Kako letati na Mars v mesecu dni? Če želite to narediti, morate vesoljsko plovilo dobro spodbuditi. Žal, najboljše gorivo, ki je na voljo človeku - jedrsko, daje specifični impulz 3000 sekund, let pa traja več mesecev. Ali ni kaj bolj energičnega pri roki? Teoretično obstaja: termonuklearna fuzija; zagotavlja impulz več sto tisoč sekund, uporaba antimaterije pa bo zagotovila milijon sekund.
Jedra antimaterije so zgrajena iz antinukleonov, zunanja lupina pa je sestavljena iz pozitronov. Zaradi invariance močne interakcije glede konjugacije naboja (C-invariance) imajo antinuklei masni in energijski spekter, enak tistim iz jeder, sestavljenih iz ustreznih nukleon, atomi antimaterije in snovi pa morajo imeti enako strukturo in kemijske lastnosti, z enim samim HO, trkom predmeta, ki je sestavljen iz snovi, s predmetom antimaterije vodi do iztrebljanja delcev in delcev, ki so vključeni v njihovo sestavo.
Uničenje počasnih elektronov in pozitronov vodi do nastanka gama kvantov, aniilacija počasnih nukleonov in antinukleonov pa vodi do nastanka več pi-mezonov. Kot posledica kasnejših razpadov mezonov nastane trdo gama sevanje z energijo kvantne gama več kot 70 MeV.
Antielektrone (pozitrone) je napovedal P. Dirac in nato eksperimentalno odkril v "tuših" P. Anderson, ki takrat ni vedel za Diracovo napoved. To odkritje je leta 1936 prejelo Nobelovo nagrado za fiziko. Antiproton je bil odkrit leta 1955 v Bevatronu v Berkeleyju, ki je bil prav tako deležen Nobelove nagrade. Leta 1960 so tam odkrili antineutron. Z zagonom serpuhovega pospeševalnika so tudi naši fiziki uspeli na nek način napredovati - leta 1969 so tam odkrili jedra antihelija. Toda atomov antimaterije ni bilo mogoče dobiti. Iskreno povedano, med celotnim obstojem pospeševalnikov so anti delci prejeli zanemarljive količine - vsi antiprotoni, sintetizirani v CERN-u v enem letu, bodo dovolj za delovanje ene električne žarnice za nekaj sekund.
Prvo sporočilo o sintezi devetih atomov antimaterije - antihidrogena v okviru projekta ATRAP (CERN) se je pojavilo leta 1995. Ko so obstajali približno 40 ns, so ti posamezni atomi umrli in sprostili predpisano količino sevanja (kar je bilo zabeleženo). Cilji so bili jasni in so upravičili prizadevanja, naloge so bile določene in leta 1997 je blizu Ženeve, zahvaljujoč mednarodni finančni pomoči, CERN začel graditi desselerator (ne prevajajmo ga z disonantnim ekvivalentom "zaviralca"), ki je omogočil upočasnitev ("ohladitve") antiprotonov nazaj v deset milijonov krat nad namestitvijo iz leta 1995. Ta naprava, imenovana Antiproton Moderator (AD), je začela uporabljati februarja 2002.
Potem, ko antiprotoni zapustijo upočasnjevalni obroč, so sestavljeni iz štirih glavnih delov: lovilca za zaskočitev antiprotonov, pozitronskega shranjevalnega obroča, mešalne lopute in detektorja vodika. Antiprotonski tok se najprej upočasni z mikrovalovnim sevanjem, nato pa se ohladi kot posledica izmenjave toplote s pretokom nizkoenergijskih elektronov, nato pa pade v past - mešalnik, kjer je pri temperaturi 15 K. Naprava za pozitronsko shranjevanje zaporedno upočasni, zajame in nabira pozitrone iz radioaktivnega vira; približno polovica jih pade v mešalno past, kjer se dodatno hladi s sinhrotronskim sevanjem. Vse to je potrebno za znatno povečanje verjetnosti nastanka atomov vodika.
Pri moderatorju Antiproton se je začela huda tekma med dvema skupinama znanstvenikov, udeleženih v poskusih ATHENA (39 znanstvenikov iz različnih držav sveta) in ATRAP.
V Nature 2002, vol. 419, str. 439, prav tam, str. 456), objavljenem 3. oktobra 2002, je poskus ATHENA trdil, da jim je uspelo pridobiti 50.000 atomov antimaterije - antihidrogena. Prisotnost antimaterijskih atomov je bila zabeležena v času njihovega uničevanja, kar je bilo dokazano s presečiščem na eni točki sledi dveh trdih kvantov, ki sta nastala med uničenjem elektronov-pozitrona, in sledov pionov, ki so posledica uničenja antiprotona in protona. Pridobljen je bil prvi "portret" antimaterije (fotografija na začetku) - računalniška slika, sintetizirana iz takih točk. Ker so bili uničeni samo tisti atomi, ki so "zdrsnili" iz pasti (in teh je bilo zanesljivo preštetih le 130), deklarirani 50.000 atomov vodika ustvarjajo samo nevidno ozadje "portreta".
Promocijski video:
Težava je v tem, da je bilo uničevanje antihidrogena zabeleženo v splošnem, močnejšem ozadju uničenja pozitrona in antiprotona. To je seveda povzročilo zdrav skepticizem med kolegi iz sosednjega konkurenčnega projekta ATRAP. Stem ko so v istem objektu sintetizirali antihidrogen, so lahko registrirali atome vodika s pomočjo zapletenih magnetnih pasti brez kakršnega koli ozadja. Atomi vodika, nastali v poskusu, so postali električno nevtralni in so lahko, za razliko od pozitronov in antiprotonov, prosto zapustili območje, kjer so bili nabiti delci. Tam so bili brez ozadja registrirani.
Ocenjujejo, da je v pasti nastalo približno 170.000 atomov vodika, kot so poročali raziskovalci v članku, objavljenem v reviji Physical Review Letters.
In to je že uspeh. Zdaj lahko prejeta količina antihidrogena zadostuje za preučevanje njegovih lastnosti. Za atome vodika je na primer predlagano merjenje frekvence elektronskega prehoda 1s-2s (iz osnovnega v prvo vzbujeno stanje) z lasersko spektroskopijo z visoko ločljivostjo. (Frekvenca tega prehoda v vodiku je znana z natančnostjo 1,8 · 10–14 - nepredvidljivo se šteje, da se vodikov maser šteje za frekvenčni standard.) Po teoriji bi morali biti enaki kot pri navadnem vodiku. Če se na primer absorpcijski spekter izkaže za drugačnega, boste morali prilagoditi temeljne temelje sodobne fizike.
Toda zanimanje za antimaterijo - antimaterija nikakor ni zgolj teoretično. Motor proti antimateriji lahko deluje na primer na naslednji način. Najprej nastaneta dva oblaka iz več trilijonov antiprotonov, ki se z elektromagnetno pastjo preprečujejo dotika snovi. Nato se med njimi vbrizga 42-nanometrski delček goriva. To je kapsula urana-238, ki vsebuje mešanico devterija in helija-3 ali devterija in tricija.
Antiprotoni takoj uničijo jedra urana in povzročijo, da se razkrojijo na drobce. Ti fragmenti skupaj z nastalo gama kvanto toliko segrejejo notranjost kapsule, da se tam začne termonuklearna reakcija. Njeni izdelki, ki imajo ogromno energije, magnetno polje še bolj pospešijo in letijo skozi šobo motorja, kar vesoljskim plovilom zagotavlja neznan potisk.
Glede leta na Mars v enem mesecu ameriški fiziki priporočajo uporabo zanjo druge tehnologije - jedrske cepitve, ki jo katalizirajo antiprotoni. Potem bo za celoten let potrebnih 140 nanogramov antiprotonov, ne da bi šteli radioaktivno gorivo.
Nove meritve, opravljene v raziskovalnem centru Stanford (Kalifornija), kjer je nameščen linearni pospeševalnik delcev, so znanstvenikom omogočile napredek pri odgovarjanju na vprašanje, zakaj v vesolju prevladuje snov.
Rezultati poskusa potrjujejo prejšnje domneve o razvoju neravnovesja teh nasprotnih entitet. Vendar znanstveniki trdijo, da so opravljene študije postavile več vprašanj kot odgovorov: poskusi s pospeševalnikom ne morejo zagotoviti popolne razlage, zakaj je v vesolju toliko snovi - milijard galaksij, napolnjenih z zvezdami in planeti.
Znanstveniki, ki delajo s pospeševalnikom, so izmerili parameter, znan kot sinus dveh beta (0,74 plus ali minus 0,07). Ta indikator odraža stopnjo asimetrije med snovjo in antimaterijo.
Kot rezultat velikega poka bi se morala oblikovati enaka količina snovi in antimaterije, ki se je nato uničila in ji ni preostalo nič drugega kot energija. Vendar je vesolje, ki ga opazujemo, nesporni dokaz zmage materije nad antimaterijo.
Da bi razumeli, kako se to lahko zgodi, so fiziki pogledali na učinek, imenovan kršitev enakosti naboja. Da bi opazili ta učinek, so znanstveniki preučevali B-mezone in anti-B-mezone, delce z zelo kratko življenjsko dobo - trilijone sekunde.
Razlike v vedenju teh popolnoma nasprotnih delcev kažejo razlike med materijo in antimaterijo in deloma pojasnjujejo, zakaj eden prevladuje nad drugim. Na milijone B-mezonov in anti-B-mezonov, potrebnih za eksperiment, so nastali kot rezultat trkov v pospeševalnik žarkov elektronov in pozitronov. Prvi rezultati, dobljeni leta 2001, jasno kažejo na kršitev enakosti nabojev za B-mezone.
"To je bilo pomembno odkritje, vendar je treba zbrati še veliko podatkov, da se potrdi sinus dveh beta kot temeljne konstante kvantne fizike," je dejal Stewart Smith z univerze Princeton. "Novi rezultati so bili objavljeni po treh letih intenzivnih raziskav in analiz 88 milijonov dogodkov."
Nove meritve so skladne s tako imenovanim "standardnim modelom", ki opisuje elementarne delce in njihove medsebojne vplive. Potrjena stopnja kršitve enakosti nabojev sama po sebi ne zadostuje za razlago neravnovesja materije in antimaterije v vesolju.
"Očitno se je poleg neenakosti nabojev zgodilo še nekaj, zaradi česar se je prevladovala materija spremenila v zvezde, planete in žive organizme," je komentiral Hassan Jawahery, uslužbenec univerze v Marylandu. "V prihodnosti bomo morda razumeli ti skriti procesi in odgovarjajo na vprašanje, kaj je vesolje pripeljalo v njegovo sedanje stanje in to bo najbolj vznemirljivo odkritje."