Антиматерија

Према стандардном моделу, физичкој теорији која описује основне градивне елементе и силе у природи, антиматерија је супстанца састављена од елементарних античестица, за разлику од „обичне“ материје која је састављена од елементарних честица. Свака елементарна честица се одликује неким особинама (маса, наелектрисање, спин...) које је разликују од осталих честица. За сваку честицу постоји и одговарајућа античестица, чије су неке особине, попут масе или спина, једнаке, а друге особине, попут наелектрисања или магнетног момента, супротне. Најпознатији пример чине електрон и позитрон, чији су наелектрисање и магнетни момент супротни, а све остале особине идентичне. Материја и антиматерија не могу постојати једна поред друге. Када се нађу заједно међусобно се поништавају (анихилација) уз ослобађање велике количине енергије у облику гама зрачења или других честица.^[1]

Детекција позитрона

Антиматерија

Преглед

Анихилација

Уређаји Акцелератор Пенингова клопка

Античестице позитрон антипротон антинеутрон антимион антитауон електронски антинеутрино мионски антинеутрино тау антинеутрино

Употреба ПЕТ

Организације CERN ATRAP ATHENA

Људи Пол Дирак Карл Андерсон edit

Постојање античестица и антиматерије први је постулирао енглески научник Пол Дирак (енгл. , 1902—1984), уводећи 1928. године концепт позитивно наелектрисаног електрона, тј. позитрона, чије је постојање експериментално потврђено 1932. Од 1955. године, када су помоћу акцелератора честица уочени антипротон и антинеутрон, експериментално је детектован и читав низ античестица. Крајем деведесетих година 20. века у ЦЕРН-у и Фермилабу синтетисан је антиводоник - први антиатом. Код обичног водоника око протона који представља атомско језгро кружи један електрон. Код антиводоника око антипротона кружи антиелектрон (позитрон).

Као што комбинацијом честица настаје материја тако и комбинацијом одговарајућих античестица настаје антиматерија. На пример, стабилан атом антиводоника може да настане везивањем позитрона за антипротон. Његове особине би требало да буду идентичне особинама обичног водоника. Заиста, атом антиводоника је произведен у сударима антипротона са млазом атома ксенона. У судару антипротона са атомским језгром ксенона понекад дође до стварања пара електрон-позитрон. При томе, може да се догоди (мада врло ретко) да брзина и правац кретања новонасталог позитрона буду блиски брзини и путањи антипротона. Тада под утицајем привлачне силе између позитрона (позитивне честице) и антипротона (негативне честице) настаје атом антиводоника. Изолован атом антиводоника стабилан је колико и изолован атом водоника. Међутим, у судару са обичном материјом долази до његове анихилације. Пошто се честице крећу брзином блиском брзини светлости, време живота антиводоника у апаратури реда је величине 4 × 10⁻⁸ s колико антиатому треба да превали десетак метара и анихилира се у судару са зидом апаратуре. Данас се улажу велики напори да се произведени атоми антиводоника заробе у електричном и магнетском пољу, дакле, да се изолују од обичне материје и тако им се продужи век у мери која ће дозволити детаљније испитивање атомских особина. Производњом првих атома антиводоника одшкринута су врата систематском испитивању антисвета.

Мали број античестица свакодневно се ствара на акцелераторима честица - укупна производња је само неколико нанограма^[2]—и у природним процесима попут судара космичких зрака и у неким врстама радиоактивног распада, али само је мали дио њих успешно је повезан у експериментима за формирање антиатома. Никада није прикупљена макроскопска количина антиматерије због екстремних трошкова и потешкоћа у производњи и руковању.

Честице антиматерије се међусобно везују како би формирале антиматерију, баш као што се обичне честице везују за формирање нормалну материју. На пример, позитрон (античестица електрона) и антипротон (античестица протона) могу да формирају атом антиводоника. Језгра антихелијума су вештачки произведена, иако са потешкоћама, и представљају најкомплекснија антијезгра до сада уочене.^[3] Физички принципи указују на то да су могућа сложена атомска језгра антиматерије, као и антиатоми који одговарају познатим хемијским елементима.

Постоје јаки докази да се уочљиви свемир скоро у потпуности састоји од обичне материје, за разлику од једнаке мешавине материје и антиматерије.^[4] Ова асиметрија материје и антиматерије у видљивом универзуму један је од великих нерешених проблема у физици.^[5] Процес којим се развила ова неједнакост између материје и честица антиматерије назива се бариогенеза.

Дневно има око 500 земаљских гама зрака. Црвене тачке приказују оне које је уочио Фермијев свемирски телескоп гама зрака 2010. Плаве области указују на то где се може појавити потенцијална муња за блицеве земаљских гама зрака.

Видео снимак који приказује како су научници користили детектор гама-зрака свемирског телескопа Ферми за откривање налета антиматерије из грмљавина

Дефиниције

Честице антиматерије се могу дефинисати њиховим негативним барионским бројем или лептонским бројем, док „нормалне“ (неантиматеријске) честице материје имају позитиван барионски или лептонски број.^[6][7] Ове две класе честица су античестични партнери једно другима. „Позитрон” је антиматеријски еквивалент „електрона”.^[8]

Француски израз contra-terrene довео је до иницијализма „” и научнофантастичног израза „сити”,^[9] који се користи у таквим романима као што је .^[10]

Концептуална историја

Идеја о негативној материји појављује се у прошлим теоријама материје које су сада напуштене. Користећи некада популарну вртложну теорију гравитације, Вилијам Хикс је говорио о могућности материје са негативном гравитацијом током 1880-их. Између 1880 -их и 1890-их, Карл Пирсон је предложио постојање „прскања“^[11] и понора тока етра. „Прскање” је представљало нормалну материју, а понори негативну материју. Пирсонова теорија је захтевала четврту димензију да би етер текао из и у.^[12]

Израз антиматерија први је употребио Артур Шустер у два прилично ћудљива писма часопису Природа 1898. године,^[13] у којима је тај термин сковао. Он је претпоставио антиатоме, као и читаве соларне системе антиматерије, и расправљао о могућности уништавања материје и антиматерије. Шустерове идеје нису биле озбиљан теоријски предлог, већ само спекулације, и попут претходних идеја, разликовале су се од савременог концепта антиматерије по томе што су имале негативну гравитацију.^[14]

Савремена теорија антиматерије започела је 1928. године, радом^[15] Пола Дирака. Дирак је схватио да његова релативистичка верзија Шредингерове таласне једначине за електроне предвиђа могућност антиелектрона. Њих је открио Карл Дејвид Андерсон 1932. године и назвао их позитрони полазећи од „позитивног електрона”. Иако сам Дирак није користио израз антиматерија, његова употреба сасвим природно следи из антиелектрона, антипротона итд.^[16] Потпуну периодну табелу антиматерије предвидео је Шарлс Жанет 1929.^[17]

Фајнман–Штукелбергова интеракција наводи да су антиматерија и античестице регуларне честице које путују уназад у времену.^[18]

Референце

1. „Smidgen of Antimatter Surrounds Earth”. 11. 8. 2011. Архивирано из оригинала 26. 9. 2011. г.CS1 одржавање: Формат датума (веза)
2. „Ten things you might not know about antimatter”. symmetry magazine. Приступљено 2018-11-08.
3. Agakishiev, H.; . (STAR Collaboration) (2011). „Observation of the antimatter helium-4 nucleus”. Nature. 473 (7347): 353—356. Bibcode:2011Natur.473..353S. PMID 21516103. S2CID 118484566. arXiv:1103.3312 . doi:10.1038/nature10079.
4. Canetti, L.; . (2012). „Matter and Antimatter in the Universe”. New J. Phys. 14 (9): 095012. Bibcode:2012NJPh...14i5012C. S2CID 119233888. arXiv:1204.4186 . doi:10.1088/1367-2630/14/9/095012.
5. Tenenbaum, David (28. 12. 2012). „One step closer: UW-Madison scientists help explain scarcity of antimatter”. University of Wisconsin–Madison News. Архивирано из оригинала 28. 12. 2012. г.CS1 одржавање: Формат датума (веза)
6. Tsan, Ung Chan (2013). „Mass, Matter, Materialization, Mattergenesis and Conservation of Charge”. International Journal of Modern Physics E. 22 (5): 1350027. Bibcode:2013IJMPE..2250027T. doi:10.1142/S0218301313500274. „Matter conservation means conservation of baryonic number A and leptonic number L, A and L being algebraic numbers. Positive A and L are associated to matter particles, negative A and L are associated to antimatter particles. All known interactions do conserve matter.”
7. Tsan, U. C. (2012). „Negative Numbers And Antimatter Particles”. International Journal of Modern Physics E. 21 (1): ((1250005-1—1250005-23)). Bibcode:2012IJMPE..2150005T. doi:10.1142/S021830131250005X. „Antimatter particles are characterized by negative baryonic number A or/and negative leptonic number L. Materialization and annihilation obey conservation of A and L (associated to all known interactions).”
8. Dirac, Paul A. M. (1965). Physics Nobel Lectures (PDF). 12. Amsterdam-London-New York: Elsevier. стр. 320—325. Архивирано из оригинала (PDF) 10. 10. 2019. г. Приступљено 10. 10. 2021.
9. „Antimatter”. Science Fiction Encyclopedia.
10. McCaffery, Larry (јул 1991). „An Interview with Jack Williamson”. Science Fiction Studies. 18 (54). Архивирано из оригинала 12. 9. 2006. г.CS1 одржавање: Формат датума (веза)
11. Pearson, K. (1891). „Ether Squirts”. American Journal of Mathematics. 13 (4): 309—72. JSTOR 2369570. doi:10.2307/2369570.
12. Kragh, H. (2002). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press. стр. 5—6. ISBN 978-0-691-09552-3.
13. Schuster, A. (1898). „Potential Matter – A Holiday Dream”. Nature. 58 (1503): 367. Bibcode:1898Natur..58..367S. S2CID 4046342. doi:10.1038/058367a0 .
14. Harrison, E. R. (2000-03-16). Cosmology: The Science of the Universe (2nd изд.). Cambridge University Press. стр. 266, 433. ISBN 978-0-521-66148-5.
15. Dirac, P. A. M. (1928). „The Quantum Theory of the Electron”. Proceedings of the Royal Society A. 117 (778): 610—624. Bibcode:1928RSPSA.117..610D. JSTOR 94981. doi:10.1098/rspa.1928.0023 .
16. Kaku, M.; Thompson, J. T. (1997). Beyond Einstein: The Cosmic Quest for the Theory of the Universe. Oxford University Press. стр. 179–180. ISBN 978-0-19-286196-2.
17. Stewart, P. J. (2010). „Charles Janet: Unrecognized genius of the periodic system”. Foundations of Chemistry. 12 (1): 5—15. S2CID 171000209. doi:10.1007/s10698-008-9062-5.
18. Canetti, L.; Drewes, M.; Shaposhnikov, M. (2012). „Matter and antimatter in the universe”. New Journal of Physics. 14 (9): 095012. Bibcode:2012NJPh...14i5012C. S2CID 119233888. arXiv:1204.4186 . doi:10.1088/1367-2630/14/9/095012.

Литература

• ^ 368, 251–258 (1996).
• ^ 80, 3037–3040 (1998).
• С. Мацура, Ј. Радић-Перић, АТОМИСТИКА, Факултет за физичку хемију Универзитета у Београду/Службени лист, Београд, 2004, стр. 562.
• G. Fraser (2000-05-18). Antimatter: The Ultimate Mirror. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-65252-0.
• Schmidt, G.R.; Gerrish, H.P.; Martin, J.J.; Smith, G.A.; Meyer, K.J. „Antimatter Production for Near-term Propulsion Applications” (PDF). Архивирано из оригинала (PDF) 6. 3. 2007. г.CS1 одржавање: Формат датума (веза)

Додатна литература

• Taylor, Allen (2012). „Angels and Demons”. New Scientist. CERN. 214 (2871): 31. Bibcode:2012NewSc.214R..31T. doi:10.1016/S0262-4079(12)61690-X. Архивирано из оригинала 27. 3. 2014. г.CS1 одржавање: Формат датума (веза)

Спољашње везе

• Интернет страница ЦЕРН-а
• Antimatter on In Our Time at the BBC. (listen now)
• Freeview Video 'Antimatter' by the Vega Science Trust and the BBC/OU
• CERN Webcasts (RealPlayer required)
• What is Antimatter? (from the Frequently Asked Questions at the Center for Antimatter–Matter Studies)
• Antimatter at Angels and Demons, CERN
• What is direct CP-violation?
• Animated illustration of antihydrogen production at CERN from the Exploratorium.