» ловушку с  очень сильного и сложного  по конфигурации магнитного поля. При сверхнизких температурах  в такой ловушке накапливаются  атомы антиводорода, полученные при соединении антипротонов и позитронов, движущихся с примерно равными скоростями.

         В результате удалось на много  порядков увеличить время жизни  атомов антиводорода: в эксперименте ALPHA атом антиматерии существует в течение десятой доли секунды, и этого вполне достаточно для изучения ее свойств

         Антиводень – атом, состоящий из антипротона и позитрона – впервые был получен в 1995 году в ЦЕРНе в эксперименте PS210. В ноябре 2010 появилось сообщение, что 38 атомов антиводорода были захвачены в магнитную ловушку и содержались там примерно 1 / 6 секунды.

Описывающие двойственную природу Вселенной  законы физики отлично работают, подтверждаясь  на практике, однако у ученых возникает  вопрос – как это возможно, когда  подавляющая часть видимого нами космоса состоит из обычной материи? Для объяснения этого феномена существует две различные теории. Первая из них гласит, что особенности различия между материей и антиматерией привели к постепенному доминированию обычного вещества. Античастицы оказались или вытеснены из нашей Вселенной, или в силу какой-то нестабильности прекратили существования. И лишь остатки этой физической формы изредка могут быть зарегистрированы научной аппаратурой.

       По  другой теории существования антиматерии  большинство частиц и античастиц аннигилировали сразу после Большого Взрыва, и лишь небольшие их скопления  оказались разбросаны в разные концы  космоса. Тогда где-то, очень далеко от нас должна находиться целая Вселенная  из антиматерии, которую освещают анти-звезды и, может быть, населяет анти-жизнь. Положить конец всем спорам и предложить единую теорию антивещества поможет обнаружение химического элемента, полностью состоящего из античастиц. Возможно, какой-нибудь антипод водорода или гелия сможет рассказать ученым много нового – как он появился, откуда пришел и как сможет существовать в нашей материальной Вселенной. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Открытие  античастиц.

       Существование античастиц было  впервые предсказано в 1930 году  английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

      В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы.

      Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются  знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. Это  следует из общих принципов квантовой  теории поля и подтверждается надежными  экспериментальными данными.

      С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них - частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e ^- ,  m ^-, t ^- , соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа - это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны (g, Z⁰), то есть все их квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W ⁺, W ^-) также образуют  пары частица - античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков, должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав ( ), антинейтрон — ( ). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: p ^- - мезон состоит из кварков   ( ), а p ⁺ мезон состоит из кварков ( ). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки ( например, p⁰,r,h- мезоны, куда входят пары кварков , и ); также мезоны будут истинно нейтральными.

      Характерная особенность поведения частиц и  античастиц - их аннигиляция при  столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е ^- + е ⁺ ® g + g. Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е ^- + е ⁺ ® m ^- + m ⁺. В таких реакциях были открыты “очарованные” и “прелестные” частицы. В аналогичном процессе е ^- + е ⁺ ® t ^- + t ⁺ открыли тяжелый t - лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

      Операция  замены частиц на античастицы получила название зарядового сопряжения. Так  как истинно нейтральные частицы  тождественны своим античастицам, то при операции зарядового сопряжения они переходят сами в себя.

      В сильных и электромагнитных взаимодействиях  имеется полная симметрия между  частицами и античастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеет те же характеристики аналогичный процесс с соответствующими античастицами. Подобно тому как протоны и нейтроны благодаря сильному взаимодействию связываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовываться антиядра.

      В 1965 году на ускорителе в США был  получен антидейтрон. В 1969 году в Протвино на ускорителе Института физики высоких энергий советские физики открыли ядра антигелия-3, состоящие из двух антипротонов и антинейтрона. Затем были открыты и ядра антитрития - тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов. В принципе можно представить себе  и антиатомы, и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом.

      Ведь  аннигиляция только 1 грамма вещества и антивещества приводит к выделению 10 ¹⁴ Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космических лучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нет сомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества.

      Но  так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень  больших температурах около 10¹³ К количество частиц и античастиц почти совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов (10 ^-9) и дало сведения о величине избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом.

      Откуда  же взялся этот избыток? Одна из гипотез  предполагает, что в начальном  состоянии число частиц и античастиц совпадало, но затем из-за особенностей в динамике их взаимодействия возникла асимметрия.

      Аннигиляция — это единственный процесс, в  котором исчезает обе начальные  частицы и вся их масса полностью  переходит, например, в энергию фотонов. Никакая другая реакция, используемая в энергетике, таким свойством  не обладает. И при делении урана, и в процессах термоядерного  синтеза в энергию превращается лишь небольшая часть (порядка десятых  долей процента) массы покоя частиц, участвующих в реакции. Поэтому  аннигиляция антивещества с веществом  даёт в тысячу раз больше энергии, чем при делении такогоже количества урана. Если бы в нашем распоряжении была небольшая планетка из антивещества, то все проблемы с энергетическим кризисом сразу отпали. Предположим мы научились бы переводить всю энергию аннигиляции в электрическую. Тогда для того, чтобы обеспечить планету годовым запасом электроэнергии, надо отколоть от планеты и подвергнуть аннигиляции всего лишь 1000-килограммовый кусок антивещества. Сравните эти 1000 килограмм с сотнями миллионов тонн угля и нефти, которые мы добываем ежегодно, чтобы решить ту же самую задачу! 

Сколько энергии выделяется на 1 грамм топлива

      1. Аннигиляция вещества и антивещества 10¹⁴ джоулей

      2. Деление урана 10¹¹ джоулей

      3. Сжигание угля                                               2,9ž10⁴ джоулей 

      Антивещество  было бы идеальным топливом ещё и  потому, что оно не загрязняет окружающую среду. После аннигиляции в конечном счёте остаются только фотоны высокой энергии и нейтрино.

          Нашу Землю регулярно  бомбардирует поток космических  лучей — частиц высоких энергий, которые генерируются при различных  процессах, происходящих в нашей  Галактике. Большую часть этих частиц составляют протоны и ядра гелия.

          В 1979 году, в космических лучах были найдены и антипротоны. Об этом сообщили сразу две группы: советские физики из Ленинградского физико-технического института имени А. И. Иоффе и американские учёные из Центра космических полётов имени Л. Джонсона. Позитрон был обнаружен в космических лучах в 1932 году. Такой большой промежуток времени между открытием в космических лучах позитрона и антипротона объясняется тем, что антипротон намного сильнее взаимодействует с веществом, чем позитрон. Антипротоны из космоса не успевают дойти до поверхности Земли, они аннигилируют уже в самых верхних слоях атмосферы. Именно поэтому поиск антипротонов в космических лучах представляет собой сложную техническую задачу. Надо поднять детектор как можно выше, к границе атмосферы. Все эксперименты по поиску античастиц в космических лучах были выполнены на аэростатах. Например, в опытах Р. Голдена воздушный шар поднимал на высоту 36 километров примерно 2 тонны аппаратуры.

      Но  можно ли считать, что эти антипротоны  прилетели к нам из Антимира? Вообще говоря, нельзя. В космических лучах  есть протоны достаточно высокой  энергии, и при столкновении с  частицами, например, межзвёздного газа они могут рождать антипротоны  в той же самой реакции, что  идёт на ускорителях:

      Таким образом, сам факт обнаружения антипротонов в космических лучах можно  объяснить, не привлекая гипотезы об антимире,

      В космических лучах наблюдались  обычные ядра многих элементов таблицы  Менделеева, вплоть до Урана. Однако ни одного антиядра в космических лучах до сих пор обнаружено не было. Правда пределы, которые были получены в опытах по поиску антиядер ещё не настолько низки, чтобы можно уверенно исключить возможность их существования. Сторонники Антимира считают, что поток ядер антигелия должен быть в 10 раз меньше той величины, которую удалось измерить на сегодняшний день. Предсказываемое значение не слишком мало и в принципе достижимо уже в ближайшем будущем.

      Надо  сказать, что если бы удалось обнаружить хотя бы одно ядро антигелия, а ещё лучше — антиуглерода, то это бы стало исключительно серьёзным подтверждением гипотезы о существовании Антимира. Дело в том, что вероятность создать антигелий за счет столкновения протонов космических лучей с веществом межзвёздного газа пренебрежимо мала, меньше 10^-11. В то же время если существуют антизвёзды, то в них антиводород должен перегорать в антигелий, а затем в антиуглерод.

      Как бы то ни было, антиядер пока не зарегистрировано, хотя с большой уверенностью отрицать их присутствие в космических лучах нельзя.

      У нас нет надёжных доказательств  того, что какие-либо частицы Антимира прилетают к нам на Землю. Пока мы не наблюдали ни одного антиядра; результаты по измерению потока антипротонов не могут расцениваться как доказательство существования Антимира — слишком много для этого требуется предположений, которые нуждаются в объяснении и проверки. Вместе с тем наши экспериментальные результаты не настолько полны и точны, чтобы совсем закрыть возможность существования Антимира.

      Однако  данные по космическим лучам могут  наложить некоторые ограничения  на примесь антивещества в нашей  Галактике. Считается, что почти  все космические лучи генерируются в процессах, которые происходят “внутри” нашей Галактики. Поэтому  доля антивещества, возможно существующего  в Галактике, не должна превышать  доли антипротонов и антиядер в космических лучах. Известно, что в космических лучах отношение числа антипротонов к числу протонов приблизительно равно 10^-4, а отношение числа ядер антигелия к числу протонов по крайней мере меньше 10^-5.

      Отсюда  делается вывод: примесь антивещества в Галактике меньше 10^-4 — 10^-5. Это означает, что экспериментальные данные по космическим лучам не противоречат наличию, грубо говоря, одной антизвезды на каждые 10 — 100 тысяч обычных звёзд. Подчеркнём, что такая оценка отнюдь не является доказательства существования антизвёзд. Совершенно неясно, как могли такие антизвёзды образоваться в нашей Галактике.

      Свет  от антизвезды нельзя отличить от видимого света обычных звёзд. Однако процессы термоядерного синтеза, который обеспечивает “горение” звёзд, идут по-разному для звёзд и антизвёзд. Если в первом случае реакции термоядерного синтеза сопровождаются испусканием нейтрино, например в таких процессах: 

      То  в антизвёздах аналогичные реакции приводят к вылету антинейтрино: 

      С экспериментальной точки зрения более выгодно искать громадные  потоки антинейтрино, которые могут  возникать на последней стадии эволюции антизвёзд. Дело в том, что когда звезда исчерпывает все свои запасы термоядерного топлива, она начинает катастрофически быстро сжиматься под действием своих гравитационных сил. Если масса звезды составляет одну-три массы Солнца, то это сжатие продолжается до тех пор, пока электроны не “вдавятся” внутрь атомных ядер, из которых состоит звезда. Пи этом происходит превращение протонов ядер  в нейтроны и испускаются нейтрино: 

      Когда звезда почти целиком будет состоять из нейтронов, сжатие прекратится, так  как силы гравитационного притяжения будут уравновешены мощными силами отталкивания, которые происходят между  нейтронами. Происходит образование  так называемой нейтронной звезды —  стабильного объекта с исключительно  большой плотностью и малыми размерами. Радиус нейтронной звезды с массой Солнца порядка 10 километров (радиус Солнца порядка 700 000 километров).

      Ясно, что при коллапсе антизвезды должны образоваться антинейтроны, и процесс образования антинейтронной звезды будет сопровождаться испусканием антинейтрино: 

      Поток таких антинейтрино должен быть исключительно  велик, ведь при коллапсе практически  каждый из громадного числа протонов звезды, превращаясь в нейтрон, даёт одно нейтрино: число антинейтрино » число антипротонов в антизвезде @ 10⁵⁷.

      Уже существующие нейтринные телескопы  могут зарегистрировать возникновение  такой колоссальной нейтринной вспышки, если она произошла в нашей  Галактике. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вывод.

    В заключение можно сказать, что у  каждой частицы есть античастица, ученым удалось синтезировать антиатомы, источником античастиц является поток антивещества в центре нашей Вселенной и антиводород в будущем может стать альтернативным источником энергии, имеющим огромные преимущества перед другими видами топлива.

      Антиматерия действительно является огромным полем для исследования. Открытие его законов, «приручение» антиматерии – далеко не самые последние задачи, стоящие перед физиками. Эти открытия будут иметь огромную ценность не только с точки зрения «чистой» науки, но и прикладных ее отраслей. Творцы неравновесной термодинамики говорят о новом содержании материи, новом материализме и т.д.

    Образовавшаяся  антиматерия — самая дорогая субстанция на Земле. Производство одного миллиграмма позитронов обходится в 25 миллионов долларов. Исходя из того, насколько ученые представляют себе механизм образования нашей Вселенной, эта субстанция — мини-копия происходящего во Вселенной спустя микросекунду после Большого взрыва.

    Очевидно, что в современной физике очень много перспективных направлений, но, пожалуй, одним из важнейших является изучение антиматерии. На сегодняшний день физики хоть и медленными шагами, но продвигаются в изучении антиматерии. 
 
 
 
 
 
 
 

Используемая  литература:

1. Физическая  энциклопедия [Текст]: т.1 М.: 1990.

2. М.  Саплжников “Антимир реальность?” [Текст] М.: 1983

3. Власов  Н. А. “Антивещество” [Текст] М.: 1960

4.Античастицы и антиматерия [Электронный ресурс] - http://www.newsru.com/world/19sep2002/anti.html

5. Антивещество  античастицы. Антиматерия [Электронный ресурс] - http://www.tradehome.ru/news62338.html