Antimaterija

Teoriškai gamtoje yra keliskart galingesnės energijos už bet kurią mums žinomą, ir tai yra, pavyzdžiui, antimaterija. Šiuo metu žmonijos turimas branduolinis kuras leidžia sukelti 3000 sekundžių galios impulsą. Branduolinė terminė sintezė jj gali padidinti iki 100 000 sekundžių, o antimaterija - net iki keliais milijonais sekundžių matuojamo impulso. Juo pasinaudojus iki Marso būtų galima nuskristi beveik per mėnesį.

I dalis

Antimaterijos branduoliai sudaryti iš antinuklonų, o jų išorinė danga - iš pozitronų. Dėl krūvio įtampos ir galingo invariantų (vadinamojo invarianto C) poveikio antibranduoliams būdinga tokia pati masė ir energinis spektras kaip branduoliams, kurie atitinkamai sudaryti iš nuklonų. Be to, antimaterijos ir materijos atomų struktūra ir cheminės ypatybės turi būti identiškos. Iš materijos sudarytam objektui susidūrus su objektu iš antimaterijos, jų sudėtyje esančios dalelės ir antidalelės anihiliuojasi.

1959 metais fizikas Emilio Sergė gavo Nobelio premiją už antiprotonų atradimą

Dėl lėtųjų elektronų ir pozitronų anihiliacijos susidaro gamakvantai, o dėl lėtųjų nuklonų ir antinuklonų anihiliacijos susidaro keletas vadinamųjų pi-mezonų. Suirus šiems mezonams, susidaro kietieji gama spinduliai su daugiau kaip 70 MeV gamakvaminės energijos.

Antielektronus (pozitronus) teoriškai numatė Paulis Diracas, o eksperimentais atrado Carlas Andersonas. Antiprotonai buvo atrasti 1955, antineutronai - 1960, o 1969 metais - ir antihelio branduoliai. Vis dėlto niekaip nepavyko rasti antimaterijos atomų. Be to, per visą greitintuvų istoriją iš viso pavyko pagauti tik labai mažai antidalelių - visų per metus greitintuvais sintezuotų antiprotonų galėtų užtekti geriausiu atveju vienai elektros lemputei vos kelioms sekundėms įžiebti.

II dalis

Pirmą kartą apie devynių antimaterijos (antivandenilio) atomų sintezę projekte ATRAP pranešta 1995 metais. Egzistavę apie 40 nanosekundžių, šie pavieniai atomai žuvo, tuo tarpu spėdami išskirti pakankamą spinduliuotę. 1997 metais Ženevos apylinkėje pradėtas statyti deceleratorius - stabdomoji priemonė, leidžianti palėtinti („atvėsinti") antiprotonus dar 10 milijonų kartų daugiau nei 1995 metais. Šis įrenginys, pavadintas antiprotonų lėtintuvu, pradėjo veikti 2002 metais.

Lėtintuvas sudarytas iš keturių pagrindinių dalių: spąstai antiprotonams gaudyti, pozitronų kaupiklis, spąstai-maišytuvas ir antivandenilio detektorius. Antiprotonų srautas iš pradžių stabdomas mikrobangų spinduliais, paskui atvėsinamas žemos energijos lygio elektronų srauto šilumokaičiu, o tada patenka į 15 laipsnių Kelvino temperatūros spąstus-maišytuvą.

Pozitronų kaupiklis iš eilės sulėtina, pagauna ir kaupia pozitronus iš radioaktyviojo šaltinio. Pusė šių pozitronų patenka į spąstus-maišytuvą, kur jie dar atvėsinami sinchrotronine spinduliuote. Visa tai būtina tam, kad būtų įmanoma sudaryti kuo daugiau antivandenilio atomų.

Kaip žmonėms dažnai atsitinka, lėtinant antiprotonus prasidėjo arši dviejų mokslininkų grupių konkurencija -veikė atskiri eksperimentai ATHENA ir ATRAP. 2002 metais ATHENA pranešė, kad jiems pavyko gauti 50 tūkstančių antimaterijos, t. y. antivandenilio atomų. Jie buvo užfiksuoti anihiliacijos momentu, o to įrodymu laikomas dviejų kietųjų kvantinių pėdsakų susikirtimas viename taške. Šie kvantai susidaro anihiliuojantis elektronams-pozitronams kartu su pionais, atsirandančiais anihiliuojantis antiprotonarns ir protonams. Taip mokslininkai gavo pirmąją antimateriįos nuotrauką - sintezuotą tokių taškų kompiuterinį vaizdą. Kadangi anihiliavosi tik tie atomai, kurie ištrūko iš spąstų (iš viso tokių suskaičiuota tik 130), pranešti 50 000 antivandenilio atomų faktiškai sudarė tik šios nuotraukos foną.

NASA kosminės misijos STS134 į kosmosą pakeltas alfamagnetinis spektrometras. Per kosminį skrydį tyrinėta galima antimaterijos, tamsiosios materijos ir kosminės spinduliuotės sąveika

Problema ta, kad antivandenilio anihiliacija registruota bendrajame, gerokai stipresniame pozitronų ir antiprotonų anihiliacijos fone. Jis sukėlė konkurento ATRAP narių skepsį. Netrukus jie pranešė tuo pačiu įrenginiu sintezavę antivandenilį, sugebėję sudėtingais magnetiniais spąstais užregistruoti antivandenilio atomų be jokio fono signalo.

Eksperimento rezultatas - susidarę antivandenilio atomai tapo elektriškai neutralūs ir, kitaip nei pozitronai ir antiprotonai, sugebėjo laisvai išeiti iš tos srities, kurioje buvo įkrautos dalelės. Būtent ten, taigi be jokio fono, jie ir buvo užfiksuoti. ATRAP pranešė, kad jiems pavyko gauti 170 000 antivandenilio atomų.

Tai jau buvo vertinama kaip didelis pasiekimas. Dabar gauto antivandenilio kiekio visiškai pakako, kad būtų pradėta rimtai tyrinėti jo savybes, kurios, kaip jau kelis kartus minėta, gali mesti rimtą iššūkį šiuolaikinės fizikos pagrindams.

III dalis

Vis dėlto domėjimasis antimaterija nėra vien tik teorinis. Antimaterija varomas variklis gali veikti, pavyzdžiui, taip: iš pradžių sudaromi du debesys iš kelių trilijonų antiprotonų, kuriuos susidūrus su materija sulaiko elektromagnetiniai spąstai. Paskui tarp jų įvedami 42 nanogramai sunkiųjų degalų dalelių. Tai yra urano-238 kapsulė, kurioje yra deuterio ir helio-3 arba deuterio ir tričio mišinys. Antiprotonai akimirksniu anihiliuojasi su urano branduoliais ir priverčia juos suirti į fragmentus. Šie fragmentai kartu su atsiradusiais gama kvantais taip įkaitina kapsulės vidų, kad ten prasideda branduolinė reakcija. Jos produktus, turinčius milžinišką energiją, dar stipriau išjudina magnetinis laukas ir jie išskrieja per variklio angą. Taip būtų galima suteikti šiuo metu žmogaus protui dar nesuvokiamos galios trauką, pavyzdžiui, kosminiam laivui.

Materijos ir antimaterijos susidūrimo taške atsiranda atominė energija

Grįžtant prie idėjos apie skrydį į Marsą per vieną mėnesį, fizikai jau pasiūlė šiam tikslui naudoti visai kitokią technologiją - branduolio skaldymą, katalizuojamą antiprotonų. Tada visam šiam skrydžiui reikėtų 140 nanogramų antiprotonų, neskaitant radioaktyviųjų degalų. Naujausi eksperimentiniai matavimai, naudojant Kalifornijoje pastatytą elementariųjų dalelių linijinį greitintuvą, leido mokslininkams atsakyti į klausimą, kodėl Visatoje materijos daugiau nei antimaterijos.
Eksperimento rezultatai patvirtinto anksčiau iškeltas prielaidas apie šių dviejų priešingų esybių vystymosi disbalansą. Vis dėlto, pasak mokslininkų, atlikti tyrimai iškėlė daugiau naujų klausimų nei sugebėjo duoti atsakymų į jau esamus. Eksperimentai su greitintuvu iki galo nepaaiškina, kodėl kosmose tiek daug materijos, t. y. milijardai galaktikų, kuriose begalė žvaigždžių ir planetų.

IV dalis

Dėl Didžiojo sprogimo turėjo susidaryti vienodas kiekis materijos ir antimaterijos, kuri vėliau viena kitą anihiliuotų, ir nebeliktų nieko kita kaip tik energija. Vis dėlto mūsų pažįstama Visata yra neginčijamas įrodymas, kad materija kažkodėl nugalėjo antimateriją!

Kad suprastų, kaip tai galėjo įvykti, fizikai ištyrė efektą, vadinamą krūvių pusiausvyros sutrikimu. Tokiam efektui stebėti mokslininkai ištyrė B-mezonus ir anti-B-mezonus, t. y. labai trumpai - trilijoninę sekundės dalį - egzistuojančias daleles. Šių absoliučiai priešingų dalelių elgesio skirtumai rodo materijos ir antimaterijos skirtumus ir iš dalies paaiškina, kodėl viena dominuoja. Eksperimentui reikalingi milijonai B-mezonų ir anti-B-mezonų susidarė susidūrus greitintuve atsiradusiems elektronų ir pozitronų spinduliams. Pirmieji rezultatai, gauti 2001 metais, aiškiai rodo sutrikusią B-mezonų dalelių pusiausvyrą.

Naujausi matavimai atitinka standartinį modelį, aprašantį elementariąsias daleles ir jų sąveiką. Patvirtinto krūvių pusiausvyros sutrikimo laipsnio paties savaime nepakanka, kad būtų galima paaiškinti materijos ir antimaterijos disbalansą Visatoje. Taigi, pasak mokslininkų, be sutrikusios dalelių pusiausvyros įvyko dar kažkas, kas leido vyrauti materijai, kuri paskui virto žvaigždėmis, planetomis ir gyvaisiais organizmais. Šios paslapties įminimas kada nors taps labiausiai jaudinančiu žmonijos atradimu. O tada į Marsą jau bus galima nuskristi šiaip - paatostogauti.