Antihmota - Antimatter

Fotografie mrakové komory prvního pozorovaného pozitronu , 2. srpna 1932.

V moderní fyzice je antihmota definována jako hmota složená z antičástic (neboli „partnerů“) odpovídajících částic v „obyčejné“ hmotě. Na urychlovačích částic se denně generuje nepatrný počet antičástic - celková umělá produkce byla jen několik nanogramů - a v přírodních procesech, jako jsou srážky kosmického záření a některé typy radioaktivního rozpadu , ale jen malá část z nich byla úspěšně spojena dohromady v experimentech tvořit antiatomy. Kvůli extrémním nákladům a obtížnosti výroby a manipulace nebylo nikdy sestaveno žádné makroskopické množství antihmoty.

Částice a její antičástice (například proton a antiproton ) mají teoreticky stejnou hmotnost , ale opačný elektrický náboj a další rozdíly v kvantových číslech . Například proton má kladný náboj, zatímco antiproton má záporný náboj.

Srážka jakékoli částice s jejím protičásticovým partnerem vede k jejich vzájemné anihilaci , což vede k různým poměrům intenzivních fotonů ( gama paprsků ), neutrin a někdy i méně masivních párů částic a antičástic. Většina celkové energie anihilace vzniká ve formě ionizujícího záření . Pokud je přítomna okolní hmota, bude energetický obsah tohoto záření absorbován a přeměněn na jiné formy energie, jako je teplo nebo světlo. Množství uvolněné energie je obvykle úměrné celkové hmotnosti sražené hmoty a antihmoty v souladu s významnou rovnicí ekvivalence hmotnosti a energie , E = mc 2 .

Částice antihmoty se navzájem váží za vzniku antihmoty, stejně jako se obyčejné částice váží za vzniku normální hmoty. Například pozitron (antičásticí z elektronu ) a antiproton (antičásticí protonu) může tvořit antihydrogen atom. Na jádra z antihelium byly uměle vytvořený, byť s obtížemi, a jsou nejsložitější anti-jádra dosud pozorovány. Fyzikální principy naznačují, že jsou možná komplexní atomová jádra antihmoty, stejně jako anti-atomy odpovídající známým chemickým prvkům.

Existují pádné důkazy, že pozorovatelný vesmír se skládá téměř výhradně z běžné hmoty, na rozdíl od stejné směsi hmoty a antihmoty. Tato asymetrie hmoty a antihmoty ve viditelném vesmíru je jedním z největších nevyřešených problémů ve fyzice . Proces, kterým se tato nerovnost mezi částicemi hmoty a antihmoty vyvinula, se nazývá baryogeneze .

Definice

Částice antihmoty lze definovat jejich záporným baryonovým číslem nebo leptonovým číslem , zatímco částice „normální“ (bez antihmoty) hmoty mají kladné baryonové nebo leptonové číslo. Tyto dvě třídy částic jsou navzájem partikulárními partnery. „ Pozitron “ je ekvivalent antihmoty „ elektronu “.

Francouzský termín contra-terrena vedlo k initialism „CT“ a sci-fi termínu „seetee“, jak je používán v takových románů jako Seetee lodi .

Konceptuální historie

Myšlenka negativní hmoty se objevuje v minulých teoriích hmoty, které byly nyní opuštěny. William Hicks v 80. letech 19. století diskutoval pomocí kdysi populární vortexové gravitační teorie o možnosti hmoty s negativní gravitací . Mezi 80. a 90. lety 19. století navrhoval Karl Pearson existenci „stříkanců“ a propadů toku éteru . Stříkání představovalo normální hmotu a dřezy představovaly negativní hmotu. Pearsonova teorie vyžadovala pro proudění éteru dovnitř čtvrtou dimenzi.

Termín antihmota poprvé použil Arthur Schuster ve dvou dost rozmarných dopisech Nature v roce 1898, ve kterých tento termín razil. Hypotetizoval antiatomy i celé antihmotové sluneční soustavy a diskutoval o možnosti vzájemného zničení hmoty a antihmoty. Schusterovy myšlenky nebyly vážným teoretickým návrhem, pouze spekulací a stejně jako předchozí myšlenky se lišily od moderního pojetí antihmoty v tom, že měla negativní gravitaci .

Moderní teorie antihmoty začala v roce 1928 článkem od Paula Diraca . Dirac si uvědomil, že jeho relativistická verze tohoto Schrödinger vlnová rovnice pro elektrony předpověděl možnost antielectrons . Ty byly objeveny Carl D. Andersonem v roce 1932 a pojmenovány pozitrony z „pozitivního elektronu“. Ačkoli Dirac sám termín antihmota nepoužíval, jeho použití dostatečně přirozeně navazuje na antielektrony, antiprotony atd. Kompletní periodickou tabulku antihmoty předpokládal Charles Janet v roce 1929.

Interpretace Feynman-Stueckelberg uvádí, že antihmotu a antičástice jsou pravidelné částice cestují zpět v čase.

Zápis

Jedním ze způsobů, jak označit antičástici, je přidání pruhu nad symbol částice. Například proton a antiproton jsou označeny jako
p
a
p
, resp. Stejné pravidlo platí, pokud by člověk měl oslovit částici podle jejích složek. Proton se skládá z
u

u

d
kvarky , proto musí být vytvořen antiproton
u

u

d
antikvarků . Další konvencí je rozlišovat částice kladným a záporným elektrickým nábojem . Elektron a pozitron jsou tedy označeny jednoduše jako
E-
a
E+
resp. Aby se předešlo záměně, tyto dvě konvence se nikdy nemíchají.

Vlastnosti

Teoretizované antigravitační vlastnosti antihmoty jsou v současné době testovány na experimentu AEGIS v CERN. Antihmota, která přijde do styku s hmotou, zničí oba a zanechá za sebou čistou energii. Je zapotřebí výzkumu ke studiu možných gravitačních účinků mezi hmotou a antihmotou a mezi antihmotou a antihmotou. Výzkum je však obtížný vzhledem k tomu, že se tito dva setkají, že zničí, spolu se současnými obtížemi zachycovat a obsahovat antihmotu.

Existují přesvědčivé teoretické důvody se domnívat, že kromě skutečnosti, že antičástice mají na všech nábojích různá znaménka (jako jsou elektrické a baryonové náboje), mají hmota a antihmota přesně stejné vlastnosti. To znamená, že částice a jí odpovídající antičástice musí mít stejnou hmotnost a životnost rozpadu (pokud je nestabilní). Z toho také vyplývá, že například hvězda tvořená antihmotou („antistar“) bude zářit stejně jako obyčejná hvězda. Tato myšlenka byla experimentálně testována v roce 2016 experimentem ALPHA , který měřil přechod mezi dvěma nejnižšími energetickými stavy antihydrogenu . Výsledky, které jsou totožné s vodíkem, potvrdily platnost kvantové mechaniky pro antihmotu.

Původ a asymetrie

Denně proběhne asi 500 pozemských záblesků gama . Červené tečky ukazují ty, které spatřil kosmický teleskop Fermi Gamma-ray v roce 2010. Modré oblasti ukazují, kde může dojít k potenciálnímu blesku pro pozemské záblesky gama .
Video, které ukazuje, jak vědci použili detektor gama paprsků Fermiho gama kosmického dalekohledu k odhalení výbuchů antihmoty způsobené bouřkami

Většina hmoty pozorovatelné ze Země se zdá být vyrobena spíše z hmoty než z antihmoty. Pokud by existovaly oblasti vesmíru s převahou antihmoty, byly by detekovatelné gama paprsky produkované v anihilačních reakcích podél hranice mezi oblastmi hmoty a antihmoty.

Antičástice se vytvářejí všude ve vesmíru, kde dochází ke srážkám vysokoenergetických částic. Vysokoenergetické kosmické paprsky dopadající na zemskou atmosféru (nebo jakoukoli jinou hmotu ve sluneční soustavě ) produkují nepatrné množství antičástic ve výsledných tryskách částic , které jsou okamžitě zničeny kontaktem s blízkou hmotou. Mohou být podobně vyráběny v oblastech, jako je centrum z Mléčné dráhy a dalších galaxií, kde se vyskytují velmi energické nebeská akce (především v interakci relativistické trysky s mezihvězdným médiem ). Přítomnost výsledné antihmoty je detekovatelná dvěma paprsky gama produkovanými pokaždé, když pozitrony zničí blízkou hmotu. Frekvence a vlnové délky gama paprsky indikují, že každý nese 511  keV energie (to znamená, že zbytek hmota z elektronu vynásobí c 2 ).

Vyjádření podle European Space Agency ‚s INTEGRAL satelitu může vysvětlit vznik obřího mraku antihmoty kolem galaktického centra. Pozorování ukazují, že oblak je asymetrický a odpovídá vzoru rentgenových binárních souborů (binárních hvězdných systémů obsahujících černé díry nebo neutronové hvězdy), většinou na jedné straně galaktického centra. Přestože mechanismus není zcela pochopen, pravděpodobně zahrnuje produkci párů elektronů a pozitronů, protože běžná hmota získává kinetickou energii, zatímco padá do hvězdného zbytku .

Antihmota může existovat v relativně velkých množstvích v dalekých galaxiích v důsledku kosmické inflace v prvotním čase vesmíru. Očekává se, že pokud budou existovat antihmotové galaxie, budou mít stejnou chemii a absorpční a emisní spektra jako galaxie s normální hmotou a jejich astronomické objekty budou pozorovatelně totožné, takže je bude obtížné je rozlišit. NASA se pokouší zjistit, zda takové galaxie existují, hledáním rentgenových a gama paprskových podpisů anihilačních událostí v kolidujících superklastrech .

V říjnu 2017 vědci pracující na experimentu BASE v CERN hlásili měření antiprotonového magnetického momentu s přesností 1,5 části na miliardu. Je to v souladu s nejpřesnějším měřením protonového magnetického momentu (také provedeného společností BASE v roce 2014), které podporuje hypotézu symetrie CPT . Toto měření představuje poprvé, kdy je vlastnost antihmoty známa přesněji než ekvivalentní vlastnost v hmotě.

Kvantová interferometrie antihmoty byla poprvé prokázána v laboratoři L-NESS R. Ferraguta v Como (Itálie) skupinou vedenou M. Giammarchim.

Přírodní produkce

Pozitrony se přirozeně produkují v β + rozpadech přirozeně se vyskytujících radioaktivních izotopů (například draslíku-40 ) a v interakcích gama kvanta (emitovaných radioaktivními jádry) s hmotou. Antineutrina jsou dalším druhem antičástic vytvořených přirozenou radioaktivitou (β - rozpad). Kosmické paprsky také produkují (a obsahují) mnoho různých druhů antičástic . V lednu 2011 objevil výzkum Americké astronomické společnosti antihmotu (pozitrony) pocházející z bouřkových mraků; pozitrony se vyrábějí v pozemských záblescích gama záření vytvořených elektrony urychlenými silnými elektrickými poli v oblacích. Bylo také zjištěno, že antiprotony existují ve Van Allenových pásech kolem Země modulem PAMELA .

Antičástice se také vyrábějí v jakémkoli prostředí s dostatečně vysokou teplotou (střední energie částic je větší než práh párové produkce ). Předpokládá se, že v období baryogeneze, kdy byl vesmír extrémně horký a hustý, se hmota a antihmota neustále vyráběly a ničily. Přítomnost zbývající hmoty a absence detekovatelné zbývající antihmoty se nazývá baryonová asymetrie . Přesný mechanismus, který vytvořil tuto asymetrii během baryogeneze, zůstává nevyřešeným problémem. Jednou z nezbytných podmínek této asymetrie je narušení symetrie CP , která byla experimentálně pozorována u slabé interakce .

Nedávná pozorování naznačují, že černé díry a neutronové hvězdy produkují pomocí trysek obrovské množství pozitronového elektronového plazmatu.

Pozorování v kosmických paprscích

Satelitní experimenty nalezly důkazy o pozitronech a několika antiprotonech v primárních kosmických paprscích, což představuje méně než 1% částic v primárních kosmických paprscích. Tato antihmota nemohla být vytvořena ve Velkém třesku, ale je přisuzována tomu, že byla vyrobena cyklickými procesy při vysokých energiích. Například páry elektronů a pozitronů mohou být vytvořeny v pulsarech , protože magnetizovaný cyklus rotace neutronové hvězdy odstřihává páry elektronů a pozitronů od povrchu hvězdy. Tam antihmota vytvoří vítr, který narazí na ejecta předchůdců supernov. Toto zvětrávání probíhá, když „studený, magnetizovaný relativistický vítr spuštěný hvězdou zasáhne nerelativisticky expandující ejektu, při nárazu se vytvoří systém rázové vlny: vnější se šíří v ejektu, zatímco zpětný šok se šíří zpět směrem ke hvězdě . " První vymrštění hmoty ve vnější rázové vlně a druhá produkce antihmoty v reverzní rázové vlně jsou kroky v cyklu vesmírného počasí.

Předběžné výsledky z aktuálně pracujícího Alpha magnetického spektrometru ( AMS-02 ) na palubě Mezinárodní vesmírné stanice ukazují, že pozitrony v kosmických paprscích přicházejí bez směrovosti a s energiemi, které se pohybují od 10 GeV do 250 GeV. V září 2014 byly v diskusi v CERN prezentovány nové výsledky s téměř dvakrát větším množstvím dat a publikovány ve Physical Review Letters. Bylo zaznamenáno nové měření pozitronové frakce až do 500 GeV, které ukazuje, že pozitronová frakce vrcholí maximálně asi 16% z celkového počtu událostí elektron+pozitron, kolem energie 275 ± 32 GeV. Při vyšších energiích, až 500 GeV, začne poměr pozitronů k elektronům opět klesat. Absolutní tok pozitronů také začíná klesat před 500 GeV, ale vrcholí při energiích mnohem vyšších než energie elektronů, které dosahují vrcholu kolem 10 GeV. Předpokládá se, že tyto výsledky interpretace jsou způsobeny produkcí pozitronů při událostech zničení hmotných částic temné hmoty .

Antiprotony kosmického záření mají také mnohem vyšší energii než jejich protějšky s normální hmotou (protony). Na Zemi dorazí s charakteristickou energií maximálně 2 GeV, což naznačuje jejich produkci zásadně odlišným procesem od protonů kosmického záření, které mají v průměru jen jednu šestinu energie.

V kosmických paprscích probíhá hledání větších jader antihmoty, jako jsou jádra antihelium (tj. Částice anti-alfa). Detekce přirozeného antihelia by mohla znamenat existenci velkých struktur antihmoty, jako je antistar. Prototyp AMS-02 určený AMS-01 , byl letecky převezen do vesmíru na palubě raketoplánu Discovery na STS-91 v červnu 1998. Tím, že zjištění jakékoliv antihelium vůbec, AMS-01 stanovena horní hranice 1,1 x 10 - 6 pro poměr toku antihelium a hélia . AMS-02 odhalil v prosinci 2016, že objevil několik signálů v souladu s jádry antihelium uprostřed několika miliard jader hélia. Výsledek je třeba ověřit a tým se v současné době pokouší vyloučit kontaminaci.

Umělá výroba

Pozitrony

V listopadu 2008 bylo hlášeno, že pozitrony byly generovány národní laboratoří Lawrence Livermore ve větším počtu než jakýkoli předchozí syntetický proces. Laser jel elektrony přes gold cílových v jádrech , které způsobily příchozí elektrony k vyzařování energie kvant který se rozkládal do obou hmoty a antihmoty. Pozitrony byly detekovány vyšší rychlostí a větší hustotou, než kdy dříve byly detekovány v laboratoři. Předchozí experimenty dělaly menší množství pozitronů pomocí laserů a papírových tenkých cílů; nové simulace ukázaly, že krátké výboje ultraintenzivních laserů a milimetru tlustého zlata jsou mnohem účinnějším zdrojem.

Antiprotony, antineutrony a antinukleáře

Existenci antiprotonu experimentálně potvrdila v roce 1955 Kalifornská univerzita, fyzikové z Berkeley Emilio Segrè a Owen Chamberlain , za což jim byla v roce 1959 udělena Nobelova cena za fyziku . Antiproton se skládá ze dvou nahoru antikvarků a jednoho dolů antikvaru (
u

u

d
). Vlastnosti antiprotonu, které byly naměřeny, všechny odpovídají odpovídajícím vlastnostem protonu, s výjimkou antiprotonu, který má opačný elektrický náboj a magnetický moment než proton. Brzy poté, v roce 1956, byl antineutron objeven při srážkách proton -proton v Bevatronu ( Národní laboratoř Lawrence Berkeley ) Brucem Corkem a jeho kolegy.

Kromě anti baryonů byla vytvořena anti-jádra skládající se z více vázaných antiprotonů a antineutronů. Ty jsou typicky produkovány při energiích příliš vysokých na to, aby vytvářely atomy antihmoty (s vázanými pozitrony místo elektronů). V roce 1965 skupina výzkumníků vedená Antoninem Zichichim oznámila výrobu jader antideuteria v Proton Synchrotronu v CERNu . Zhruba ve stejnou dobu zaznamenala skupina amerických fyziků pozorování jader antideuteria v Alternating Gradient Synchrotron v Brookhaven National Laboratory .

Atomy vodíku

Zařízení pro antihmotu
Nízkoenergetický antiprotonový prsten (1982-1996)
Antiprotonový akumulátor Výroba antiprotonu
Sběratel antiprotonu Zpomalené a uložené antiprotony
Továrna na antihmotu (2000-současnost)
Antiprotonový zpomalovač (AD) Zpomaluje antiprotony
Extra nízkoenergetický antiprotonový prsten (ELENA) Vymaže antiprotony přijaté od AD

V roce 1995 CERN oznámil, že úspěšně zavedl devět žhavých atomů vodíku implementací konceptu SLAC / Fermilab během experimentu PS210 . Experiment byl proveden pomocí nízkoenergetického antiprotonového prstenu (LEAR) a vedl ho Walter Oelert a Mario Macri. Společnost Fermilab brzy potvrdila zjištění CERN tím, že ve svých zařízeních vyrobila přibližně 100 atomů vodíku. Atomy vodíku vytvořené během PS210 a následných experimentů (jak v CERN, tak ve Fermilabu) byly extrémně energetické a nebyly vhodné ke studiu. K vyřešení této překážky a lepšímu porozumění antihydrogenu byly koncem devadesátých let vytvořeny dvě spolupráce, konkrétně ATHENA a ATRAP .

V roce 1999 CERN aktivoval Antiproton Decelerator , zařízení schopné zpomalit antiprotony z3500  MeV5,3 MeV  -stále příliš „horké“ na produkci studijně účinného antivodíku, ale obrovský skok vpřed. Na konci roku 2002 projekt ATHENA oznámil, že vytvořili první „studený“ antihydrogen na světě. Projekt ATRAP vydal podobné výsledky velmi krátce poté. Antiprotony použité v těchto experimentech byly ochlazeny jejich zpomalením pomocí Antiproton Decelerator, jejich průchodem tenkou fólií a nakonec zachycením do pasti Penning -Malmberg . Celkový proces chlazení je funkční, ale vysoce neefektivní; přibližně 25 milionů antiprotonů opustí Antiproton Decelerator a zhruba 25 000 se dostane do pasti Penning -Malmberg, což je asi1/1000 nebo 0,1% z původní částky.

Antiprotony jsou při prvním uvěznění stále horké. Aby je dále ochladili, jsou smíchány do elektronového plazmatu. Elektrony v tomto plazmatu se ochlazují cyklotronovým zářením a poté sympaticky chladí antiprotony pomocí Coulombových srážek. Nakonec jsou elektrony odstraněny aplikací krátkodobých elektrických polí, takže antiprotony mají energie menší než100  meV . Zatímco jsou antiprotony ochlazovány v první pasti, je z radioaktivního sodíku zachycen malý oblak pozitronů v pozitronovém akumulátoru ve stylu Surko. Tento mrak je poté zachycen ve druhé pasti poblíž antiprotonů. Manipulace zachycovacích elektrod pak převrátí antiprotony do pozitronové plazmy, kde se některé spojí s antiprotony a vytvoří antihydrogen. Tento neutrální antivodík není ovlivněn elektrickými a magnetickými poli použitými k zachycení nabitých pozitronů a antiprotonů a během několika mikrosekund narazí antihydrogen na stěny pasti, kde se zničí. Tímto způsobem bylo vyrobeno několik stovek milionů atomů vodíku.

V roce 2005 se ATHENA rozpustila a někteří bývalí členové (spolu s dalšími) vytvořili ALPHA Collaboration , která má také sídlo v CERNu. Konečným cílem tohoto úsilí je testovací CPT symetrie skrz srovnání atomových spekter z vodíku a antihydrogen (viz vodíku spektrální série ).

V roce 2016 byl postaven nový antiprotonový zpomalovač a chladič s názvem ELENA (Extra Low ENergy Antiproton decelerator). Odebere antiprotony z antiprotonového zpomalovače a ochladí je na 90 keV, což je dostatečně „studené“ na studium. Tento stroj pracuje s využitím vysoké energie a zrychlováním částic v komoře. Lze zachytit více než sto antiprotonů za sekundu, což je obrovské zlepšení, ale vytvoření nanogramu antihmoty by přesto trvalo několik tisíc let .

Většinu vyhledávaných vysoce přesných testů vlastností antihydrogenu bylo možné provést pouze tehdy, pokud byl antivodík zachycen, tj. Držen na místě relativně dlouhou dobu. Zatímco atomy vodíku jsou elektricky neutrální, otáčení jejich částic vytváří magnetický moment . Tyto magnetické momenty mohou interagovat s nehomogenním magnetickým polem; některé atomy vodíku mohou být přitahovány k magnetickému minimu. Takové minimum lze vytvořit kombinací zrcadlových a vícepólových polí. Antivodík může být uvězněn v takové magnetické pasti na minimum (minimum-B); v listopadu 2010 spolupráce ALPHA oznámila, že takto zachytili 38 atomů vodíku asi na šestinu sekundy. Bylo to poprvé, kdy byla uvězněna neutrální antihmota.

Dne 26. dubna 2011 společnost ALPHA oznámila, že uvěznila 309 atomů vodíku, některé po dobu až 1 000 sekund (asi 17 minut). To bylo delší, než kdy byla neutrální antihmota dosud uvězněna. ALPHA použila tyto zachycené atomy k zahájení výzkumu spektrálních vlastností antihydrogenu.

Největším limitujícím faktorem velkovýroby antihmoty je dostupnost antiprotonů. Nedávné údaje zveřejněné CERN uvádí, že když jsou plně funkční, jejich zařízení jsou schopna produkovat deset milionů antiprotonů za minutu. Za předpokladu 100% přeměny antiprotonů na antihydrogen by trvalo 100 miliard let vyrobit 1 gram nebo 1 mol antihydrogenu (přibližně6,02 × 10 23 atomů anti-vodíku).

Antihelium

Jádra antihelium-3 (3
On
) byly poprvé pozorovány v 70. letech minulého století v experimentech srážky proton -jádro v Institutu pro fyziku vysokých energií skupinou Y. Prockoshkina (Protvino u Moskvy, SSSR) a později byly vytvořeny v kolizních experimentech jádro -jádro. Srážky mezi jádry a jádry vytvářejí antinukleata prostřednictvím sloučení antiprotonů a antineutronů vytvořených v těchto reakcích. V roce 2011 hlásil detektor STAR pozorování uměle vytvořených jader antihelium-4 (částice anti-alfa) (4
On
) z takových srážek.

Alpha Magnetic Spectrometer na Mezinárodní vesmírné stanice má, od roku 2021, zaznamenal osm události, které naznačují, detekce antihelium-3.

Zachování

Antihmotu nelze skladovat v nádobě z běžné hmoty, protože antihmota reaguje s jakoukoli hmotou, které se dotkne, zničí sama sebe a stejné množství nádoby. Antihmota ve formě nabitých částic může být obsažena kombinací elektrických a magnetických polí v zařízení zvaném Penningova past . Toto zařízení však nemůže obsahovat antihmotu, která se skládá z nenabitých částic, pro které se používají atomové pasti . Zejména může taková past využívat dipólový moment ( elektrický nebo magnetický ) zachycených částic. Při vysokém vakuu mohou být částice hmoty nebo antihmoty zachyceny a ochlazeny mírně rezonančním laserovým zářením pomocí magnetooptické pasti nebo magnetické pasti . Malé částice lze také zavěsit pomocí optické pinzety pomocí vysoce zaostřeného laserového paprsku.

V roce 2011 dokázali vědci z CERNu uchovat antihydrogen přibližně 17 minut. Rekord v uchovávání antičástic je v současné době držen experimentem TRAP v CERN: antiprotony byly drženy v Penningově pasti po dobu 405 dní. V roce 2018 byl předložen návrh vyvinout technologii zadržování dostatečně pokročilou, aby obsahovala miliardu protonů v přenosném zařízení, které bude odvezeno do jiné laboratoře pro další experimenty.

Náklady

Vědci tvrdí, že antihmota je nejdražší materiál na výrobu. V roce 2006 Gerald Smith odhadoval, že 250 milionů dolarů by mohlo vyprodukovat 10 miligramů pozitronů (což odpovídá 25 miliardám dolarů za gram); v roce 1999 NASA poskytla údaj 62,5 bilionu dolarů za gram antihydrogenu. Je to proto, že výroba je obtížná (v reakcích v urychlovačích částic se vyrábí jen velmi málo antiprotonů) a protože existuje vyšší poptávka po jiném použití urychlovačů částic . Podle CERN to stálo několik set milionů švýcarských franků na výrobu asi 1 miliardtiny gramu (množství dosud používané pro srážky částic/antičástic). Pro srovnání, při výrobě první atomové zbraně byly náklady na projekt Manhattan odhadovány na 23 miliard USD s inflací v průběhu roku 2007.

Několik studií financovaných Institutem pro pokročilé koncepce NASA zkoumá, zda by bylo možné použít magnetické naběračky ke sběru antihmoty, která se přirozeně vyskytuje ve Van Allenově pásu Země, a nakonec , doufejme , pásy plynných obrů, jako je Jupiter za nižší cenu za gram.

Využití

Lékařský

Reakce hmoty a antihmoty mají praktické aplikace v lékařském zobrazování, jako je pozitronová emisní tomografie (PET). V pozitivním rozpadu beta , je nuklid ztrácí přebytek kladný náboj od emitující pozitron (ve stejném případě, proton stává neutron a neutrin je emitováno). Nuklidy s přebytečným kladným nábojem se snadno vyrábějí v cyklotronu a jsou široce generovány pro lékařské použití. V laboratorních experimentech se také ukázalo, že antiprotony mají potenciál léčit některá nádorová onemocnění, podobnou metodou, která se v současné době používá pro iontovou (protonovou) terapii.

Pohonné hmoty

Izolovaná a uložená antihmota by mohla být použita jako palivo pro meziplanetární nebo mezihvězdné cesty jako součást jaderného pulzního pohonu katalyzovaného antihmotou nebo jiné antihmotové rakety . Vzhledem k tomu, že energetická hustota antihmoty je vyšší než u konvenčních paliv, měla by kosmická loď poháněná antihmotou vyšší poměr tahu k hmotnosti než konvenční kosmická loď.

Pokud by srážky hmoty a antihmoty vedly pouze k emisi fotonů , celá klidová hmotnost částic by byla převedena na kinetickou energii . Energie na jednotku hmotnosti (9 x 10 16  J / kg ) je přibližně 10 o několik řádů větší, než chemické energie , a o 3 řády vyšší než jaderné potenciální energie , která se může uvolnit, dnes, za použití jaderného štěpení (o200 MeV na štěpnou reakci nebo8 × 10 13  J/kg ) a asi o 2 řády větší než nejlepší možné výsledky očekávané od fúze (asi6,3 × 10 14  J/kg pro řetězec proton – proton ). Reakce nakg antihmoty sVytvoří se 1 kg hmoty1,8 × 10 17  J (180 petajoulů) energie (podle vzorce ekvivalence hmotnosti a energie , E = mc 2 ), nebo hrubý ekvivalent 43 megatonů TNT - o něco méně než výtěžek 27 000 kg cara Bomby , největšího termonukleární zbraň, která kdy vybuchla.

Ne všechna tato energie může být využita jakoukoli realistickou technologií pohonu kvůli povaze produktů ničení. Zatímco reakce elektronu a pozitronu vedou k fotonům gama záření, je obtížné je nasměrovat a použít pro tah. V reakcích mezi protony a antiprotony se jejich energie převádí do značné míry na relativistické neutrální a nabité piony . Mezi neutrální piony rozkládat téměř okamžitě (s životností 85 attoseconds ) do vysokoenergetických fotonů, ale nabité piony rozpadají pomaleji (s životností 26 nanosekund) a může být vychýlen magneticky produkovat tah .

Nabité piony se nakonec rozpadnou na kombinaci neutrin (nesoucí asi 22% energie nabitých pionů) a nestabilních nabitých mionů (nesoucích asi 78% energie nabitých pionů ), přičemž miony se pak rozpadnou na kombinaci elektronů, pozitronů a neutrina (viz rozpad mionu ; neutrina z tohoto rozpadu nesou asi 2/3 energie mionů, což znamená, že z původních nabitých pionů by celkový podíl jejich energie přeměněný na neutrina jednou nebo druhou cestou byl asi 0,22 + (2/3) - 0,78 = 0,74 ).

Zbraně

Antihmota byla považována za spouštěcí mechanismus jaderných zbraní. Hlavní překážkou je obtížnost výroby antihmoty v dostatečně velkém množství a neexistuje žádný důkaz, že by to někdy bylo proveditelné. Americké vojenské letectvo nicméně financovalo studie fyziky antihmoty ve studené válce a začalo zvažovat její možné použití ve zbraních, a to nejen jako spouštěč, ale i jako samotnou výbušninu.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy