Obwohl Antimaterie theoretisch ein exaktes Abbild der Materie ist, gibt es im Universum einen Mangel
Koexistenz und Konfrontation von Materie mit Antimaterie stellen das große Geheimnis des Universums dar, durch dessen Enthüllung es möglich wäre, die Entstehungsgeschichte aller Dinge zu verstehen. Indem man die unvorstellbaren Energiemengen, die bei der Kollision von Materie mit Antimaterie freigesetzt werden, in den Dienst des Menschen stellt, wäre es möglich, Ergebnisse zu erzielen, die die Weitsicht der kühnsten Science-Fiction-Autoren übertreffen. Ein paar Kilogramm Antimaterie würden ausreichen, damit ein mit Photonen betriebenes interstellares Schiff die Galaxie durchqueren könnte. Antimaterie muss jedoch irgendwo hergebracht werden, und im uns umgebenden Weltraum ist sie viel weniger als ihr Spiegelbild – gewöhnliche Materie. Wenn man bedenkt, dass im Moment der Umwandlung von Energie in Masse sowohl ein Teilchen als auch ein Antiteilchen entstehen, müssen wir dem Spiegel der Natur die Schuld geben: Er verbirgt auf mysteriöse Weise einen großen Teil der Welt – das gesamte Anti-Universum.
Geld der Natur
Albert Einsteins berühmte Formel E=mc2 (wobei E die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit ist) erklärt, dass Masse und Energie zusammenhängen.
Stellen wir uns vor, dass Energie das Geld der Natur ist, mit dem sie alles bezahlt, was passiert. Und dieses Zahlungsmittel existiert in Form von zwei Währungen mit einem undenkbaren, aber stabilen Wechselkurs - der quadrierten Lichtgeschwindigkeit (300.000 km / s). Wenn Sie also 1 kg Metall, Wasser oder sogar Pappelflusen in dieser Rate gegen Energie tauschen, wird fast die gleiche Menge an Energie (25 Milliarden kWh) freigesetzt (25 Milliarden kWh) wie das leistungsstärkste russische Kernkraftwerk, Balakovo, produziert in einem Jahr.
In den von Wissenschaftlern gebauten Beschleunigern können einzelne Teilchen - Protonen (die Kerne des Wasserstoffatoms) - auf enorme Energien (also fast auf Lichtgeschwindigkeit) beschleunigt werden. Und wenn ein Teilchen mit einer solchen Energie auf ein Hindernis prallt, kann sich die Energie in Masse verwandeln – eine weitere Währung für natürliches Geld.
Aber die Natur lässt nicht zu, dass sich Energie in eine beliebige Form von Materie verwandelt. Es liefert nur bestimmte Formen, die einer genau definierten Energiemenge entsprechen, und verleiht der Substanz die gewünschten Eigenschaften. Bei der Münze aus einem Blech (in unserem Fall ist dies Energie) wird Geld nur aus einer bestimmten Stückelung hergestellt: Rubel, zwei oder fünf Rubel. Die Natur prägt nur bestimmte Teilchen – Protonen, Neutronen, Elektronen – mit einer Standardmasse, elektrischer Ladung und der Fähigkeit, mit anderen Teilchen zu interagieren. Aber durch das Prägen einer Münze erhält diese auch ein Loch im Metall – eine „Anti-Münze“(die Masse ist dieselbe wie die von Teilchen, aber die Ladung und einige andere Eigenschaften sind entgegengesetzt).
Experimente zeigen, dass bei der Umwandlung von Energie in Masse ein Teilchenpaar entsteht: ein Teilchen und sein Spiegelbild – ein Antiteilchen. Wenn sie sich treffen, wird Energie freigesetzt (sie vernichten). Wenn wir zum Bild des Geldes zurückkehren, ist das Aufeinandertreffen eines Teilchens mit einem Antiteilchen so, als würde man eine Münze wieder in ein Loch stecken. Ein Blech wird wiedergeboren, das heißt Energie.
Materielle Ungleichheit
In unserem Teil des Universums gibt es weniger Antiteilchen als Teilchen. Es stellt sich heraus, dass positive Kerne und negative Elektronen irgendwie besser sind als ihre hypothetischen Anti-Brüder. Aber Wissenschaftlern zufolge hätte vor 15 Milliarden Jahren, während des Urknalls, der das Universum hervorbrachte, die gleiche Menge an Materie und Antimaterie geboren werden müssen.
Für dieses Paradoxon gibt es zwei Erklärungen: Entweder verschwand Antimaterie als Ergebnis unverständlicher physikalischer Prozesse sofort, oder sie existiert in entfernten Winkeln des Universums. Und wenn die zweite Erklärung zutrifft, dann leben Sie und ich in dem Teil, wo nur Materie existiert. Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass Antimaterie aus einem anderen Teil des Universums in unsere Welt einfliegen kann. Und höchstwahrscheinlich wird es in Form der einfachsten Antikerne (wie Antihelium, Antikohlenstoff usw.) erscheinen. Leichtere Antiteilchen (z. B. Antiprotonen) hingegen treten bereits bei hochenergetischen Stößen gewöhnlicher Teilchen auf. Aber es ist sinnlos, auf der Erde nach Antikernen zu suchen: Wenn sie die Grenzen der Atmosphäre erreichen, vernichten sie sich sofort. Also musst du auf der Suche nach Antimaterie ins All gehen.
Theoretisch ist das Experiment ganz einfach: Teilchen der kosmischen Strahlung, die durch den Detektor fliegen, hinterlassen darin eine Spur. Der Detektor befindet sich in einem starken Magnetfeld, das die Bahnen geladener Teilchen krümmt. Die Bahnen positiv geladener gewöhnlicher Kerne sollten in eine Richtung abweichen und negativ geladene Antinukleonen in die andere.
In den 60er und 70er Jahren schickte eine Gruppe von Physikern unter der Leitung des Nobelpreisträgers Luis Alvarez einen Magneten, um in Ballons nach Antimaterieteilchen am Himmel zu suchen. Mehr als 40.000 Teilchen wurden registriert, aber keines davon hatte etwas mit Antimaterie zu tun. Und 2002 ein riesiger BESS-Ballon mit einem Volumen von 1,1 Millionen Kubikmetern. m, von japanischen und amerikanischen Physikern in den Himmel Kanadas geschossen, hing dort etwa 22 Stunden lang in einer Höhe von etwa 23 km. Die daran angebrachte 2400 kg schwere Ausrüstung bestand aus einem Teilchenspurdetektor und einem Magneten, aber selbst dann war es nicht möglich, Antimateriekerne nachzuweisen. Die Suche nach Antikernen mit einer Kugel wird im Dezember 2003 - Januar 2004 in der Antarktis fortgesetzt.
Spuren zwischen den Sternen
Das erste Weltraumexperiment zur Suche nach Antimaterie wurde 1998 während des Fluges des Discovery-Shuttles zur Mir-Station durchgeführt. Das russisch-amerikanische Wissenschaftlerteam wurde vom amerikanischen Nobelpreisträger Samuel Ting geleitet. Mehrere Tage der Suche führten jedoch nicht zum Einfangen eines einzigen negativen Kerns. Es wurde klar, dass das Fischen viel länger dauern würde.
Im Jahr 2005 plant die internationale Gemeinschaft von Physikern unter der Leitung von Ting, eine Suche nach Antimateriekernen zu organisieren, indem sie Detektoren auf der Internationalen Raumstation (ISS) installiert. Russische Wissenschaftler beteiligen sich erneut aktiv an dem Experiment: Das Herzstück des Experiments, ein einzigartiger supraleitender Spurdetektormagnet, wird im Kurchatov-Zentrum getestet, das Kühlsystem wird am Institut für Kernphysik der Staatlichen Universität Moskau entwickelt, und die Das Institut für Experimentelle und Theoretische Physik wird sich um die mathematische Unterstützung des Experiments, die Datenerhebung und -verarbeitung kümmern.
Ein Alphateilchen-Magnetspektrometer (AMS) wird zur Station geliefert und draußen installiert. Es wird erwartet, dass hochenergetische Partikel, die verschiedene AMS-Detektoren passieren, sie beeinflussen werden, und durch die Verarbeitung der von jedem Detektor empfangenen Informationen wird es möglich sein, die Natur der Partikel zu bestimmen und zu verstehen, woher sie kamen.
Antimateriefalle
AMS besteht aus verschiedenen Detektoren, einem supraleitenden Magneten, Elektronik und einem Kühlsystem.
Ein supraleitender Magnet bewirkt, dass geladene Teilchen, die sich im freien Raum in einer geraden Linie bewegen, ihre Flugbahn ändern.
Die Basis des Magneten sind zwei Spulen aus Niob-Titan-Draht, die auf eine ultratiefe Temperatur (1,8 K) gekühlt werden. Um die Temperatur drei Jahre lang aufrechtzuerh alten, werden 360 kg flüssiges Helium verwendet, das nach und nach verdampft und die Spule kühlt. Und um die Heliumtemperatur aufrechtzuerh alten, ist das gesamte System in einem großen und robusten Vakuumgehäuse eingeschlossen, das auch als Rahmen dient.
Übrigens ist das AMS zusätzlich zu den Hauptspulen mit einem Satz natürlicher Kompensationsmagnete ausgestattet: Ohne sie dreht sich die Internationale Raumstation unter dem Einfluss des Erdmagnetfelds wie eine Kompassnadel.
Der Detektor für Übergangsstrahlung, der die Geschwindigkeit von Teilchen der höchsten Energien bestimmt, ist ein achteckiger "Überbau" des AMS, bestehend aus 20 Kunststoffschichten, durchsetzt mit 20 Schichten "Röhren", die mit einem Gasgemisch gefüllt sind. Andere Detektoren des Spektrometers, weder ein spezieller Flugzeitdetektor noch ein Detektor für Cherenkov-Strahlung (wir werden sie weiter unten besprechen), können nicht zwischen der Art hochenergetischer Teilchen unterscheiden. Bei kinetischen Energien über 200 GeV ist es schwierig, Protonen (mit einer Masse von 1000 MeV) von Elektronen (0,5 MeV) oder Myonen (100 MeV) zu unterscheiden. Und der Übergangsstrahlungsdetektor ist in der Lage, den Lorentzfaktor des Teilchens (proportional zum Verhältnis von Energie zu Masse E/m) zu bestimmen, der bei Protonen und Elektronen sehr unterschiedlich ist.
Beim Durchgang durch einen Übergangsstrahlungsdetektor erzeugen hochenergetische Elektronen Röntgenstrahlen, Protonen jedoch nicht. In diesem Fall ionisiert die Strahlung das Gasgemisch und es kommt zu einer Entladung in den gasgefüllten Röhren.
Unter dem Übergangsstrahlungsdetektor befindet sich das Herzstück des Spektrometers - ein Siliziumspurdetektor. Es folgt den Flugbahnen von Teilchen in einem Magnetfeld. Je größer ihr Schwung, desto gerader die Spur. In diesem Fall weicht ein positiv geladenes Teilchen nach rechts und ein negativ geladenes nach links ab.
Der Spurdetektor besteht aus acht großen, dünnen Siliziumplatten, die mit Millionen dünnster Aluminiumstreifen beschichtet sind. Beim Aufprall auf den Streifen erzeugt das Partikel ein elektrisches Signal und sagt bis auf zehn Mikrometer genau, wo die Kollision stattgefunden hat. Durch Verbinden der Kollisionspunkte in verschiedenen Schichten kann man die Richtung der Partikelbewegung verfolgen. Die Krümmung der Partikelbahn zeigt ihren Impuls und das Vorzeichen der Ladung, die Signalstärke – die Ladung des Partikels und die Richtung der Spur – woher es kam und wo auf andere Partikel gewartet werden muss, um in anderen angekündigt zu werden Detektoren.
Space-Stoppuhr
Um die Geschwindigkeit von Teilchen genau zu messen, wird ein spezieller Flugzeitdetektor verwendet, der die Eintritts- und Austrittszeiten des Teilchens erfasst. Es besteht aus Kunststoff-Szintillatoren (das sind organische Verbindungen, die die Eigenschaft haben, Licht zu emittieren, wenn sie Partikel passieren), von denen jeder von beiden Seiten von Photomultiplier-Röhren (PMTs) betrachtet wird. Beim Durchgang durch den Szintillator hinterlässt das Teilchen eine Lichtspur, die von einem Photomultiplier registriert wird. Die Differenz zwischen den "Eingangs" - und "Ausgangs" -PMT-Signalen ergibt die Flugzeit.
Ein Elektron mit der üblichen Energie für kosmische Strahlung (Milliarden Elektronenvolt) bewegt sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit, und ein Proton oder Kern mit dem gleichen Impuls bewegt sich viel langsamer. Da der Fehler etwa 2 % beträgt, kann der Detektor zwischen einem Teilchen, das sich mit 96 % der Lichtgeschwindigkeit bewegt, und einem Teilchen, das sich mit 99 % der Lichtgeschwindigkeit bewegt, unterscheiden.
Der Flugzeitdetektor erfüllt noch eine weitere wichtige Funktion. Da es am schnellsten ist, dient es auch als Auslöser für alle anderen Detektoren und warnt vor der Ankunft eines Teilchens.
Unten ist ein Cherenkov-Strahlungsdetektor, gefüllt mit ultraleichtem Glas, das winzige Fotodetektoren enthält.
Licht bewegt sich in Glas langsamer als in einem Vakuum, und wenn Partikel in das Glas eindringen, gibt es ein Licht wie einen Überschallknall (wie wenn ein Flugzeug die Schallgeschwindigkeit überwindet), das von Detektoren aufgezeichnet wird.
Der Cherenkov-Strahlungsdetektor ermöglicht es, die Geschwindigkeit von Teilchen mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen, wodurch Sie in Kombination mit Informationen über die Flugbahn die Masse genau angeben können (unterscheiden Sie gegebenenfalls zwischen leichten Isotopen).
Ein weiterer Teil des AMC ist das elektromagnetische Kalorimeter, ein großer Bleistein, der selbst die energiereichsten Teilchen einfangen kann. Es ist klar, dass dies nicht nur ein Ziegelstein ist, sondern eine Schichttorte aus Blei und einem Plastikszintillator. Die Bleischichten fangen Teilchen ein, während die transparenten Schichten des Szintillators als Detektor dienen: Wie bei einem Flugzeitdetektor fangen Photomultiplier das emittierte Licht ein. Ein hochenergetisches ionisierendes Teilchen, das das Kalorimeter passiert, erzeugt eine große Anzahl von Sekundärteilchen, die durch Wechselwirkung mit der Substanz des Kalorimeters wiederum Sekundärteilchen erzeugen. In Bewegungsrichtung des Primärteilchens bildet sich ein Teilchenschauer. Durch Messen der Lichtleistung von Szintillatoren kann man die Teilchenenergie und -art bestimmen.
Etwa zehntausend Teilchen fliegen pro Sekunde in verschiedene Richtungen durch das AMS. Nicht alle sind beachtenswert: Wissenschaftler interessieren sich für Teilchen, die von oben nach unten durch mehrere Detektoren fliegen (etwa 2000 Teilchen pro Sekunde). Um nicht durch Kleinigkeiten abgelenkt zu werden, ist AMS auf allen Seiten (bis auf die Enden) wie eine Barriere von einem speziellen Anti-Zufall-Szintillationszähler mit Vetorecht (dem sogenannten Vetozähler) umgeben. Dadurch werden nur die Partikel analysiert, die alle Detektoren passiert haben und den Vetozähler nicht passiert haben.
Das AMS wird von Hunderten von Computern gesteuert, von den kleinen, die für das Gassystem verantwortlich sind, bis hin zum Hauptcomputer, der alle Informationen über die Partikel sammelt.
Teile des Spektrometers haben mehrere thermische Dispersionssysteme. Und der komplexeste von ihnen – Metallstäbe mit hoher Wärmeleitfähigkeit, die durch ein spezielles System auf Kohlendioxid gekühlt werden – schützt den Spurdetektor, der sich in der Mitte befindet (er gibt fast 200 W ab).
Außerdem hat AMC ein "Außenskelett" aus Aluminium. Im Weltraum wird es nicht so sehr benötigt, aber beim Start eines Shuttles muss es starken Belastungen standh alten.
Menschengemachte Antimaterie
Ähnliche Experimente auf der Erde, die sich der Erforschung des Verh altens von Elementarteilchen widmen, werden seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich durchgeführt. Am Europäischen Zentrum für Kernforschung (CERN) entsteht bei etwa einer von zehn Millionen Kollisionen hochenergetischer Teilchen mit Materie ein Proton-Antiproton-Paar. Antiprotonen werden ausgewählt, aus gewöhnlicher Materie isoliert (damit sie nicht vernichten) und für eine spätere Verwendung angesammelt. Vor einigen Jahren wurde am CERN die erste "Antimateriefabrik" gestartet.
Im Jahr 2000 begannen dort drei Experimente, bei denen Wissenschaftler Antiprotonen verwendeten, um Antimaterieatome zu erzeugen - Antiwasserstoff (ein Antiproton, um das sich ein Positron dreht) und Antihelium (ein Kern aus zwei Antiprotonen und zwei Antineutronen mit zwei Positronen in Umlaufbahnen). Diese Atome wurden nicht nur erh alten, sondern auch untersucht. Bis Ende letzten Jahres gelang es dem CERN, etwa 50.000 Atome k alten Antiwasserstoffs zu erzeugen, dessen Energie beispielsweise ausreicht, um eine 1-Watt-Glühbirne 0,01 Sekunden lang zum Leuchten zu bringen. Es stimmt, dass viele Größenordnungen mehr Energie aufgewendet wurde, um sie zu erh alten.
