Antimateria: una svolta nella fisica o una minaccia per tutti gli esseri viventi?

Elettrone e positrone - la prima coppia di particelle antiparticelle scoperta dagli scienziati

L'universo è pieno di incredibili segreti. Fori neri spaventosi, il paradosso della "materia oscura", stelle doppie imprevedibili. Uno dei rompicapi più famosi e intriganti, ovviamente, è l'antimateria, consistente in materia di "dentro-fuori". La scoperta di questo fenomeno è una delle conquiste più importanti della fisica nel secolo scorso.

Fino a questo punto, gli scienziati erano convinti che le particelle elementari sono i mattoni fondamentali e immutabili dell'universo, che non nascono di nuovo e non scompaiono mai. Questa immagine noiosa e senza complicazioni è una cosa del passato quando si è scoperto che l'elettrone caricato negativamente e la sua controparte dal positrone anti-mondo si distruggono reciprocamente, dando origine a quanti di energia. E più tardi divenne ovvio che le particelle elementari in generale amano trasformarsi l'una nell'altra e nei modi più bizzarri. La scoperta dell'antimateria fu l'inizio di una radicale trasformazione delle idee sulle proprietà dell'universo.

L'antimateria è stata a lungo un argomento preferito della fantascienza. La nave Enterprise del culto Star Trek utilizza un motore di antimateria per conquistare la galassia. Nel libro di Dan Brown Angels and Demons, il personaggio principale salva Roma da una bomba creata sulla base di questa sostanza. Sottomettendo le inesauribili quantità di energia, che si ottiene dall'interazione della materia con l'antimateria, l'umanità guadagnerà potere, superiore alle previsioni degli scrittori di fantascienza più audaci. Bastano pochi chilogrammi di antimateria per attraversare la galassia.

Ma prima che la creazione di armi e veicoli spaziali sia ancora molto lontana. Allo stato attuale, la scienza è impegnata nella fondatezza teorica dell'esistenza dell'antimateria e nello studio delle sue proprietà, e gli scienziati usano dozzine, in casi estremi, centinaia di atomi nei loro esperimenti. Il tempo della loro vita viene calcolato in frazioni di secondi e il costo degli esperimenti è di decine di milioni di dollari. I fisici credono che la conoscenza dell'antimateria ci aiuterà a comprendere meglio l'evoluzione dell'Universo e gli eventi che si sono verificati immediatamente dopo il Big Bang.

Una nave della serie TV di Star Trek. Per conquistare la galassia, usa l'antimateria

Cos'è l'antimateria e quali sono le sue proprietà?

L'antimateria è un tipo speciale di materia costituito da antiparticelle. Hanno lo stesso spin e massa dei normali protoni ed elettroni, ma differiscono da essi per il segno della carica elettrica, del colore, del numero quantico del barione e del leptonio. In termini semplici, se gli atomi di materia ordinaria consistono in nuclei con carica positiva e elettroni negativi, l'antimateria è l'opposto.

Nell'interazione tra materia e antimateria, l'annientamento avviene con il rilascio di fotoni o altre particelle. L'energia ricevuta allo stesso tempo è enorme: un grammo di antimateria è sufficiente per un'esplosione di parecchi kilotoni.

Secondo i concetti moderni, la materia e l'antimateria hanno la stessa struttura, perché la forza e le interazioni elettromagnetiche che lo determinano agiscono in modo assolutamente identico sia sulle particelle che sui loro "gemelli".

Si ritiene che l'antimateria possa anche creare una forza gravitazionale, ma questo fatto non è ancora stato definitivamente dimostrato. In teoria, la gravità dovrebbe agire sulla materia e sull'antimateria allo stesso modo, ma questo deve ancora essere determinato sperimentalmente. Ora stanno lavorando a questo problema nei progetti ALPHA, AEGIS e GBAR.

Alla fine del 2015, utilizzando il collisore RHIC, gli scienziati sono stati in grado di misurare la forza di interazione tra antiprotoni. Si è scoperto che è uguale alla caratteristica simile dei protoni.

Allo stato attuale, i "gemelli" di quasi tutte le particelle elementari esistenti sono noti, ad eccezione dei cosiddetti "veramente neutri", che, nel corso della coniugazione della carica, si trasformano in se stessi. Queste particelle includono:

  • fotone;
  • Bosone di Higgs;
  • mesone pi neutro;
  • questo mesone;
  • gravitron (non ancora scoperto).

L'antimateria è molto più vicina di quanto pensi. Le fonti di antimateria, tuttavia, non troppo potenti, sono banane ordinarie. Contengono l'isotopo potassio-40, che decade per formare un positrone. Questo accade circa una volta ogni 75 minuti. Questo elemento è anche parte del corpo umano, così che ognuno di noi può essere chiamato un generatore di antiparticelle.

Dallo sfondo

Per la prima volta, lo scienziato britannico Arthur Schuster ha ammesso l'idea dell'esistenza della materia "con un segno diverso" alla fine del XIX secolo. La sua pubblicazione su questo argomento era piuttosto vaga e non conteneva alcuna prova, molto probabilmente, l'ipotesi dello scienziato è stata motivata dalla recente scoperta di un elettrone. Fu il primo a introdurre i termini "antimateria" e "antiatomico" in uso scientifico.

Sperimentalmente, l'anti-elettrone è stato ottenuto prima della sua scoperta ufficiale. Questo è stato fatto dal fisico sovietico Dmitry Skobeltsinu negli anni '20 del secolo scorso. Ha avuto uno strano effetto nell'esaminare i raggi gamma nella camera di Wilson, ma non ha potuto spiegarlo. Ora sappiamo che il fenomeno era causato dalla comparsa di una particella e di un'antiparticella - un elettrone e un positrone.

Nel 1930, il famoso fisico britannico Paul Dirac, lavorando sull'equazione relativistica del moto per un elettrone, predisse l'esistenza di una nuova particella con la stessa massa, ma una carica opposta. A quel tempo, gli scienziati conoscevano solo una particella positiva - un protone, ma era migliaia di volte più pesante di un elettrone, quindi non potevano interpretare i dati ottenuti da Dirac. Due anni dopo, l'americano Anderson scoprì il "gemello" di un elettrone nello studio delle radiazioni dallo spazio. Ha chiamato il positrone.

Verso la metà del secolo scorso, i fisici si divertirono a studiare questa antiparticella, furono sviluppati diversi modi della sua preparazione. Negli anni '50, gli scienziati scoprirono un antiprotone e un anti-neutrone, nel 1965 fu ottenuto un anti-deuterone e nel 1974 i ricercatori sovietici riuscirono a sintetizzare un anti-nucleo di elio e trizio.

Negli anni '60 e '70, le antiparticelle nell'atmosfera superiore sono state cercate usando palloncini con attrezzature scientifiche. Questo gruppo era guidato dal premio Nobel Luis Alvarets. In totale, circa 40mila particelle sono state "catturate", ma nessuna di esse aveva nulla a che fare con l'antimateria. Nel 2002, i fisici americani e giapponesi hanno intrapreso ricerche simili. Hanno lanciato un enorme pallone BESS (volume 1.1 milioni di m3) ad un'altezza di 23 chilometri. Ma anche nelle 22 ore dell'esperimento non sono riusciti a rilevare nemmeno le più semplici antiparticelle. Successivamente esperimenti simili furono condotti in Antartide.

A metà degli anni '90, gli scienziati europei riuscirono a ottenere un atomo di antiidrogeno costituito da due particelle: un positrone e un antiprotone. Negli ultimi anni, è stato possibile sintetizzare una quantità molto maggiore di questo elemento, che ha permesso di avanzare nello studio delle sue proprietà.

Per "catturare" le anti-particelle, vengono utilizzati anche i veicoli spaziali.

Nel 2005, un rilevatore di antimateria sensibile è stato installato sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS).

Antimateria nello spazio

Lo scopritore del positrone Paul Dirac riteneva che nell'universo ci fossero intere aree interamente costituite da antimateria. Ne ha parlato nella sua conferenza sul Nobel. Ma finora gli scienziati non sono stati in grado di trovare nulla di simile.

Certo, le anti-particelle sono presenti nello spazio. Nascono a causa di molti processi ad alta energia: le esplosioni di supernova o la combustione di combustibile termonucleare, si verificano in nubi di plasma attorno a buchi neri o stelle di neutroni, nascono in collisioni di particelle ad alta energia nello spazio interstellare. Inoltre, una piccola quantità di antiparticelle viene costantemente "versata" dalla pioggia sul nostro pianeta. Il decadimento di alcuni radionuclidi è anche accompagnato dalla formazione di positroni. Ma tutto quanto sopra è solo antiparticles, ma non antimateria. Fino ad ora, i ricercatori non sono stati in grado di trovare nemmeno anti-elio nello spazio, cosa dire di elementi più pesanti. Il fallimento della ricerca di radiazioni gamma specifiche, che accompagna il processo di annientamento nella collisione tra materia e antimateria.

A giudicare dai dati disponibili oggi, non ci sono antigagli, anti-stelle o altri grandi oggetti di antimateria. E questo è molto strano: secondo la teoria del Big Bang, al momento della nascita del nostro Universo, appariva la stessa quantità di materia e antimateria, e dove l'ultimo è andato non è chiaro. Attualmente, ci sono due spiegazioni per questo fenomeno: o l'antimateria è scomparsa immediatamente dopo l'esplosione, o esiste in alcune parti remote dell'universo, e semplicemente non l'abbiamo ancora scoperta. Tale asimmetria è uno dei più importanti problemi irrisolti della fisica moderna.

C'è un'ipotesi che nelle prime fasi della vita del nostro Universo, la quantità di materia e antimateria abbia quasi coinciso: per ogni miliardo di antiprotoni e positroni, c'erano esattamente altrettanti loro equivalenti, più un protone ed un elettrone "extra". Nel corso del tempo, la massa della materia e dell'antimateria è scomparsa nel processo di annientamento e tutto ciò che ci circonda oggi è emerso dal surplus. È vero, non è del tutto chiaro dove e perché siano comparse le particelle "extra".

Ottenere antimateria e le difficoltà di questo processo

Nel 1995, gli scienziati sono riusciti a creare solo nove atomi di anti-idrogeno. Esistevano per diverse decine di nanosecondi, e poi annientati. Nel 2002, il numero di particelle era già nelle centinaia e la loro durata di vita aumentava più volte.

L'antiparticella, di regola, nasce insieme al suo solito "doppio". Ad esempio, per ottenere una coppia di elettroni positronici, è necessaria l'interazione di un quantum gamma con il campo elettrico del nucleo atomico.

Ottenere antimateria - molto fastidioso. Questo processo si verifica negli acceleratori e le antiparticelle sono conservate in speciali anelli di stoccaggio in condizioni di alto vuoto. Nel 2010, per la prima volta i fisici sono riusciti a intrappolare 38 atomi di anti-idrogeno in una speciale trappola e tenerli per 172 millisecondi. Per fare questo, gli scienziati hanno dovuto raffreddare 30mila antiprotoni a temperature inferiori a -70 ° C e due milioni di positroni a -230 ° C.

Per ottenere l'antimateria occorrono i dispositivi più complessi

L'anno seguente, i ricercatori sono stati in grado di migliorare significativamente i risultati: aumentare la vita delle antiparticelle a mille interi secondi. In futuro pensiamo di scoprire l'assenza o la presenza dell'effetto antigravità per l'antimateria.

Il problema dell'archiviazione dell'antimateria è un vero mal di testa per i fisici, perché antiprotoni e positroni si annichilano all'istante quando incontrano particelle di materia ordinaria. Per mantenerli, gli scienziati hanno dovuto inventare dispositivi intelligenti che potrebbero prevenire una catastrofe. Le antiparticelle caricate sono memorizzate nella cosiddetta trappola di Penning, che assomiglia ad un acceleratore in miniatura. I suoi potenti campi magnetici ed elettrici impediscono a positroni e antiprotoni di scontrarsi con le pareti del dispositivo. Tuttavia, tale dispositivo non funziona con oggetti neutri, come un atomo di idrogeno. Per questo caso, è stata sviluppata la trappola Joffe. La ritenzione di anti-atomi in esso avviene a causa del campo magnetico.

Il costo dell'antimateria e la sua efficienza energetica

Data la difficoltà di ottenere e conservare l'antimateria, non sorprende che il suo prezzo sia molto alto. Secondo i calcoli della NASA, nel 2006 un milligrammo di positroni costava circa $ 25 milioni. Secondo i dati precedenti, un grammo di anti-idrogeno era stimato a 62 trilioni di dollari. Approssimativamente le stesse cifre sono fornite dai fisici europei del CERN.

Potenzialmente antimateria è un combustibile ideale, ultra efficiente ed ecocompatibile. Il problema è che tutta l'antimateria creata dalle persone finora è appena sufficiente a far bollire almeno una tazza di caffè.

La sintesi di un grammo di antimateria richiede 25 milioni di miliardi di kilowattora di energia, il che rende l'uso pratico di questa sostanza semplicemente assurdo. Forse un giorno ci riforniremo di navi stellari con esso, ma per questo è necessario trovare metodi più semplici ed economici di ricezione e archiviazione a lungo termine.

Applicazioni esistenti e promettenti

Attualmente, l'antimateria viene utilizzata in medicina, durante la tomografia a emissione di positroni. Questo metodo ti consente di ottenere un'immagine degli organi interni ad alta risoluzione. Gli isotopi radioattivi come il potassio-40 sono combinati con sostanze organiche come il glucosio e iniettati nel sistema circolatorio del paziente. Lì emettono positroni, che vengono annientati quando incontrano gli elettroni nel nostro corpo. Le radiazioni gamma, ottenute durante questo processo, formano un'immagine dell'organo o del tessuto investigato.

Anche l'antimateria è studiata come possibile rimedio contro il cancro.

L'uso dell'antimateria, ovviamente, ha una grande promessa. Può portare a una vera rivoluzione energetica e permettere alle persone di raggiungere le stelle. I pattini preferiti dei romanzi di fantascienza sono astronavi con i cosiddetti motori a curvatura, che consentono loro di viaggiare con la super velocità. Oggi ci sono diversi modelli matematici di tali installazioni, e la maggior parte di esse usa l'antimateria nel proprio lavoro.

Ci sono proposte più realistiche senza voli superlight e iperspazio. Ad esempio, si propone di gettare una capsula di uranio-238 con deuterio ed elio-3 all'interno della nube antiprotone. Gli sviluppatori del progetto ritengono che l'interazione di questi componenti porterà all'inizio di una reazione termonucleare, i cui prodotti, essendo diretti da un campo magnetico nell'ugello del motore, forniranno alla nave una trazione significativa.

Per i voli su Marte in un mese, gli ingegneri americani suggeriscono di utilizzare la fissione nucleare innescata dagli antiprotoni. Secondo i loro calcoli, solo 140 nanogrammi di queste particelle sono necessari per un tale viaggio.

Data la notevole quantità di energia rilasciata durante l'annichilazione anti-materia, questa sostanza è un eccellente candidato per riempire bombe e altri oggetti esplosivi. Anche una piccola quantità di antimateria è sufficiente per creare una munizione paragonabile al potere di una bomba nucleare. Ma mentre è prematuro preoccuparsene, perché questa tecnologia è nella fase iniziale del suo sviluppo. È improbabile che tali progetti vengano realizzati nei prossimi decenni.

Nel frattempo, l'antimateria è, prima di tutto, oggetto dello studio della scienza teorica, che può raccontare molto sulla struttura del nostro mondo. È improbabile che questa situazione cambierà fino a quando non impareremo a farlo su scala industriale e in modo affidabile. Solo allora possiamo parlare dell'uso pratico di questa sostanza.

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