Het universum zit vol met verbazingwekkende geheimen. Angstaanjagende zwarte gaten, de paradox van de "donkere materie", onvoorspelbare dubbele sterren. Een van de meest beroemde en intrigerende puzzels is natuurlijk antimaterie, bestaande uit "inside-out" materie. De ontdekking van dit fenomeen is een van de belangrijkste verworvenheden van de natuurkunde in de afgelopen eeuw.
Tot nu toe waren wetenschappers ervan overtuigd dat elementaire deeltjes de fundamentele en onveranderlijke bouwstenen van het universum zijn, die niet opnieuw worden geboren en nooit verdwijnen. Deze saaie en ongecompliceerde foto is verleden tijd toen bleek dat het negatief geladen elektron en zijn tegenhanger van het anti-wereld positron onderling worden vernietigd, waardoor energiekwanta ontstaat. En later werd het duidelijk dat elementaire deeltjes in het algemeen van elkaar willen veranderen en op de meest bizarre manieren. De ontdekking van antimaterie was het begin van een radicale transformatie van ideeën over de eigenschappen van het universum.
Antimaterie is lang een favoriet onderwerp van science fiction geweest. Het Enterprise-schip uit de Star Trek-cultus gebruikt een antimaterie-engine om het heelal te veroveren. In Dan Brown's boek Angels and Demons redt de hoofdpersoon Rome van een bom die op basis van deze substantie is gemaakt. De mensheid onderwerpt zich aan de onuitputtelijke hoeveelheden energie, die wordt verkregen door de interactie van materie met antimaterie, en wint macht, superieur aan de voorspellingen van de meest gedurfde sciencefictionschrijvers. Een paar kilo antimaterie is voldoende om door de melkweg te komen.
Maar voordat het maken van wapens en ruimtevaartuigen nog steeds erg ver weg is. Op dit moment houdt de wetenschap zich bezig met de theoretische onderbouwing van het bestaan van antimaterie en de studie van de eigenschappen ervan, en wetenschappers gebruiken tientallen, in extreme gevallen, honderden atomen in hun experimenten. De tijd van hun leven wordt berekend in fracties van seconden en de kosten van experimenten zijn tientallen miljoenen dollars. Natuurkundigen geloven dat kennis van antimaterie ons zal helpen de evolutie van het heelal beter te begrijpen en de gebeurtenissen die plaatsvonden onmiddellijk na de oerknal.
Wat is antimaterie en wat zijn de eigenschappen ervan?
Antimaterie is een speciaal type materie bestaande uit antideeltjes. Ze hebben dezelfde spin en massa als gewone protonen en elektronen, maar verschillen van hen door het teken van de elektrische en kleurlading, baryon en lepton quantumgetal. In eenvoudige bewoordingen, als atomen van gewone materie bestaan uit positief geladen kernen en negatieve elektronen, dan is antimaterie het tegenovergestelde.
In de interactie van materie en antimaterie vindt annihilatie plaats met de vrijgave van fotonen of andere deeltjes. De energie die tegelijkertijd wordt ontvangen, is enorm: één gram antimaterie is voldoende voor een ontploffing van enkele kilotons.
Volgens moderne concepten hebben materie en antimaterie dezelfde structuur, omdat de kracht en elektromagnetische interacties die deze bepalen absoluut identiek handelen, zowel op de deeltjes als op hun "tweeling".
Aangenomen wordt dat antimaterie ook een zwaartekracht kan creëren, maar dit feit is nog niet definitief bewezen. Theoretisch zou zwaartekracht op dezelfde manier moeten werken op materie en antimaterie, maar dit moet nog experimenteel worden bepaald. Nu werken ze aan dit probleem in de ALPHA-, AEGIS- en GBAR-projecten.
Eind 2015 konden wetenschappers met behulp van de RHIC-collider de kracht van interactie tussen antiprotonen meten. Het bleek dat het gelijk is aan het vergelijkbare kenmerk van protonen.
Op dit moment zijn de 'tweelingen' van bijna alle bestaande elementaire deeltjes bekend, behalve de zogenoemde 'echt neutrale' deeltjes, die de belastingsconjugatie in zichzelf veranderen. Deze deeltjes omvatten:
- foton;
- Higgs-boson;
- neutraal pi-meson;
- dit meson;
- gravitron (nog niet ontdekt).
Antimaterie is veel dichterbij dan je denkt. De bron van antimaterie, echter niet te krachtig, zijn gewone bananen. Ze bevatten de isotoop kalium-40, die vervalt om een positron te vormen. Dit gebeurt ongeveer eens per 75 minuten. Dit element maakt ook deel uit van het menselijk lichaam, zodat ieder van ons een generator van antideeltjes kan worden genoemd.
Van de achtergrond
Voor de eerste keer gaf de Britse wetenschapper Arthur Schuster het idee toe van het bestaan van materie "met een ander teken" aan het einde van de 19e eeuw. Zijn publicatie over dit onderwerp was nogal vaag en bevatte geen enkel bewijs, waarschijnlijk werd de hypothese van de wetenschapper ingegeven door de recente ontdekking van een elektron. Hij was de eerste die de termen 'antimaterie' en 'antiatomum' in wetenschappelijk gebruik introduceerde.
Experimenteel werd het anti-elektron verkregen vóór zijn officiële ontdekking. Dit werd gedaan door de Sovjet fysicus Dmitry Skobeltsinu in de jaren 20 van de vorige eeuw. Hij kreeg een vreemd effect bij het onderzoeken van gammastraling in de kamer van Wilson, maar hij kon het niet verklaren. Nu weten we dat het fenomeen werd veroorzaakt door het verschijnen van een deeltje en een antideeltje: een elektron en een positron.
In 1930 voorspelde de beroemde Britse fysicus Paul Dirac, werkend aan de relativistische bewegingsvergelijking voor een elektron, het bestaan van een nieuw deeltje met dezelfde massa, maar een tegenovergestelde lading. In die tijd kenden wetenschappers slechts één positief deeltje - een proton, maar het was duizenden malen zwaarder dan een elektron, dus ze konden de gegevens die verkregen waren door Dirac niet interpreteren. Twee jaar later ontdekte de Amerikaanse Anderson de "tweeling" van een elektron in de studie van straling uit de ruimte. Hij noemde positron.
Tegen het midden van de vorige eeuw hadden fysici een goed moment om dit antideeltje te bestuderen, verschillende manieren van voorbereiding werden ontwikkeld. In de jaren vijftig ontdekten wetenschappers een antiproton en een anti-neutron, in 1965 werd een anti-deuteron verkregen en in 1974 slaagden Sovjetonderzoekers erin een antikern van helium en tritium te synthetiseren.
In de jaren 60 en 70 werden antideeltjes in de bovenatmosfeer opgezocht met behulp van ballonnen met wetenschappelijk materiaal. Deze groep werd geleid door Nobelprijswinnaar Luis Alvarets. In totaal werden ongeveer 40 duizend deeltjes "gevangen", maar geen van hen had iets te maken met antimaterie. In 2002 hebben Amerikaanse en Japanse natuurkundigen vergelijkbaar onderzoek verricht. Ze lanceerden een enorme BESS-ballon (volume 1,1 miljoen m3) tot een hoogte van 23 kilometer. Maar zelfs in de 22 uur van het experiment konden ze zelfs de eenvoudigste antideeltjes niet ontdekken. Latere soortgelijke experimenten werden uitgevoerd op Antarctica.
Midden jaren 90 slaagden Europese wetenschappers erin een anti-waterstofatoom te verkrijgen dat bestond uit twee deeltjes: een positron en een antiproton. In de afgelopen jaren was het mogelijk om een veel grotere hoeveelheid van dit element te synthetiseren, waardoor het mogelijk was om verder te gaan met de studie van zijn eigenschappen.
In 2005 werd een gevoelige antimateriedetector geïnstalleerd op het International Space Station (ISS).
Antimaterie in de ruimte
De ontdekker van positron Paul Dirac geloofde dat er in het universum hele gebieden zijn die volledig uit antimaterie bestaan. Hij sprak hierover in zijn Nobelprijs. Maar tot nu toe hebben wetenschappers nog nooit zoiets kunnen vinden.
Natuurlijk zijn anti-deeltjes aanwezig in de ruimte. Ze worden geboren als gevolg van vele hoogenergetische processen: supernova-explosies of het verbranden van thermonucleaire brandstof, optreden in plasmawolken rond zwarte gaten of neutronensterren, worden geboren in botsingen van hoogenergetische deeltjes in de interstellaire ruimte. Bovendien wordt een kleine hoeveelheid antideeltjes voortdurend "afgeworpen" door regen op onze planeet. Het verval van sommige radionucliden gaat ook gepaard met de vorming van positronen. Maar al het bovenstaande is slechts antideeltje, maar geen antimaterie. Tot nu toe hebben onderzoekers zelfs geen anti-helium in de ruimte kunnen vinden, wat te spreken van zwaardere elementen. Het falen van het zoeken naar specifieke gammastraling, die gepaard gaat met het vernietigingsproces bij de botsing van materie en antimaterie.
Te oordelen naar de gegevens die vandaag beschikbaar zijn, zijn er geen antigumaxies, anti-sterren of andere grote antimaterie-objecten. En dit is heel vreemd: volgens de oerknaltheorie, op het moment van de geboorte van ons universum, verscheen dezelfde hoeveelheid materie en antimaterie, en waar de laatste ging is onduidelijk. Momenteel zijn er twee verklaringen voor dit verschijnsel: ofwel is antimaterie direct na de explosie verdwenen, of bestaat het in sommige afgelegen delen van het universum, en we hebben het simpelweg nog niet ontdekt. Dergelijke asymmetrie is een van de belangrijkste onopgeloste problemen van de moderne natuurkunde.
Er is een hypothese dat in de vroege stadia van het leven van ons universum de hoeveelheid materie en antimaterie bijna samenviel: voor elke miljard antiprotonen en positronen waren er precies evenveel van hun tegenhangers, plus één "extra" proton en elektron. Na verloop van tijd verdween het grootste deel van de materie en antimaterie in het proces van vernietiging en alles wat ons vandaag omringt, is voortgekomen uit het overschot. Het is waar dat niet helemaal duidelijk is waar en waarom de "extra" deeltjes verschenen.
Antimaterie krijgen en de moeilijkheden van dit proces
In 1995 slaagden wetenschappers erin om slechts negen atomen van antiwaterstof te maken. Ze bestonden enkele tientallen nanoseconden en werden vervolgens vernietigd. In 2002 was het aantal deeltjes al in de honderden, en hun levensduur steeg verschillende keren.
Het antideeltje wordt in de regel samen met zijn gebruikelijke "dubbel" geboren. Om bijvoorbeeld een positron-elektronenpaar te verkrijgen, is de interactie van een gamma-quantum met het elektrische veld van de atoomkern noodzakelijk.
Antimaterie krijgen - erg lastig. Dit proces vindt plaats in versnellers en antideeltjes worden opgeslagen in speciale opslagringen onder hoogvacuümomstandigheden. In 2010 slaagden fysici er voor het eerst in om 38 anti-waterstofatomen in een speciale val te vangen en deze 172 milliseconden vast te houden. Om dit te doen, moesten wetenschappers 30.000 antiprotonen afkoelen tot temperaturen onder -70 ° C en twee miljoen positronen tot -230 ° C.
Het jaar daarop konden onderzoekers de resultaten aanzienlijk verbeteren: de levensduur van antideeltjes tot duizend seconden verlengen. In de toekomst zijn we van plan om de afwezigheid of aanwezigheid van anti-zwaartekracht effect voor antimaterie te ontdekken.
Het probleem van opslag van antimaterie is een echte hoofdpijn voor natuurkundigen, omdat antiprotonen en positronen onmiddellijk vernietigen wanneer ze deeltjes van gewone materie ontmoeten. Om ze te behouden, moesten wetenschappers slimme apparaten uitvinden die een catastrofe konden voorkomen. Opgeladen antideeltjes worden opgeslagen in de zogenaamde Penning-val, die lijkt op een miniatuurversneller. Zijn krachtige magnetische en elektrische velden voorkomen dat positronen en antiprotons botsen met de wanden van het apparaat. Een dergelijk apparaat werkt echter niet met neutrale objecten, zoals een anti-waterstofatoom. In dit geval is de Joffe-val ontwikkeld. De retentie van anti-atomen daarin treedt op vanwege het magnetische veld.
De kosten van antimaterie en de energie-efficiëntie
Gezien de moeilijkheid om antimaterie te verkrijgen en op te slaan, is het niet verrassend dat de prijs ervan erg hoog is. Volgens berekeningen van de NASA kostte in 2006 één milligram positronen ongeveer $ 25 miljoen. Volgens eerdere gegevens werd een gram anti-waterstof geschat op 62 biljoen dollar. Ongeveer dezelfde cijfers worden gegeven door Europese natuurkundigen van CERN.
Potentiële antimaterie is een ideale brandstof, ultra-efficiënt en milieuvriendelijk. Het probleem is dat alle antimaterie die tot nu toe door mensen is gemaakt, nauwelijks genoeg is om tenminste een kopje koffie te koken.
Synthese van één gram antimaterie vereist 25 miljoen miljard kilowattuur energie, wat praktisch gebruik van deze stof eenvoudigweg absurd maakt. Misschien zullen we op een gegeven moment sterrenschepen hiermee bijtanken, maar daarvoor moet je komen met eenvoudigere en goedkopere methoden voor ontvangst en opslag op lange termijn.
Bestaande en veelbelovende applicaties
Momenteel wordt antimaterie gebruikt in de geneeskunde tijdens de positronemissietomografie. Met deze methode kunt u een afbeelding van de interne organen in hoge resolutie verkrijgen. Radioactieve isotopen zoals kalium-40 worden gecombineerd met organische stoffen zoals glucose en geïnjecteerd in het circulatiesysteem van de patiënt. Daar zenden ze positronen uit, die worden vernietigd wanneer ze elektronen in ons lichaam tegenkomen. Gammastraling, verkregen tijdens dit proces, vormt een beeld van het onderzochte orgaan of weefsel.
Antimaterie wordt ook bestudeerd als een mogelijke remedie tegen kanker.
Het gebruik van antimaterie is natuurlijk veelbelovend. Het kan leiden tot een echte energierevolutie en mensen in staat stellen de sterren te bereiken. De favoriete skate van romans is sterrenschepen met zogenaamde warp-engines, waarmee ze met superlichtsnelheid kunnen reizen. Tegenwoordig zijn er verschillende wiskundige modellen van dergelijke installaties en de meesten gebruiken antimaterie in hun werk.
Er zijn meer realistische voorstellen zonder superlichte vluchten en hyperspace. Er wordt bijvoorbeeld voorgesteld om een capsule uranium-238 met deuterium en helium-3 in de antiprotonwolk te gooien. De ontwikkelaars van het project geloven dat de interactie van deze componenten zal leiden tot de start van een thermonucleaire reactie, waarvan de producten, geleid door een magnetisch veld in het mondstuk van de motor, het schip aanzienlijke tractie zullen bieden.
Voor vluchten naar Mars binnen een maand, suggereren Amerikaanse ingenieurs het gebruik van kernsplijting veroorzaakt door antiprotonen. Volgens hun berekeningen zijn slechts 140 nanogram van deze deeltjes nodig voor een dergelijke reis.
Gezien de aanzienlijke hoeveelheid energie die vrijkomt tijdens de anti-materie vernietiging, is deze stof een uitstekende kandidaat voor het vullen van bommen en andere explosieve objecten. Zelfs een kleine hoeveelheid antimaterie is voldoende om een munitie te maken die qua macht vergelijkbaar is met een atoombom. Maar hoewel het prematuur is om je daar zorgen over te maken, omdat deze technologie zich in een zeer vroeg stadium van zijn ontwikkeling bevindt. Het is onwaarschijnlijk dat dergelijke projecten in de komende decennia zullen worden gerealiseerd.
In de tussentijd is antimaterie in de eerste plaats het onderwerp van de studie van de theoretische wetenschap, die veel kan vertellen over de structuur van onze wereld. Het is onwaarschijnlijk dat deze situatie zal veranderen totdat we leren om het op industriële schaal te krijgen en op betrouwbare wijze te redden. Alleen dan kunnen we praten over het praktische gebruik van deze stof.
