Die Objekte des Universums - Galaxien, Sterne, Quasare, Planeten, Supernovae, Tiere und Menschen - bestehen aus Materie. Es wird von verschiedenen Elementarteilchen gebildet - Quarks, Leptonen, Bosonen. Es stellte sich jedoch heraus, dass es Partikel gibt, bei denen ein Teil der Eigenschaften vollständig mit den Parametern der "Originale" übereinstimmt und der andere die entgegengesetzten Werte aufweist. Diese Eigenschaft veranlasste Wissenschaftler, dem Aggregat solcher Partikel den allgemeinen Namen "Antimaterie" zu geben.
Es wurde auch klar, dass das Studium dieser mysteriösen Substanz viel schwieriger ist als das Registrieren. Antiteilchen in einem stabilen Zustand sind in der Natur noch nicht angetroffen worden. Das Problem ist, dass Materie und Antimaterie sich bei "Kontakt" vernichten (gegenseitig vernichten). Es ist durchaus möglich, Antimaterie in Laboratorien zu erhalten, obwohl es ziemlich schwierig ist, sie einzudämmen. Bisher konnten Wissenschaftler dies nur für einige Minuten tun.
Nach der Theorie hätte der Urknall die gleiche Anzahl von Partikeln und Antiteilchen produzieren müssen. Aber wenn Materie und Antimaterie sich gegenseitig vernichten, sollten sie gleichzeitig aufhören zu existieren. Warum existiert das Universum?
„Vor mehr als 60 Jahren besagte die Theorie, dass alle Eigenschaften von Antiteilchen mit den Eigenschaften gewöhnlicher Teilchen im spiegelreflektierten Raum übereinstimmen. In der ersten Hälfte der 60er Jahre wurde jedoch festgestellt, dass diese Symmetrie in einigen Prozessen nicht erfüllt ist. Seitdem wurden viele theoretische Modelle erstellt und Dutzende von Experimenten durchgeführt, um dieses Phänomen zu erklären. Die am weitesten entwickelten Theorien besagen nun, dass der Unterschied in der Menge an Materie und Antimaterie mit der sogenannten Verletzung der CP-Symmetrie verbunden ist (aus den Worten Ladung - "Ladung" und Parität - "Parität"). Noch weiß niemand eine verlässliche Antwort auf die Frage, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt “, erklärt Alexey Zhemchugov, außerordentlicher Professor der Abteilung für grundlegende und angewandte Probleme der Physik der Mikrowelt am Moskauer Institut für Physik und Technologie.
Die Geschichte der Antimaterie begann mit der Bewegungsgleichung für das Elektron, das Lösungen hatte, in denen es negative Energie besaß. Da sich Wissenschaftler die physikalische Bedeutung negativer Energie nicht vorstellen konnten, "erfanden" sie ein Elektron mit einer positiven Ladung und nannten es "Positron".
Er wurde der erste experimentell entdeckte Antiteilchen. Die Installation, bei der kosmische Strahlen registriert wurden, zeigte, dass die Bewegungsbahn einiger Teilchen in einem Magnetfeld der Flugbahn eines Elektrons ähnlich ist - nur dass sie in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt werden. Dann wurde das Meson-Antimeson-Paar entdeckt, das Antiproton und das Antineutron wurden registriert, und dann konnten Wissenschaftler Antiwasserstoff und den Antiheliumkern synthetisieren.
Bewegungsbahnen eines Elektrons und eines Positrons in einem Magnetfeld / Illustration von RIA Novosti. Alina Polyanina
Was bedeuten all diese "Anti"? Wir verwenden dieses Präfix normalerweise, um das entgegengesetzte Phänomen zu bezeichnen. Antimaterie kann Analoga von Elementarteilchen enthalten, die eine entgegengesetzte Ladung, ein magnetisches Moment und einige andere Eigenschaften aufweisen. Natürlich können nicht alle Eigenschaften eines Partikels umgekehrt werden. Zum Beispiel sollten Masse und Lebensdauer immer positiv bleiben und sich auf sie konzentrieren. Partikel können einer Kategorie zugeordnet werden (z. B. Protonen oder Neutronen).
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Wenn wir ein Proton und ein Antiproton vergleichen, sind einige ihrer Eigenschaften gleich: Die Masse beider beträgt 938,2719 (98) Megaelektronvolt, Spin ½ (Spin wird als intrinsischer Drehimpuls eines Teilchens bezeichnet, der seine Rotation charakterisiert, während sich das Teilchen selbst in Ruhe befindet). Die elektrische Ladung des Protons beträgt jedoch 1, und das Antiproton hat minus 1, die Baryonenzahl (sie bestimmt die Anzahl stark wechselwirkender Teilchen, die aus drei Quarks bestehen) beträgt 1 bzw. minus 1.
Proton und Antiproton / Illustration von RIA Novosti. Alina Polyanina
Einige Teilchen, wie das Higgs-Boson und das Photon, haben keine Antianaloga und werden als echte Neutralität bezeichnet.
Die meisten Antiteilchen treten zusammen mit Partikeln in einem Prozess auf, der als Paarung bezeichnet wird. Die Bildung eines solchen Paares erfordert hohe Energie, dh enorme Geschwindigkeit. In der Natur entstehen Antiteilchen, wenn kosmische Strahlen in massiven Sternen neben Pulsaren und aktiven galaktischen Kernen mit der Erdatmosphäre kollidieren. Wissenschaftler verwenden dafür Collider-Beschleuniger.
Beschleunigungsabschnitt des Large Hadron Collider, in dem Partikel beschleunigt werden / Foto: CERN
Das Studium der Antimaterie hat praktische Anwendungen. Der Punkt ist, dass die Vernichtung von Materie und Antimaterie hochenergetische Photonen erzeugt. Nehmen wir an, wir nehmen eine Reihe von Protonen und Antiprotonen und setzen sie allmählich durch eine spezielle Röhre aufeinander zu, buchstäblich nacheinander. Die Vernichtung von einem Kilogramm Antimaterie setzt die gleiche Energiemenge frei wie die Verbrennung von 30 Millionen Barrel Öl. Einhundertvierzig Nanogramm Antiprotonen würden für einen Flug zum Mars völlig ausreichen. Der Haken ist, dass noch mehr Energie benötigt wird, um Antimaterie zu erzeugen und zu halten.
Antimaterie wird jedoch bereits in der Praxis und in der Medizin eingesetzt. Die Positronenemissionstomographie wird zur Diagnostik in der Onkologie, Kardiologie und Neurologie eingesetzt. Die Methode basiert auf der Abgabe von Materie, die mit der Emission eines Positrons an ein bestimmtes Organ zerfällt. Beispielsweise kann eine Substanz, die gut an Krebszellen bindet, als Transportmittel fungieren. In dem gewünschten Bereich wird eine erhöhte Konzentration an radioaktiven Isotopen und folglich Positronen aus ihrem Zerfall gebildet. Die Positronen vernichten sich sofort mit Elektronen. Und wir können den Punkt der Vernichtung ziemlich gut festlegen, indem wir Gamma-Quanten registrieren. Mit Hilfe der Positronenemissionstomographie ist es somit möglich, eine erhöhte Konzentration der Transportsubstanz an einem bestimmten Ort festzustellen.
