Валентин Урбан: aby se napít, známky a extáze Голосов: 1 Адрес блога: http://dubva1.livejournal.com/ Добавлен: 2008-08-04 10:21:30 блограйдером pinker

Антиматерия

2011-11-11 18:02:02 (читать в оригинале)

Хотя на теоретическом уровне антивещество – четкое отражение вещества, во Вселенной нашлась недостача





Сосуществование и противостояние вещества с антивеществом составляют величавую тайну Вселенной, раскрыв которую удалось бы осознать историю зарождения всего сущего. Поставив на службу человеку невообразимые объемы энергии, выделяемой при столкновении вещества с антивеществом, можно было бы достигнуть результатов, превосходящих провидения самых разудалых фантастов. Нескольких кг антивещества хватило бы межзвездному кораблю на фотонной тяге, чтоб пересечь Галактику. Но антивещество нужно откуда-то взять, а его в окружающем нас галлактическом пространстве куда меньше, чем его зеркального отражения – обыденного вещества. Беря во внимание, что в момент перевоплощения энергии в массу появляется как частичка, так и античастица, приходится попенять зеркалу природы: оно таинственным образом прячет от нас гигантскую часть мира – целую Антивселенную.

Средства природы


Именитая формула Альберта Эйнштейна E = mc2 (где Е – это энергия, m – масса, а с – скорость света) разъясняет, что масса и энергия взаимосвязаны.


Представим для себя, что энергия – это средства природы, которыми она рассчитывается за все происходящее. И это платежное средство существует в виде 2-ух валют с невообразимым, но размеренным обменным курсом – возведенной в квадрат скоростью света (300 тыс. км/с). Так что, если поменять по этому курсу на энергию 1 кг металла, воды либо хоть тополиного пуха, энергии высвободится практически столько же (25 миллиардов кВт/ч), сколько за год производит самая мощная русская АЭС – Балаковская.


В построенных учеными ускорителях можно разогнать до больших энергий (другими словами фактически до скорости света) отдельные частички – протоны (ядра атома водорода). И если частичка с таковой энергией врезается в преграду, энергия может перевоплотиться в массу – другую валюту природных средств.


Но природа не позволяет энергии преобразовываться в случайный вид вещества. Она предоставляет только определенные формы, надлежащие точно определенному количеству энергии, и присваивает веществу данные свойства. Так, на монетном дворе из железного листа (в нашем случае это энергия) делают средства только определенного плюсы: рубли, 2-ух либо пятирублевики. Природа чеканит только определенные частички – протоны, нейтроны, электроны – со стандартной массой, электронным зарядом и способностью вести взаимодействие с другими частичками. Но, штампуя монету, она получает к тому же дырку в металле – «антимонету» (масса такая же, как у частиц, но заряд и некие другие свойства обратны).


Опыты демонстрируют, что когда энергия преобразуется в массу, появляется пара частиц: частичка и ее зеркальное отражение – античастица. Когда же они встречаются, энергия высвобождается (они аннигилируют). Если возвратиться к виду средств, встреча частички с античастицей похожа на вкладывание монеты назад в дырку. Возрождается лист металла, другими словами энергия.


Вещественное неравенство


Античастиц в нашей части Вселенной меньше, чем частиц. Выходит, что положительные ядра и отрицательные электроны чемто лучше собственных гипотетичных антисобратьев. А ведь, по воззрению ученых, 15 миллиардов годов назад, во время породившего Вселенную Огромного взрыва должно было родиться однообразное количество вещества и антивещества.


Есть два разъяснения этого феномена: или в итоге непонятных пока физических процессов антивещество сходу пропало, или оно существует в каких-либо дальних уголках Вселенной. И если 2-ое разъяснение справедливо, то мы с вами живем в той части, где существует только вещество. Но есть возможность, что антивещество из другой части Вселенной может залетать в наш мир. И, вероятнее всего, оно объявится в виде самых обычных антиядер (вроде антигелия, антиуглерода и т. п.). В отличие от их более легкие античастицы (к примеру, антипротоны) и так появляются при высокоэнергетических столкновениях обыденных частиц. Но находить антиядра на Земле никчемно: если они и долетают до границ атмосферы, то здесь же аннигилируют. Так что на поиски антивещества нужно отчаливать в космос.


На теоретическом уровне опыт довольно прост: частички галлактических лучей, пролетая через сенсор, оставляют в нем след. Сенсор находится в массивном магнитном поле, которое искривляет линии движения заряженных частиц. Линии движения положительно заряженных обыденных ядер должны отклоняться в одну сторону, а негативно заряженных антиядер – в другую.


В 60-70е годы группа физиков под управлением нобелевского лауреата Луиса Альвареца посылала магнит для поиска частиц антиматерии в небо на воздушных шарах. Было записанно более 40 тыс. частиц, но ни одна из их не имела дела к антиматерии. А в 2002 году большой воздушный шар BESS объемом в 1,1 млн куб. м, запущенный в небо Канады японскими и южноамериканскими физиками, висел там приблизительно 22 часа на высоте около 23 км. Закрепленное на нем оборудование весом 2400 кг состояло из трекового сенсора частиц и магнита, да и тогда найти ядра антивещества не удалось. Поиск антиядер с помощью шара продолжат в декабре 2003-го – январе 2004 года в Антарктике.


Следы посреди звезд


1-ый галлактический опыт по поиску антивещества был предпринят в 1998 году, во время полета шаттла «Дискавери» к станции «Мир». Российскоамериканскую команду ученых возглавлял нобелевский лауреат янки Сэмюэль Тинг. Но некоторое количество дней поисков не привели к поимке ни 1-го отрицательного ядра. Стало ясно, что ловить нужно еще подольше.


На 2005 год международное общество физиков под управлением Тинга планирует организовать поиск ядер антивещества, установив сенсоры на Интернациональной галлактической станции (МКС). В опыте опять интенсивно участвуют и русские ученые: сердечко опыта, уникальный сверхпроводящий магнит трекового сенсора, испытывают в Курчатовском центре, систему остывания разрабатывают в Институте ядерной физики МГУ, а Институт экспериментальной и теоретической физики будет заниматься математическим обеспечением опыта, сбором и обработкой данных.


На станцию будет доставлен магнитный спектрометр альфачастиц (АМС), который установят снаружи. Ожидается, что, проходя через разные сенсоры АМС, частички больших энергий будут повлиять на их, а обрабатывая информацию, поступившую от каждого сенсора, получится найти природу частиц и осознать, откуда они пришли.


Ловушка для антиматерии


АМС состоит из разных сенсоров, сверхпроводящего магнита, электроники и системы остывания.


Сверхпроводящий магнит принуждает заряженные частички, передвигающиеся в свободном пространстве по прямой, поменять линию движения.


База магнита – две катушки из ниобиевотитановой проволоки, охлажденные до сверхнизкой температуры (1,8 К). Для поддержания температуры в течение 3-х лет употребляется 360 кг водянистого гелия, который, равномерно испаряясь, и будет охлаждать катушку. А для сохранения температуры гелия вся система заключена в большой и крепкий вакуумный корпус, который также делает функцию каркаса.


Кстати, не считая главных катушек, АМС обеспечен набором курсовых компенсирующих магнитов: без их под действием магнитного поля Земли Интернациональная галлактическая станция будет поворачиваться подобно стрелке компаса.


Определяющий скорость частиц самых больших энергий сенсор переходного излучения – восьмиугольная «надстройка» АМС, состоящая из 20 слоев пластика, перемежающегося 20 слоями заполненных газовой консистенцией «трубок». Другие сенсоры спектрометра, ни особый времяпролетный сенсор, ни сенсор черенковского излучения (о их речь ниже), не могут различить тип высокоэнергетических частиц. При кинетической энергии более 200 ГэВ тяжело отличить протоны (с массой 1000 МэВ) от электронов (0,5 МэВ) либо мюонов (100 МэВ). А сенсор переходного излучения способен определять лоренц-фактор частички (пропорционален отношению энергии к массе E/m), который у протонов и электронов очень отличается.


Проходя через сенсор переходного излучения, электроны с высочайшей энергией вызывают рентгеновское излучение, а протоны нет. При всем этом излучение ионизирует смесь газов и в газонаполненных трубках появляется разряд.


Под сенсором переходного излучения находится сердечко спектрометра – кремниевый трековый сенсор. Он смотрит за траекториями частиц в магнитном поле. Чем больше их импульс, тем прямее след. При всем этом положительно заряженная частичка будет отклоняться на право, а негативно заряженная – на лево.


Трековый сенсор состоит из восьми огромных тонких листов кремния с нанесенными на их миллионами тончайших дюралевых полосок. Врезаясь в полоску, частичка порождает электронный сигнал, и он дает знать с точностью до 10 микрон, где вышло столкновение. Соединив же точки столкновений в различных слоях, можно отследить направление движения частички. Кривизна линии движения частички покажет ее импульс и символ заряда, сила сигнала – заряд частички, а направление следа – откуда она появилась и где ожидать объявления других частиц в других сенсорах.


Галлактический секундомер


Для четкого измерения скорости частиц употребляется особый времяпролетный сенсор, который засекает время входа и выхода частички. Он состоит из пластмассовых сцинтилляторов (это органические соединения, которые владеют свойством источать свет при прохождении частиц), любой из которых просматривается фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) с обоих торцов. Проходя через сцинтиллятор, частичка оставляет световой след, который замечается фотоумножителем. Разница меж сигналами «входного» и «выходного» ФЭУ и дает время просвета.


Электрон с обыкновенной для галлактических лучей энергией (млрд электронвольт) движется со скоростью, близкой к скорости света, а протон либо ядро при таком же импульсе будет двигаться намного медлительнее. Так как погрешность составляет около 2%, сенсор сумеет отличить частичку, летящую со скоростью 96% от скорости света, от частички, передвигающейся со скоростью 99% от скорости света.


Времяпролетный сенсор делает и еще одну важную функцию. Так как он самый резвый, он сразу служит и спусковым крючком для всех других сенсоров, предупреждая о возникновении частички.


Ниже установлен сенсор черенковского излучения, заполненный сверхлегким стеклом, в каком расположены крохотные фотодетекторы.


В стекле свет движется медлительнее, чем в вакууме, и когда частички входят в стекло, появляется световое подобие звукового удара (как при преодолении самолетом скорости звука), фиксируемое сенсорами.


Сенсор черенковского излучения позволяет с очень высочайшей точностью определять скорость частиц, что разрешает в композиции с информацией о линии движения точно указать массу (по мере надобности различать легкие изотопы).


Еще одна часть АМС – электрический калориметр – большой свинцовый кирпич, способный задержать даже самые высокоэнергетические частички. Понятно, что это не просто кирпич, а быстрее слоеный пирог из свинца и пластмассового сцинтиллятора. Слои свинца задерживают частички, а прозрачные слои сцинтиллятора служат сенсором: как и во времяпролетном сенсоре, фотоумножители улавливают испускаемый свет. Ионизирующая частичка высочайшей энергии, проходя через калориметр, делает огромное число вторичных частиц, которые, взаимодействуя с веществом калориметра, в свою очередь делают вторичные частички. Появляется ливень частиц в направлении движения первичной частички. Измеряя световой выход сцинтилляторов, можно найти энергию и тип частички.


В секунду через АМС пролетает в различных направлениях около 10 тыщ частиц. Не все из их стоят внимания: ученых заинтересовывают частички, пролетающие сверху вниз через несколько сенсоров (около 2000 частиц за секунду). Чтоб не отвлекаться по мелочам, АМС окружен со всех боков (не считая торцов), как барьером, особым сцинтилляционным счетчиком антисовпадений, имеющим право вето (так именуемым ветосчетчиком). В итоге анализируются только те частички, которые прошли через все сенсоры и не прошли через ветосчетчик.


АМС управляется сотками компов, начиная от маленьких, отвечающих за газовую систему, и заканчивая основным, собирающим все сведения о частичках.


Части спектрометра имеют несколько систем терморассеивания. И более непростая из их – железные прутки с высочайшей теплопроводимостью, охлаждаемые специальной системой на углекислом газе, – защищает трековый сенсор, находящийся в самом центре (он выделяет практически 200 Вт).


Не считая того, АМС имеет дюралевый «внешний скелет». В космосе он не так нужен, но при запуске шаттла ему приходится выдерживать огромные нагрузки.


Рукотворная антиматерия


На Земле идентичные опыты, посвященные исследованиям поведения простых частиц, удачно проводятся уже несколько 10-ов лет. В Европейском центре ядерных исследовательских работ (CERN) приблизительно в одном из 10 миллионов столкновений частиц высочайшей энергии с веществом рождается пара «протон – антипротон». Антипротоны отбирают, изолируют от обыденного вещества (чтоб они не аннигилировали) и копят для предстоящего использования. Пару лет вспять в CERN заработала 1-ая «фабрика антивещества».


В 2000 году там начались три опыта, в каких ученые употребляют антипротоны для сотворения атомов антивещества – антиводорода (антипротон, вокруг которого вертится позитрон) и антигелия (ядра из 2-ух антипротонов и 2-ух антинейтронов с 2-мя позитронами на орбитах). Эти атомы удалось не только лишь получить, да и изучить. К концу прошедшего года в CERN удалось сделать около 50 тыс. атомов прохладного антиводорода, энергии которых хватит, к примеру, чтоб зажечь одноваттную электронную лампочку на 0,01 секунды. Правда, для их получения было затрачено энергии на много порядков больше.