Wie fliege ich in einem Monat zum Mars? Dazu müssen Sie dem Raumschiff einen guten Schub geben. Leider gibt der beste Treibstoff, der dem Menschen zur Verfügung steht, einen spezifischen Impuls von 3000 Sekunden, und der Flug erstreckt sich über viele Monate. Gibt es nicht etwas energischeres zur Hand? Theoretisch gibt es: thermonukleare Fusion; Es liefert einen Impuls von Hunderttausenden von Sekunden, und die Verwendung von Antimaterie liefert einen Impuls von Millionen von Sekunden.
Antimateriekerne bestehen aus Antinukleonen und die äußere Hülle besteht aus Positronen. Aufgrund der Invarianz der starken Wechselwirkung in Bezug auf die Ladungskonjugation (C-Invarianz) haben Antinukleus das gleiche Massen- und Energiespektrum wie Kerne, die aus den entsprechenden Nukleonen bestehen, und die Atome von Antimaterie und Materie müssen identische Struktur und chemische Eigenschaften mit einem einzigen HO aufweisen, der Kollision eines Objekts, bestehend aus Materie, mit einem Gegenstand aus Antimaterie, führt zur Vernichtung von Partikeln und Antiteilchen, die in ihrer Zusammensetzung enthalten sind.
Die Vernichtung langsamer Elektronen und Positronen führt zur Bildung von Gammaquanten, und die Vernichtung langsamer Nukleonen und Antinukleonen führt zur Bildung mehrerer Pi-Mesonen. Infolge nachfolgender Zerfälle von Mesonen wird harte Gammastrahlung mit einer Energie von Gammaquanten von mehr als 70 MeV gebildet.
Antielektronen (Positronen) wurden von P. Dirac vorhergesagt und danach experimentell in „Duschen“von P. Anderson entdeckt, der zu diesem Zeitpunkt noch nicht einmal über Diracs Vorhersage Bescheid wusste. Diese Entdeckung wurde 1936 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Antiproton wurde 1955 im Bevatron in Berkeley entdeckt, das auch mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. 1960 wurde dort ein Antineutron entdeckt. Mit der Inbetriebnahme des Serpukhov-Beschleunigers gelang es unseren Physikern auch, in gewisser Weise voranzukommen - 1969 wurden dort Antiheliumkerne entdeckt. Die Atome der Antimaterie konnten jedoch nicht erhalten werden. Und um ehrlich zu sein, während der gesamten Existenz von Beschleunigern haben Antiteilchen unbedeutende Mengen erhalten - alle Antiprotonen, die in einem Jahr am CERN synthetisiert wurden, reichen aus, um eine Glühbirne mehrere Sekunden lang zu betreiben.
Die erste Botschaft über die Synthese von neun Atomen von Antimaterie - Antiwasserstoff im Rahmen des ATRAP-Projekts (CERN) erschien 1995. Nachdem diese einzelnen Atome etwa 40 ns lang existierten, starben sie ab und setzten die vorgeschriebene Strahlungsmenge frei (die aufgezeichnet wurde). Die Ziele waren klar und rechtfertigten die Bemühungen, die Aufgaben wurden definiert, und 1997 begann das CERN dank internationaler Finanzhilfe in der Nähe von Genf mit dem Bau eines Desselerators (lassen Sie es uns nicht mit dem dissonanten Äquivalent von „Inhibitor“übersetzen), der es ermöglichte, Antiprotonen wieder zu verlangsamen („cool“) zehn Millionen Mal gegenüber der Installation von 1995. Dieses Gerät, Antiproton Moderator (AD) genannt, wurde im Februar 2002 in Betrieb genommen.
Der Aufbau - nachdem die Antiprotonen den Verlangsamungsring verlassen haben - besteht aus vier Hauptteilen: einer Falle zum Einfangen von Antiprotonen, einem Positronenspeicherring, einer Mischfalle und einem Antiwasserstoffdetektor. Der Antiprotonenfluss wird zuerst durch Mikrowellenstrahlung abgebremst und dann infolge des Wärmeaustauschs mit einem Fluss energiearmer Elektronen gekühlt. Danach fällt er in eine Falle - einen Mischer, der eine Temperatur von 15 K hat. Die Positronenspeichervorrichtung verlangsamt sich sukzessive, fängt Positronen von einer radioaktiven Quelle ein und sammelt sie an. Etwa die Hälfte von ihnen fällt in eine Mischfalle, wo sie zusätzlich durch Synchrotronstrahlung gekühlt werden. All dies ist notwendig, um die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Antiwasserstoffatomen signifikant zu erhöhen.
Beim Antiproton Moderator begann ein harter Wettbewerb zwischen zwei Gruppen von Wissenschaftlern, Teilnehmern an den ATHENA-Experimenten (39 Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern der Welt) und ATRAP.
In Nature 2002, Bd. 419, S. 439, ebenda, S. 456), veröffentlicht am 3. Oktober 2002, behauptete das ATHENA-Experiment, es sei ihnen gelungen, 50.000 Antimaterie-Atome - Antiwasserstoff - zu erhalten. Das Vorhandensein von Antimaterie-Atomen wurde zum Zeitpunkt ihrer Vernichtung aufgezeichnet, was durch den Schnittpunkt der Spuren zweier harter Quanten, die während der Vernichtung von Elektronen-Positronen gebildet wurden, und Spuren von Pionen, die aus der Vernichtung eines Antiproton und eines Protons resultierten, an einem Punkt belegt wurde. Das erste "Porträt" der Antimaterie (Foto am Anfang) wurde erhalten - ein Computerbild, das aus solchen Punkten synthetisiert wurde. Da nur die Atome vernichtet wurden, die aus der Falle "gerutscht" waren (und nur 130 davon zuverlässig gezählt wurden), erzeugen die deklarierten 50.000 Antiwasserstoffatome nur einen unsichtbaren Hintergrund des "Porträts".
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Das Problem ist, dass die Antiwasserstoff-Annihilation vor einem allgemeinen, stärkeren Hintergrund der Positronen- und Antiprotonen-Annihilation aufgezeichnet wurde. Dies führte natürlich zu einer gesunden Skepsis bei Kollegen aus dem angrenzenden Konkurrenzprojekt ATRAP. Nachdem sie in derselben Einrichtung Antiwasserstoff synthetisiert hatten, konnten sie mit Hilfe komplexer Magnetfallen ohne Hintergrundsignal Antiwasserstoffatome registrieren. Die im Experiment gebildeten Antiwasserstoffatome wurden elektrisch neutral und konnten im Gegensatz zu Positronen und Antiprotonen den Bereich, in dem geladene Teilchen eingeschlossen waren, frei verlassen. Dort wurden sie ohne Hintergrund registriert.
Es wird geschätzt, dass ungefähr 170.000 Antiwasserstoffatome in der Falle gebildet wurden, wie die Forscher in einem Artikel berichteten, der in Physical Review Letters veröffentlicht wurde.
Und das ist schon ein Erfolg. Nun kann die erhaltene Menge an Antiwasserstoff durchaus ausreichen, um seine Eigenschaften zu untersuchen. Für Antiwasserstoffatome soll beispielsweise die Frequenz des elektronischen Übergangs von 1s-2s (vom Grundzustand in den ersten angeregten Zustand) durch hochauflösende Laserspektroskopieverfahren gemessen werden. (Die Häufigkeit dieses Übergangs in Wasserstoff ist mit einer Genauigkeit von 1,8 · 10–14 bekannt - nicht umsonst wird der Wasserstoffmaser als Frequenzstandard angesehen.) Nach der Theorie sollten sie dieselben sein wie in gewöhnlichem Wasserstoff. Wenn sich beispielsweise das Absorptionsspektrum als unterschiedlich herausstellt, müssen Sie Anpassungen an den grundlegenden Grundlagen der modernen Physik vornehmen.
Das Interesse an Antimaterie - Antimaterie ist jedoch keineswegs rein theoretisch. Ein Antimaterie-Motor kann beispielsweise wie folgt arbeiten. Zunächst werden zwei Wolken von mehreren Billionen Antiprotonen erzeugt, die durch eine elektromagnetische Falle daran gehindert werden, Materie zu berühren. Dann wird ein 42-Nanogramm-Partikel Kraftstoff zwischen ihnen eingespritzt. Es ist eine Uran-238-Kapsel, die eine Mischung aus Deuterium und Helium-3 oder Deuterium und Tritium enthält.
Antiprotonen vernichten sich sofort mit Urankernen und lassen sie in Fragmente zerfallen. Diese Fragmente erwärmen zusammen mit den resultierenden Gammaquanten das Innere der Kapsel so stark, dass dort eine thermonukleare Reaktion beginnt. Seine Produkte, die eine enorme Energie haben, werden durch das Magnetfeld noch stärker beschleunigt und entweichen durch die Motordüse, wodurch das Raumschiff einen unerhörten Schub erhält.
Für den Flug zum Mars in einem Monat empfehlen amerikanische Physiker die Verwendung einer anderen Technologie - der durch Antiprotonen katalysierten Kernspaltung. Dann werden für den gesamten Flug 140 Nanogramm Antiprotonen benötigt, ohne radioaktiven Kraftstoff.
Neue Messungen am Stanford Research Center (Kalifornien), wo ein linearer Teilchenbeschleuniger installiert ist, haben es Wissenschaftlern ermöglicht, Fortschritte bei der Beantwortung der Frage zu erzielen, warum Materie im Universum Vorrang vor Antimaterie hat.
Die Ergebnisse des Experiments bestätigen die früheren Annahmen über die Entwicklung eines Ungleichgewichts dieser entgegengesetzten Einheiten. Wissenschaftler sagen jedoch, dass die durchgeführten Studien mehr Fragen als Antworten aufgeworfen haben: Experimente mit einem Beschleuniger können nicht vollständig erklären, warum es im Weltraum so viel Materie gibt - Milliarden von Galaxien, die mit Sternen und Planeten gefüllt sind.
Wissenschaftler, die mit dem Beschleuniger arbeiteten, maßen einen Parameter, der als Sinus von zwei Beta bekannt ist (0,74 plus oder minus 0,07). Dieser Indikator spiegelt den Grad der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie wider.
Infolge des Urknalls sollte die gleiche Menge an Materie und Antimaterie gebildet worden sein, die dann vernichtet wurde und nichts als Energie hinterließ. Das Universum, das wir beobachten, ist jedoch ein unbestreitbarer Beweis für den Sieg der Materie über die Antimaterie.
Um zu verstehen, wie dies geschehen könnte, untersuchten die Physiker einen Effekt, der als Verletzung der Ladungsgleichheit bezeichnet wird. Um diesen Effekt zu beobachten, untersuchten die Wissenschaftler B-Mesonen und Anti-B-Mesonen, Partikel mit einer sehr kurzen Lebensdauer - Billionenstelsekunden.
Die Unterschiede im Verhalten dieser absolut entgegengesetzten Teilchen zeigen die Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie und erklären teilweise, warum eines das andere überwiegt. Die Millionen von B-Mesonen und Anti-B-Mesonen, die für das Experiment benötigt wurden, wurden als Ergebnis von Kollisionen im Beschleuniger der Elektronen- und Positronenstrahlen gebildet. Die ersten Ergebnisse aus dem Jahr 2001 zeigen eindeutig einen Verstoß gegen die Ladungsgleichheit für B-Mesonen.
"Dies war eine wichtige Entdeckung, aber es müssen noch viele Daten gesammelt werden, um den Sinus von zwei Beta als grundlegende Konstante in der Quantenphysik zu validieren", sagte Stewart Smith von der Princeton University. "Die neuen Ergebnisse wurden nach drei Jahren intensiver Forschung und Analyse von 88 Millionen Ereignissen bekannt gegeben."
Die neuen Messungen stimmen mit dem sogenannten "Standardmodell" überein, das Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen beschreibt. Der bestätigte Grad der Verletzung der Ladungsgleichheit allein reicht nicht aus, um das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum zu erklären.
"Anscheinend ist neben der Ungleichheit der Ladungen noch etwas anderes passiert, das dazu führte, dass Materie in Sterne, Planeten und lebende Organismen überging", kommentierte Hassan Jawahery, ein Mitarbeiter der University of Maryland. "In Zukunft können wir möglicherweise verstehen." diese verborgenen Prozesse und beantworten die Frage, was das Universum in seinen gegenwärtigen Zustand gebracht hat und dies wird die aufregendste Entdeckung sein."