Что такое антиматерия?
Антиматерия — это форма материи, состоящая из античастиц, которые являются аналогами обычных частиц материи. Каждая частица материи имеет свою античастицу с противоположным электрическим зарядом. Например, античастица электрона, называемая позитроном, имеет положительный заряд вместо отрицательного. Другими античастицами являются антипротон (античастица протона) и антинейтрон (античастица нейтрона). Когда частица вещества и ее античастица встречаются, они аннигилируют друг с другом в процессе, называемом аннигиляцией. При этом выделяется энергия в виде гамма-излучения. Именно поэтому антиматерия так интересна для науки и физики частиц: вступая в контакт с веществом, она может выделять значительное количество энергии. Это свойство имеет потенциальное применение в таких областях, как производство энергии, ядерная медицина и космическая двигательная установка.
Эксперимент Alpha по изучению антиматерии
Эксперимент Alpha представляет собой значительную веху в исследовании материи и антиматерии. Почти два десятилетия потребовалось ученым ЦЕРН, чтобы разработать эту совершенную экспериментальную методику. Результат подтвердил предсказания общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В эксперименте Alpha использовалась сложная вертикальная магнитная ловушка, предназначенная для захвата атомов антивещества. Они удерживаются магнитным полем, создаваемым двумя катушками, расположенными в верхнем и нижнем концах ловушки. Такая среда позволяет ученым изучать поведение атомов антиводорода в контролируемых условиях.
Один из самых интересных вопросов, возникающих в связи с этим открытием, — понять, как и почему во Вселенной возникла такая асимметрия между материей и антиматерией. Согласно законам физики, во время Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Однако если бы это было так, то можно было бы ожидать, что эти два вещества аннигилируют друг с другом, оставляя после себя только энергию. Вместо этого мы наблюдаем Вселенную, в которой преобладает материя. Это говорит о существовании неизвестного различия между взаимодействиями материи и антиматерии, которое позволило материи возобладать. Эксперимент Alpha открыл новые возможности для решения этого вопроса, побудив научное сообщество к более глубокому изучению тайн физики частиц и антиматерии.
Падение антиматерии
Сердцем эксперимента Alpha является наблюдение за падением атомов антиводорода. Атомы, скопившиеся в магнитной ловушке, медленно высвобождаются путем уменьшения напряженности магнитного поля. Такое контролируемое высвобождение позволяет ученым наблюдать, в каком направлении «падают» атомы, и измерять влияние гравитации. В более чем десятке экспериментов ученые изменяли напряженность магнитного поля как в верхней, так и в нижней части ловушки. Такое варьирование проводилось для исключения возможных ошибок. Результаты выявили замечательный факт: когда ослабленные магнитные поля были точно сбалансированы вверх и вниз, около 80 процентов атомов антиводорода аннигилировали под ловушкой. Этот результат однозначно подтверждает, что гравитация влияет на падение антиводорода так же, как и на падение обычной материи.
Материя и антиматерия: перспективы развития
Материя и антиматерия в принципе эквивалентны, за исключением противоположного электрического заряда частиц. Однако одна из самых глубоких загадок современной физики известна как «барионная асимметрия». Несмотря на кажущуюся эквивалентность частиц, Вселенная состоит в основном из материи и очень ограниченного количества антиматерии. Это явление не дает покоя ученым всего мира, которые ищут объяснение этой асимметрии.
Хотя это открытие согласуется с предсказаниями общей теории относительности, ученые считают, что современный уровень точности пока не позволяет сделать новые выводы о гравитации на основе того, что уже известно. Будущая задача состоит в том, чтобы проверить теоретические предсказания с большей точностью. Авторы также изучают взаимодействие антиводорода с электромагнитным излучением с помощью спектроскопии. Это исследование может раскрыть дополнительные детали поведения антиводорода и помочь выявить его отличия от водорода.